一種混合儲能系統和微電網系統的制作方法

本發明涉及電力電子技術領域，尤其涉及一種混合儲能系統和微電網系統。

背景技術：

目前在海島及偏遠地區，一般采用微電網供電，即主要依靠光伏發電、風力發電、潮汐發電等新型能源發電。因為這些新能源的間歇性，這些新能源并不能提供持續可靠的電源，因此，微電網系統中需要儲能系統以維持電能的穩定。

目前，一般采用蓄電池和超級電容組成混合儲能系統，蓄電池能量密度高，但頻繁地大電流充放電會縮短其壽命，而超級電容充放電功率大，循環壽命長，但能量密度小。采用蓄電池和超級電容組成混合儲能系統可以充分利用蓄電池和超

圖1所示的微電網系統包括混合儲能系統11、負載12、光伏發電系統13、風力發電系統14，其中，混合儲能系統11包括蓄電池、超級電容、能量管理單元15、與蓄電池和直流/交流母線相連的雙向功率變換器1、與超級電容和直流/交流母線相連的雙向功率變換器2，其中，能量管理單元15分別獲取風力發電系統輸出到直流/交流母線的功率Pw，光伏發電系統13輸出到直流/交流母線的功率Pv，負載12消耗的功率Pl，從而確定儲能系統11的充放電功率Pw+Pv-Pl(當Pw+Pv-Pl大于0時，確定儲能系統11的充電功率；當Pw+Pv-Pl小于0時，確定儲能系統11的放電功率)；并將確定的充放電功率進行低通濾波，得到蓄電池充放電功率，然后將確定的充放電功率與蓄電池的充放電功率之差作為超級電容的充放電功率；雙向功率變換器1根據蓄電池的充放電功率 對蓄電池進行充放電，雙向功率變換器2根據超級電容的充放電功率對超級電容進行充放電。也就是說，在確定充放電功率之后，確定的充放電功率中的高頻部分作為蓄電池充放電功率，確定的充放電功率中的低頻部分作為超級電容的充放電功率。

能量管理單元需要采集各輸入源和負載的電流、電壓，計算出各種源和負載的功率，再經過濾波才能得到蓄電池和超級電容的功率給定。這就需要增加電流、電壓采樣電路或在輸入源、負載和能量管理單元間增加高速通訊線才能實現，而且能量管理單元和雙向功率變換器1、雙向功率變換器2之間也需要有高速的通信線。系統實現較復雜，硬件成本高，而且通信線易受干擾，可靠性較差。此外，由于各單元電路之間需要有信號線連接，擺放位置受限，不利于在應用于分布式發電場合的應用。

綜上所述，在現有的混合儲能系統中，需要由能量管理單元來確定蓄電池充放電功率和超級電容的充放電功率，這會導致系統實現較復雜，通信線易受干擾，可靠性較差，并限制采用混合儲能系統的電網系統應用場合。

技術實現要素：

本發明實施例提供了一種混合儲能系統和微電網系統，用以解決在現有的混合儲能系統中，由于需要由能量管理單元來確定蓄電池充放電功率和超級電容的充放電功率，這會導致系統實現較復雜，限制了采用混合儲能系統的電網系統應用場合。

基于上述問題，本發明實施例提供的一種混合儲能系統，包括第一類雙向功率變換器、第一類儲能器件、第二類雙向功率變換器和第二類儲能器件；所述第一類雙向功率變換器，用于獲取母線上的物理參數的參數值，并在所述參數值發生變化時，按照預設的充放電速度的變化率改變對第一類儲能器件進行充放電時的充放電速度；直至所述物理參數的參數值等于第一參數值或者等于第二參數值時，對第一類儲能器件進行充放電時的充放電速度不再改變；所述 第二類雙向功率變換器，用于獲取所述物理參數的參數值，并在所述參數值到達預設范圍的邊界值時，對第二類儲能器件進行充放電，使得所述參數值維持在預設范圍的邊界值，所述第一參數值和所述第二參數值均位于所述預設范圍內。

本發明實施例提供的一種微電網系統，包括本發明實施例提供的混合儲能系統。

本發明實施例的有益效果包括：

本發明實施例提供的混合儲能系統中的第一類雙向功率變換器在母線上的物理參數的參數值發生變化時控制第一類儲能器件對母線上的物理參數的參數值的變化進行慢速響應，從而避免第一類儲能器件的充放電電流變化速度過快，第二類雙向功率變換器在所述參數的參數值達到預設范圍的邊界值時控制第二類儲能器件對所述物理參數的參數值的變化進行快速響應，從而確保所述參數值不會超出預設范圍，由于該混合儲能系統中不需要能量管理單元，因此簡化了系統的結構，提高了系統的抗干擾性和可靠性，擴展了采用混合儲能系統的電網系統應用場合。

