一種混合儲能控制系統及其工作方法與流程

(一)技術領域：

本發明涉及微電網或分布式發電系統領域，尤其是一種混合儲能控制系統及其工作方法。

(二)

背景技術：
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隨著社會的進步和經濟的發展，人類對能源的需求日益增長。光伏能源作為一種可再生的清潔能源，正日益受到各國政府重視，得到了大力發展。然而，由于受光照強度、環境溫度等外部環境影響，導致光伏發電普遍存在著供用電不平衡的現象。因此，需要為光伏發電系統配備一定容量的儲能系統。

作為儲能部件，超級電容器和蓄電池是有著很大區別的：超級電容器直接儲能效率是非常高的，可以接近100％的理想值；而蓄電池需要化學轉換，在“標準充電”狀態下，轉換效率為1/1.5(10小時放電率要充電15小時)。實際運用中，超級電容器充、放電時的發熱量很小，而蓄電池的發熱相對較大。特別是大電流放電時，蓄電池的極板會變形，經常大電流放電還有可能使極板斷裂而報廢。“超級電容器和蓄電池混合儲能”要有隔離措施，否則會互相牽扯(兩者內阻不同，放電電壓不一樣，存在兩者“互充”現象使效率降低)。鋰電池其輕便，體積小，能量密度大，符合分布式發電對能量密度的要求。鋰電池的缺點在于，受電化學反應速率的影響，其功率密度較小，當負載功率突變時，很難滿足系統的動態要求。超級電容充放電時內部發生的是物理變化，功率密度大是超級電容的一大特點，可以瞬時提供較大功率，缺點在于其能量密度較低，因此鋰電池與超級電容在性能上互補性很強，自然可以考慮將兩者結合構成混合儲能系統，充分發揮兩者優勢，使系統性能大大提高。

(三)

技術實現要素：
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本發明的目的在于提供一種混合儲能控制系統及其工作方法，它可以克服現有技術的不足，是一種將多種儲能方式結合在一起的結構簡單、容易實現、可操作性強的混合儲能系統及其工作方法。

本發明的技術方案：一種混合儲能控制系統，包括負載、直流母線、光伏發電單元，其特征在于它包括混合儲能單元、變換器單元、pwm單元和控制器單元；其中，所述控制器單元由2個控制器模塊構成，分別是變換器單元控制器i和混合儲能單元充放電控制器模塊；所述混合儲能單元依變換器單元和pwm單元與直流母線呈雙向連接；所述混合儲能單元為負載供電；所述變換器單元控制器i采集混合儲能單元的充放電電流信號和直流母線電壓信號，對變換器單元進行工作模式的控制；所述混合儲能單元充放電控制器模塊的輸入的采集混合儲能單元的端電壓和充放電電流信號，對控制混合儲能單元進行充放電進行控制。

所述混合儲能單元是由鋰電池與超級電容構成，所述鋰電池是維持直流母線上能量供需平衡提供穩定直流母線電壓的v-f分布式電源；所述超級電容則可以在負載突變時為微網提供恒定的頻率，作為pq分布式電源，減小負載突變對直流母線造成的沖擊；所述鋰電池與超級電容均依次通過變換器單元與直流母線相連。

所述變換器單元是dc-dc雙向變換器，也可以是由dc-ac變換器和ac-dc變換器構成的變換器單元。

所述dc-dc雙向變換器是由開關管s1、開關管s2、二極管vd1、二極管vd2和電容c1構成；所述二極管vd1、二極管vd2分別并聯在開關管s1、開關管s2的集電極和發射極兩端；所述電容c1并聯在相互串聯的開關管s1、開關管s2兩端；所述混合儲能單元可以等效成電容c、內阻r和電感l相互串聯的電路結構，一端連接在開關管s1、開關管s2的串聯中間點，另一端與電容c1連接；所述負載可以等效成電阻rl，并聯在電容c1兩端。

所述混合儲能器單元充放電控制模塊由三個控制器構成，分別記作控制器ii、控制器iii和控制器iv；所述控制器i采集鋰電池充放電電流和直流母線電壓，控制變換器單元工作于單端穩壓模式，穩定直流母線的電壓；所述控制器ii采集超級電容端壓和充放電電流，以實現對超級電容充放電功率的控制，釋放或吸收突變功率的高頻信號給鋰電池，通過控制器iv控制鋰電池的充放電；所述控制器iii在負載功率波動值小于設定的閾值時，采集超級電容的電流和端電壓，對超級電容進行恒壓限流充電控制；所述控制器iv對鋰電池進行充放電控制。

