基于功率管理系统的含电池超级电容直流配电网优化方法

本发明涉及含电池超级电容的直流微电网控制，具体地指一种基于功率管理系统的含电池超级电容直流配电网优化方法。

背景技术：

1、随着社会经济的发展，地球上有限的化石燃料已无法满足不断增加的能源需求。因此，现有的新型电力系统逐渐开始采用含更高比例可再生能源发电系统，以获得绿色和清洁能源。

2、由于环境的不稳定性质，引入可再生能源会造成电力系统生产、控制和运行的不确定。为了克服这些影响因素，国内外研究人员将存储设备与可再生能源集成得到混合储能系统，成为了解决清洁能源问题的潜在方案。文献amodel predictive control systemfor a hybrid battery-ultracapacitor power source(b.hredzak，v.agelidis，andm.jang，“a model predictive control system for a hybrid battery-ultracapacitorpower source，”ieee trans.power electron.，vol.29，no.3，pp.1469–1479，mar.2014.)，提出了一种基于模型预测的直流微电网环境中超级电容器-电池混合式电力管理方案。该方案的主要优点为提供了一种统一的方法来设计一个控制系统，以确保超级电容电池混合动力车在预定义的范围内运行。然而，该方式假设了一个理想条件——直流母线电压在整个工作过程中恒定。此外，经典的模型预测控制(mpc)依赖于控制系统的离散模型和代价函数，使其计算密集型。文献dynamic energy management of micro grids using batterysuper capacitor combined storage(r.sathishkumar，s.kollimalla，and maheshk.mishra，“dynamic energy management of micro grids using battery supercapacitor combined storage，”in proc.ieee indicon，dec 2012，pp.1078–1083.)设计了一种控制策略来平衡直流微电网环境中可再生侧变化和负载下的潮流。然而，该方案不允许将瞬态功率转移到超级电容器单元，具有稳定性低的局限。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于功率管理系统的含电池超级电容直流配电网优化方法，能够根据功率管理系统提高系统瞬态响应特性，优化系统响应特性，提高电池单元寿命，减小母线电容设计。

2、本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种基于功率管理系统的含电池超级电容直流配电网优化方法，它包括如下步骤：

3、s1：通过库伦计数法估算电池和超级电容的荷电状态；

4、s2：通过比较光伏发电单元产生的输出功率和负荷需求大小，建立一个应用于含电池超级电容直流配电网的功率管理系统，其中设计有缺额功率模式和超额功率模式；

5、s3：为所述直流配电网的光伏发电单元配置一个二次升压控制器，将测得的光伏单元实际输出电流与功率管理系统传递的参考电流相比较，经pi调控，计算得到二次升压控制器的脉冲控制信号；

6、s4：为所述直流配电网的电池单元配置一个电池双向dcdc控制器，将测得的储能单元实际输出电流与功率管理系统传递的参考电流相比较，经pi调控，计算得到电池双向dcdc控制器的脉冲控制信号；

7、s5：为所述直流配电网的超级电容单元配置一个超级电容双向dcdc控制器，将测得的超级电容实际输出电流与功率管理系统传递的参考电流相比较，经pi调控，计算得到超级电容双向dcdc控制器的脉冲控制信号；

8、s6：为所述直流配电网与交流微电网的互联变换器配置一个电压源换流器，功率管理系统通过比较光伏发电功率和负载功率的可用性，决定将其作为逆变器或整流器，生成相应的参考电流。

9、优选地，所述步骤s1中，库伦计数法如下：

10、

11、

12、其中：为电池实际荷电状态；为超级电容实际荷电状态；ib为电池输出电流；isc为超级电容输出电流；为电池初始荷电状态、为超级电容初始荷电状态；cn为电池额定容量；cs为超级电容额定容量。

13、优选地，所述步骤s2中，缺额功率模式如下：负荷需求超出了光伏单元和电池的最大输出能力，电力缺额由主电网、光伏单元和电池共同承担，直到电池的荷电状态下降至极限范围。

14、优选地，所述步骤s2中，超额功率模式如下：负荷所需功率小于光伏出力，多余的光伏发电功率将用于给电池和超级电容充电，直到电池和超级电容的荷电状态达到元件上限；随着电池和超级电容接近满额电力状态，光伏额外产生的电力将通过电压源换流器接入主电网。

15、优选地，所述步骤s3中，二次升压控制器控制信号δpv为：

16、

17、其中：为光伏发电单元参考电流；ipv为二次升压控制器实际输出电流；t0为任意瞬时时刻；tpv为光伏控制周期；为针对光伏的电流pi控制器的比例增益；为针对光伏的电流pi控制器的积分增益。

18、优选地，所述步骤s4中，电池双向dcdc控制器参考电流和调制信号δb为：

19、

20、

21、其中：it(t)为时域下直流母线电流；为功率管理系统针对电池的控制函数；λ为平均功率共享常数；tb为电池控制周期；为电池pi控制器的比例增益；为电池pi控制器的积分增益；为电池单元参考电流；ib为电池单元实际输出电流。

22、优选地，所述步骤s5中，超级电容双向dcdc控制器的参考电流和控制信号δsc为：

23、

24、

25、

26、其中：it(s)为复频域下直流母线电流；s为复数频率；ωc为电流的截止频率；vb为电池端口输出电压；vsc为超级电容端口输出电压；为功率管理系统针对超级电容的控制函数；tsc为超级电容的控制周期；为超级电容的电流pi控制器的比例增益；为超级电容的电流pi控制器的积分增益；为超级电容参考电流；isc为超级电容实际输出电流。

27、优选地，所述步骤s6中，电压源换流器建立的参考电流为

28、

29、其中：为直流母线平均电流；ω为网格角频率；pl为负荷需求功率；ppv为光伏单元输出功率。

30、本发明的有益效果：

31、1、由于含电池超级电容直流配电网的使用，本发明方法确保了一些电能质量特征，抑制了光伏发电单元输出波形中的高频谐振。

32、2、本发明通过限制由于太阳辐照度和负载功率波动的变化而限制电池的充放电周期来提高电池单元寿命。

33、3、本发明能够根据功率管理系统提高系统功率的瞬态响应特性，优化系统响应特性，防止了系统发生振荡，减小了母线电容设计。

34、4、本发明利用超级电容和电池的荷电状态实现电网与电池之间的平均配电，平滑光伏发电单元输出功率，抑制网格中平均功率、瞬态功率的变化；同时，本发明还能快速响应直流母线电压波动，延长电池使用寿命，提高系统的鲁棒性。