附圖說明

圖1為現有技術中的微電網系統的結構示意圖；

圖2為本發明實施例提供的混合儲能系統的結構示意圖；

圖3為本發明實施例提供的混合儲能系統應用在實際中時，隨著負載消耗的功率與發電系統輸出的功率的變化，直流母線上的電壓的變化，第一類雙向功率變換器的電流的變化以及第二類雙向功率變換器的電流的變化的示意圖。

具體實施方式

本發明實施例提供的混合儲能系統中的第一類雙向功率變換器在母線上的物理參數的參數值發生變化時控制第一類儲能器件對母線上的物理參數的 參數值的變化進行慢速響應，第二類雙向功率變換器在所述參數的參數值達到預設范圍的邊界值時控制第二類儲能器件對所述物理參數的參數值的變化進行快速響應，這樣既可以避免第一類儲能器件的充放電電流變化速度過快，又可以確保所述參數值不會超出預設范圍，并且還不需要能量管理單元，從而在系統性能不變的情況下簡化了系統的結構。

下面結合說明書附圖，對本發明實施例提供的一種混合儲能系統和微電網系統的具體實施方式進行說明。

本發明實施例提供的一種混合儲能系統，如圖2所示，包括第一類雙向功率變換器21、第一類儲能器件22、第二類雙向功率變換器23和第二類儲能器件24；

第一類雙向功率變換器21，用于獲取母線25上的物理參數的參數值，并在所述參數值發生變化時，按照預設的充放電速度的變化率改變對第一類儲能器件22進行充放電時的充放電速度；直至所述物理參數的參數值等于第一參數值或者等于第二參數值時，對第一類儲能器件22進行充放電時的充放電速度不再改變；

第二類雙向功率變換器23，用于獲取所述物理參數的參數值，并在所述參數值到達預設范圍的邊界值時，對第二類儲能器件24進行充放電，使得所述參數值維持在預設范圍的邊界值，所述第一參數值和所述第二參數值均位于所述預設范圍內。

其中，按照預設的充放電速度的變化率改變對第一類儲能器件22進行充放電時的充放電速度包括兩種情況，第一種情況是：按照預設的充電速度的變化率改變對第一類儲能器件22進行充電時的充電速度；第二種情況是：按照預設的放電速度的變化率改變對第一類儲能器件22進行放電時的放電速度。

圖2中還包括發電系統26和負載27，其中發電系統26可以是風電系統，也可以是太陽能發電系統，還可以是其它的能夠把其它能量轉換為電能的系統。

在本發明實施例提供的儲能系統中，當所述第一類儲能器件向所述母線上輸出的功率與發電系統輸出到所述母線上的功率之和等于所述負載消耗的功率時，所述母線上的物理參數的參數值為第二參數值；當所述第一類儲能器件從所述母線上吸收的功率與所述負載消耗的功率之和等于發電系統輸出到所述母線上的功率時，所述物理參數的參數值為第一參數值。其中，第一參數值大于第二參數值，且第一參數值和第二此參數值均在預設范圍內。

其中，第一類儲能器件的能量密度高于第二類儲能器件的能量密度。在實際中，第一類儲能器件可以為蓄電池，如鉛酸蓄電池、鋰電池等，第一類儲能器件的特點是能量密度高，但是頻繁地大電流充電、放電會縮短其壽命，充電、放電速度變化率太大也會縮短其壽命；第二類儲能器件可以為超級電容，飛輪電池等，第二類儲能器件的特點是能量密度低，充電、放電功率大、循環壽命長。

本發明實施例提供的儲能系統中的第一類儲能器件可以有多個，并且多個第一類儲能器件可以是不同的，例如，第一類儲能器件包括一個鉛酸蓄電池，一個鋰電池，或者包括兩個鉛酸蓄電池，相應地，第一類雙向功率變換器也可以有多個，并且每個第一類雙向功率變換器可以設置不同的充放電速度的變化率、第一參數值、第二參數值，從而控制不同的第二類儲能器件充放能量。本發明實施例提供的儲能系統中的第二類儲能器件可以有多個，并且多個第二類儲能器件可以是不同的，例如，第二類儲能器件包括一個超級電容，一個飛輪電池，或者包括兩個超級電容，相應地，第二類雙向功率變換器也可以有多個，并且每個第二類雙向功率變換器可以設置不同的預設范圍的邊界值，從而控制不同的第二類儲能器件充放能量。