一種混合儲能控制系統的工作方法，其特征在于它包括以下步驟：

(1)由控制器i采集鋰電池充放電電流和直流母線電壓，并根據給定的直流母線電壓值控制變換器單元工作于單端穩壓模式，穩定直流母線的電壓；

(2)設pload、pli、pc、ppv分別為負載、鋰電池、超級電容以及光伏電池的功率，則可以得到負載的功率應滿足：pload＝pli+ppv+pc；

(3)對負載功率進行高頻分量的檢測；設pc-ref為負載突變時超級電容的高頻功率給定量，根據單極點高通濾波器的通用表達式可知：

其中，k為比例系數；s為算子；ω0為頻率。

(4)控制器ii采集超級電容端電壓和充放電電流，根據負載功率高頻分量檢測環節的高頻功率信號，得出超級電容實時充放電電流值的大小，以實現對超級電容充放電功率的控制，釋放或吸收突變功率的高頻信號給鋰電池，通過控制器iv控制鋰電池的充放電；

(5)確定超級電容本身的充放電功率；此時，若負載容量突然變大，需要確定的是超級電容應該釋放的功率和放電電流的大小；而當當負載突然減小時，則需確定超級電容所要吸收的功率和充電電流的大小；

超級電容的充放電功率pc為：

pc＝vcic

其中，vc為超級電容兩端的電壓，ic為超級電容支路上的電流；

當負載突然增加時，經濾波得出的超級電容功率給定pc-ref為正值，即此時超級電容應該釋放的功率為：

此時，超級電容放電電流應該為：

當負載突然減小時，經過濾波得出的pc-ref為負值，即此時超級電容應該吸收功率，為：pc＝vcic＝pc-refμ；

此時，超級電容的充電電流大小為：

在負載突然增加或突然減小時，控制器ii根據超級電容放電電流和充電電流的計算結果，即可實現對超級電容功率的控制；

(6)當負載的功率波動值小于設定的閾值時，控制器iii則采集超級電容的電流和端電壓，根據設定的超級電容端壓參考值進行恒壓限流充電，這能使超級電容的電壓時刻維持在設定值，為下一次負載突變做準備；

(7)在運行在鋰電池過放時，鋰電池已經不能在維持母線電壓穩定，應斷開負載，由控制器iv對鋰電池進行充電控制，根據采集到的鋰電池的端電壓和電流，對其進行恒壓限流充電。

本發明的優越性：將鋰電池與超級電容分別通過雙向半橋變換器連接到直流母線上構成混合儲能系統，鋰電池穩定直流母線電壓以維持母線上能量供需平衡，超級電容立即供應負載波動功率高頻分量，抑制負載突變對直流母線造成的影響。恒壓限流充電環節能在負載突變后對超級電容自動充放電，使其端電壓回到給定值，為下一次負載突變做準備，極大地提高了超級電容的利用率，減小了系統對超級電容的容量要求。

(四)附圖說明：

圖1為本發明所涉一種混合儲能控制系統的整體結構圖框圖。

圖2為本發明所涉一種混合儲能控制系統的中的雙向半橋變換器的電路結構圖。

圖3為本發明所涉一種混合儲能控制系統工作方法的流程示意圖。

(五)具體實施方式：

實施例：一種混合儲能控制系統(見圖1)，包括負載、直流母線、微網內發電單元，其特征在于它包括混合儲能單元、變換器單元、pwm單元和控制器單元；其中，所述控制器單元由2個控制器模塊構成，分別是變換器單元控制器i和混合儲能單元充放電控制器模塊；所述混合儲能單元依變換器單元和pwm單元與直流母線呈雙向連接；所述混合儲能單元為負載供電；所述變換器單元控制器i采集混合儲能單元的充放電電流信號和直流母線電壓信號，對變換器單元進行工作模式的控制；所述混合儲能單元充放電控制器模塊的輸入的采集混合儲能單元的端電壓和充放電電流信號，對控制混合儲能單元進行充放電進行控制。