圖2所示的混合儲能系統僅以一個第一類雙向功率變換器、一個第一類儲能器件、一個第二類雙向功率變換器和一個第二類儲能器件為例進行說明。

在圖2所示的混合儲能系統中，連接母線和第一類儲能器件的第一類雙向功率變換器，在母線上的物理參數的參數值發生變化時，按照預設的充放電速 度的變化率改變對第一類儲能器件進行充放電時的充放電速度，從而響應母線上的電壓的特征值的變化，并避免第一類儲能器件的充放電電流變化速度過快；而由于第一類儲能器件的充放電電流變化速度較慢，因此，所述物理參數的參數值會變化到預設范圍的邊界值，此時，連接母線和第二類儲能器件的第二類雙向功率變換器對第二類儲能器件進行充放電，使得所述物理參數的參數值維持在預設范圍的邊界值；直至所述物理參數的參數值等于第一參數值或者等于第二參數值時，對第一類儲能器件進行充放電時的充放電速度不再改變。

第一類雙向功率變換器的電流(或功率)變化率，也就是對第一類儲能器件進行充放電時的充放電速度的變化率，可以根據第一類儲能器件的容量進行設定，同時也需要考慮母線上的物理參數的參數值對負載消耗的功率(發電系統輸出的功率)的變化的靈敏度。第一類雙向功率變換器的電流(或功率)變化率越小，當負載消耗的功率或發電系統輸出的功率變化時，母線上的物理參數的參數值越容易變動，母線上的物理參數的參數值對負載消耗的功率(或發電系統輸出的功率)的變化的靈敏度越高；反之，第一類雙向功率變換器的電流(或功率)變化率大，母線上的物理參數的參數值對負載消耗的功率(或發電系統輸出的功率)的變化的靈敏度越低。

當母線25為直流母線時，母線25上的物理參數可以為母線25上的電壓；當母線25為交流母線時，母線25上的物理參數可以為母線25上的電壓的有效值，也可以為母線25上的電壓的峰值，還可以為母線25上的電壓的頻率。

可選地，第一類雙向功率變換器具體用于：獲取母線上的物理參數的參數值；在所述物理參數的參數值大于第一參數值、且對第一類儲能器件充電時，按照預設的充電速度的變化率增大對第一類儲能器件充電的充電速度，直至所述物理參數的參數值等于第一參數值時，對第一類儲能器件進行充電時的充電速度不再改變。

可選地，所述第一類雙向功率變換器具體用于：獲取母線上的物理參數的參數值；在所述物理參數的參數值小于第一參數值、且對第一類儲能器件充電 時，按照預設的充電速度的變化率減小對第一類儲能器件充電的充電速度，直至所述物理參數的參數值等于第一參數值時，對第一類儲能器件進行充電時的充電速度不再改變。

如果第一類儲能器件充電的充電速度減小為零時，所述物理參數的參數值還小于所述第一參數值，那么第一類雙向功率變換器按照預設的放電速度的變化率增大對第一類儲能器件放電的放電速度(此時，第一類儲能器件放電的初始放電速度為零)，直至所述物理參數的參數值等于所述第二參數值。

可選地，所述第一類雙向功率變換器具體用于：獲取母線上的物理參數的參數值；在所述物理參數的參數值小于第二參數值、且對第一類儲能器件放電時，按照預設的放電速度的變化率增大對第一類儲能器件放電的放電速度，直至所述物理參數的參數值等于所述第二參數值時，對第一類儲能器件進行放電時的放電速度不再改變。

可選地，所述第一類雙向功率變換器具體用于：獲取母線上的物理參數的參數值；在所述物理參數的參數值大于第二參數值、且對第一類儲能器件放電時，按照預設的放電速度的變化率減小對第一類儲能器件放電的放電速度，直至所述物理參數的參數值等于所述第二參數值時，對第一類儲能器件進行放電時的放電速度不再改變。

如果第一類儲能器件放電的放電速度減小為零時，所述物理參數的參數值還大于所述第二參數值，那么，第一類雙向功率變換器按照預設的充電速度的變化率增大對第一類儲能器件充電的充電速度(此時，第一類儲能器件充電的初始充電速度為零)，直至所述物理參數的參數值等于所述第一參數值。

因此，與第一類儲能器件相連的第一類雙向功率變換器工作在電流源模式，它輸出(或吸收)的電流(或功率)會根據母線上的物理參數的參數值的變化進行緩慢的調節，這樣，一方面可以避免第一類儲能器件的充放電電流快速變化，同時，在發電系統輸出的功率或負載消耗的功率發生變化時，所屬物理參數的參數值會有明顯的變化，以便于通過所述物理參數的參數值的變化檢 測到應用本發明實施例提供的混合儲能系統的電網的功率的變化情況。

第一類儲能器件充電時的充電速度的變化率與第一類儲能器件放電時的放電速度的變化率可以相等，也可以不相等。

可選地，所述第二類雙向功率變換器具體用于：獲取所述物理參數的參數值；在所述參數值到達預設范圍的最大值時，對第二類儲能器件進行充電，使得所述參數值維持在預設范圍的最大值；在所述參數值到達預設范圍的最小值時，對第二類儲能器件進行放電，使得所述參數值維持在預設范圍的最小值。

因此，與第二類儲能器件相連的第二類雙向功率變換器工作在電壓源模式，當所述物理參數的參數值達到預設范圍的最大值時，能控制第二類儲能器件吸收瞬態功率，當所述物理參數的參數值達到預設范圍的最小值時，能控制第二類儲能器件輸出瞬態功率，從而使所述物理參數的參數值在預設范圍內。

本發明實施例提供的混合儲能系統中的第一類雙向功率變換器和第一類儲能器件構成的電池儲能單元，與第二類雙向功率變換器和第二類儲能器件構成的電容儲能單元之間相互獨立，電池儲能單元和電容儲能單元之間無需連線，因此，這二者的擺放位置很靈活；并且，電池儲能單元和電容儲能單元與發電系統之間均無需連線，電池儲能單元和電容儲能單元與負載之間均無需連線。本發明實施例提供的混合儲能系統中的第一類儲能器件的數量和第二類儲能器件的數量可以根據需要自由配置。

下面以連接直流母線的負載消耗的功率發生變化，發電系統輸出到直流母線上的功率的不變的應用場景為例，進一步說明本發明實施例提供的混合儲能系統，在該應用場景中母線上的物理參數為母線上的電壓。

在該應用場景中，初始時，發電系統向直流母線上輸出的功率大于負載消耗的功率，因此，初始時直流母線上的電壓為V_BH。圖3中的B部分為負載消耗的功率與發電系統輸出的功率隨時間變化的示意圖，其中，實線表示負載消耗的功率隨時間變化的曲線，虛線表示發電系統輸出的功率隨時間變化的曲線。圖3中的A部分為隨著負載消耗的功率與發電系統輸出的功率的變化，直 流母線上的電壓的變化的示意圖，其中，預設范圍的最小值為V_CL，預設范圍的最大值為V_CH，第一參數值為V_BH，第二參數值為V_BL。圖3中的C部分為第二類雙向功率變換器的電流隨著直流母線上的電壓變化的示意圖，圖3中的D部分為第一類雙向功率變換器的電流隨著直流母線上的電壓變化的示意圖。

如圖3所示，在t1時刻，負載消耗的功率增加，此時發電系統向直流母線輸出的功率小于負載消耗的功率。由于第一類雙向功率變換器充電的電流值(即第一類儲能器件的充電速度)變化緩慢，因此直流母線的電壓會迅速降低至預設范圍的最小值，即V_CL時，第二類雙向功率變換器快速響應，輸出電流使得直流母線的電壓穩定在V_CL。在t1時刻到t2時刻之間的時間段內，第一類雙向功率變換器充電的電流值持續減小(即第一類儲能器件的充電速度降低)，當減小為0后開始給第一類儲能器件放電，并且放電的電流值持續緩慢變大；在t1時刻，第二類雙向功率變換器放電的電流值迅速增大至一定值，使得直流母線的電壓穩定在V_CL，在t1時刻到t2時刻之間的時間段內第二類雙向功率變換器放電的電流值從t1時刻的電流值開始逐漸減小(即第二類儲能器件的放電速度降低)。在t2時刻，第一雙向功率變換放電的電流值增大到等于負載所需值，直流母線的電壓回升到V_BL，由于V_CL<V_BL<V_CH，第二類雙向功率變換器工作在空載狀態，輸出電流為0。