所述混合儲能單元(見圖1)是由鋰電池與超級電容構成，所述鋰電池是維持直流母線上能量供需平衡提供穩定直流母線電壓的v-f分布式電源；所述超級電容則可以在負載突變時為微網提供恒定的頻率，作為pq分布式電源，減小負載突變對直流母線造成的沖擊；所述鋰電池與超級電容均依次通過變換器單元與直流母線相連。

所述變換器單元是dc-dc雙向變換器(見圖1)，也可以是由dc-ac變換器和ac-dc變換器構成的變換器單元。

所述dc-dc雙向變換器(見圖2)是由開關管s1、開關管s2、二極管vd1、二極管vd2和電容c1構成；所述二極管vd1、二極管vd2分別并聯在開關管s1、開關管s2的集電極和發射極兩端；所述電容c1并聯在相互串聯的開關管s1、開關管s2兩端；所述混合儲能單元可以等效成電容c、內阻r和電感l相互串聯的電路結構，一端連接在開關管s1、開關管s2的串聯中間點，另一端與電容c1連接；所述負載可以等效成電阻rl，并聯在電容c1兩端。

所述混合儲能器單元充放電控制模塊由三個控制器構成(見圖1)，分別記作控制器ii、控制器iii和控制器iv；所述控制器i采集鋰電池充放電電流和直流母線電壓，控制變換器單元工作于單端穩壓模式，穩定直流母線的電壓；所述控制器ii采集超級電容端壓和充放電電流，以實現對超級電容充放電功率的控制，釋放或吸收突變功率的高頻信號給鋰電池，通過控制器iv控制鋰電池的充放電；所述控制器iii在負載功率波動值小于設定的閾值時，采集超級電容的電流和端電壓，對超級電容進行恒壓限流充電控制；所述控制器iv對鋰電池進行充放電控制。

一種混合儲能控制系統的工作方法(見圖3)，其特征在于它包括以下步驟：

(1)由控制器i采集鋰電池充放電電流和直流母線電壓，并根據給定的直流母線電壓值控制變換器單元工作于單端穩壓模式，穩定直流母線的電壓；

(2)設pload、pli、pc、ppv分別為負載、鋰電池、超級電容以及光伏電池的功率，則可以得到負載的功率應滿足：pload＝pli+ppv+pc；

(3)對負載功率進行高頻分量的檢測；設pc-ref為負載突變時超級電容的高頻功率給定量，根據單極點高通濾波器的通用表達式可知：

其中，k為比例系數；s為算子；ω0為頻率。

(4)控制器ii采集超級電容端壓和充放電電流，根據負載功率高頻分量檢測環節的高頻功率信號，得出超級電容實時充放電電流值的大小，以實現對超級電容充放電功率的控制，釋放或吸收突變功率的高頻信號給鋰電池，通過控制器iv控制鋰電池的充放電；

(5)確定超級電容本身的充放電功率；此時，若負載容量突然變大，需要確定的是超級電容應該釋放的功率和放電電流的大小；而當當負載突然減小時，則需確定超級電容所要吸收的功率和充電電流的大小；

超級電容的充放電功率pc為：

pc＝vcic

其中，vc為超級電容兩端的電壓，ic為超級電容支路上的電流；

當負載突然增加時，經濾波得出的超級電容功率給定pc-ref為正值，即此時超級電容應該釋放的功率為：

此時，超級電容放電電流應該為：

當負載突然減小時，經過濾波得出的pc-ref為負值，即此時超級電容應該吸收功率，為：pc＝vcic＝pc-refμ；

此時，超級電容的充電電流大小為：

在負載突然增加或突然減小時，控制器ii根據超級電容放電電流和充電電流的計算結果，即可實現對超級電容功率的控制；

(6)當負載的功率波動值小于設定的閾值時，控制器iii則采集超級電容的電流和端電壓，根據設定的超級電容端壓參考值進行恒壓限流充電，這能使超級電容的電壓時刻維持在設定值，為下一次負載突變做準備；

(7)在運行在鋰電池過放時，鋰電池已經不能在維持母線電壓穩定，應斷開負載，由控制器iv對鋰電池進行充電控制，根據采集到的鋰電池的端電壓和電流，對其進行恒壓限流充電。