在t3時刻，負載消耗的功率進一步增加，第一類雙向功率變換器充電的電流值(即第一類儲能器件的充電速度)變化緩慢，因此直流母線的電壓會迅速降低至預設范圍的最小值，即V_CL時，第二類雙向功率變換器快速響應，輸出電流使得直流母線的電壓穩定在V_CL。在t3時刻到t4時刻之間的時間段內，第一類雙向功率變換器放電的電流值持續增大(即第一類儲能器件的放電速度提高)；在t3時刻，第二類雙向功率變換器放電的電流值迅速增大至一定值，使得直流母線的電壓穩定在V_CL，在t3時刻到t4時刻之間的時間段內第二類雙向功率變換器放電的電流值從t3時刻的電流值開始逐漸減小(即第二類儲能器件的放電速度降低)。在t4時刻，第一雙向功率變換放電的電流值增大到等 于負載所需值，直流母線的電壓回升到V_BL，由于V_CL<V_BL<V_CH，第二類雙向功率變換器工作在空載狀態，輸出電流為0。

在t5時刻，負載消耗的功率減小，由于第一類雙向功率變換器放電的電流值(即第一類儲能器件的放電速度)變化緩慢，因此直流母線的電壓會迅速升高到預設范圍的最達值，即V_CH，此時，第二類雙向功率變換器快速響應，從直流母線吸收電流，使直流母線的電壓穩定在V_CH。在t5時刻到t6時刻之間的時間段內，第一類雙向功率變換器放電的電流值持續減小(即第一類儲能器件的放電速度降低)；在t5時刻，第二類雙向功率變換器充電的電流值迅速增大至一定值，使得直流母線的電壓穩定在V_CH，在t5時刻到t6時刻之間的時間段內第二類雙向功率變換器充電的電流值從t5時刻的電流值開始逐漸減小(即第二類儲能器件的充電速度降低)。在t6時刻，第一雙向功率變換充電的電流值減小到等于負載所需值，直流母線的電壓回落到V_BL，由于V_BL>V_CL，第二類雙向功率變換器工作在空載狀態，輸出電流為0。在t6時刻，雙向變換器1輸出電流減小到等于負載所需值，母線電壓回落到V_BL，由于V_CL<V_BL<V_CH，第二類雙向功率變換器工作在空載狀態，輸出電流為0。

在t7時刻，負載消耗的功率進一步減小，此時發電系統輸出的功率大于負載消耗的功率。由于第一類雙向功率變換器放電的電流值(即第一類儲能器件的放電速度)變化緩慢，因此直流母線的電壓會迅速升高到預設范圍的最達值，即V_CH，此時，第二類雙向功率變換器快速響應，從直流母線吸收電流，使直流母線的電壓穩定在V_CH。在t7時刻到t8時刻之間的時間段內，第一類雙向功率變換器放電的電流值持續減小(即第一類儲能器件的放電速度降低)，當減小為0后開始給第一類儲能器件充電，并且充電的電流值持續緩慢變大；在t7時刻，第二類雙向功率變換器充電的電流值迅速增大至一定值，使得直流母線的電壓穩定在V_CH，在t7時刻到t8時刻之間的時間段內第二類雙向功率變換器充電的電流值從t7時刻的電流值開始逐漸減小(即第二類儲能器件的充電速度降低)。在t8時刻，第一雙向功率變換充電的電流值增大能夠吸收掉發電 系統輸出的能量中未被負載消耗掉的能量，直流母線的電壓回落到V_BH，由于V_CL<V_BH<V_CH，第二類雙向功率變換器工作在空載狀態，輸出電流為0。

本發明實施例提供的一種微電網系統，包括本發明實施例提供的混合儲能系統。

通過以上的實施方式的描述，本領域的技術人員可以清楚地了解到本發明實施例可以通過硬件實現，也可以借助軟件加必要的通用硬件平臺的方式來實現。基于這樣的理解，本發明實施例的技術方案可以以軟件產品的形式體現出來，該軟件產品可以存儲在一個非易失性存儲介質(可以是CD-ROM，U盤，移動硬盤等)中，包括若干指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機，服務器，或者網絡設備等)執行本發明各個實施例所述的方法。

本領域技術人員可以理解附圖只是一個優選實施例的示意圖，附圖中的模塊或流程并不一定是實施本發明所必須的。

本領域技術人員可以理解實施例中的裝置中的模塊可以按照實施例描述進行分布于實施例的裝置中，也可以進行相應變化位于不同于本實施例的一個或多個裝置中。上述實施例的模塊可以合并為一個模塊，也可以進一步拆分成多個子模塊。

上述本發明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優劣。

顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。