CN102377192A

CN102377192A - 一种直驱型海浪发电储能装置及控制方法

Info

Publication number: CN102377192A
Application number: CN2011103371090A
Authority: CN
Inventors: 肖曦; 聂赞相; 康庆
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2031-10-31
Also published as: CN102377192B

Abstract

本发明涉及一种直驱型海浪发电储能装置及控制方法，其特征在于：它包括直驱型海浪发电机、AC/DC变换器、DC/AC变换器、若干负载、两DC/DC变换器、混合储能系统和控制器，混合储能系统包括超级电容器组和蓄电池组；直驱型海浪发电机将海浪的动能转化为低频交流电并发送到AC/DC变换器，AC/DC变换器将低频交流电转换为直流电并通过直流母线与DC/AC变换器的输入端连接，DC/AC变换器的输出端连接负载，直流母线还分别连接两DC/DC变换器的一端，其中一个DC/DC变换器的另一端连接级电容器组，另一个DC/DC变换器的另一端连接蓄电池组，控制器通控制超级电容器组和蓄电池组调节功率流动保持直驱型海浪发电机的输出功率与负载的功率之间的平衡。本发明可以广泛应用于将海水波动的动能转化成电能的过程中。

Description

一种直驱型海浪发电储能装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种储能装置及控制方法，特别是关于一种用于将海水波动的动能转化为电能的直驱型海浪发电储能装置及控制方法。

背景技术

海浪发电将海水垂直波动的动能转化为电能，由于海浪的速度和频率都比较低，一般的海浪周期是从几秒到十几秒，如果利用传统电机发电，需要通过一个提速的过程将海浪的动能转换成可以驱动旋转式电机的形式，这样会使得系统的成本及复杂性提高，而且增加了额外的能量损耗及维护。直驱型海浪发电系统一般采用直线发电机直接将海浪的上下运动转换为电能，其维护周期及成本较小。但是直驱型海浪发电系统所产生的电能功率随海浪瞬时状态变化波动极大，由于中间没有液压或气压系统的隔离调节，所产生的电能是频率和峰值一直变化的低频交流电。因此，海浪发电是一种不稳定的电源，在供给负载使用前需要进行处理才能使海浪发电产生的功率具有可调度性，使用时更加方便。

储能装置为平抑间隙性功率波动、可靠并网提供了一种有效的方法，与风力发电和光伏发电类似，海浪发电输出功率受天气状况影响，会出现数十分钟或小时级的功率波动，这样的波动会使海浪发电系统在并网发电时的可调度性差，并带来电能质量和稳定性变差等问题。然而，与风力发电和光伏发电不同的是在同一个海浪周期内其输出功率幅值变化非常大，甚至会出现两次零功率的时刻，使得功率平稳性远低于风力发电和光伏发电。目前现有的电能存储模式有铅酸蓄电池、镍氢电池、超级电容器、飞轮储能、超导磁储能、液流电池、锂电池等。其中，超级电容具有功率密度大、充电时间短、循环寿命长、充放电效率高等特点，但能量密度却有限；蓄电池具有能量密度大、技术成熟、成本低的特点，但功率密度小，循环使用次数有限。单独的储能系统都无法同时满足海浪发电系统对容量和功率的要求，而且也无法实现对功率波动的实时平抑。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够同时满足海浪发电系统对容量和功率的要求，不但能够对海浪发电产生的功率进行调度且能够实时平抑功率波动，同时能够保证负载侧输入功率平稳性的直驱型海浪发电储能装置及控制方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种直驱型海浪发电储能装置，其特征在于：它包括一直驱型海浪发电机、一AC/DC变换器、一DC/AC变换器、若干负载、两DC/DC变换器、一混合储能系统和一控制器，所述混合储能系统包括一超级电容器组和一蓄电池组；所述直驱型海浪发电机的动子连接漂浮在海中的浮标将海浪的动能转化为低频交流电并发送到所述AC/DC变换器的输入端，所述AC/DC变换器将低频交流电转换为直流电并通过直流母线与所述DC/AC变换器的输入端连接，所述DC/AC变换器的输出端连接所述负载将直流母线的电压逆变为所述负载所需要的交流电，直流母线还分别连接两所述DC/DC变换器的一端，其中一所述DC/DC变换器的另一端连接所述超级电容器组，另一所述DC/DC变换器的另一端连接所述蓄电池组，所述控制器通过两所述DC/DC变换器分别控制所述超级电容器组和蓄电池组的充、放电状态，保持所述直驱型海浪发电机的输出功率与所述负载的功率之间的平衡。

两所述DC/DC变换器分别包括一电感和两开关，所述两开关串联在直流母线之间且两开关之间与所述电感一端相连，所述电感的另一端连接所述超级电容器组和蓄电池组中的一种。

两所述DC/DC变换器分别采用具有双向变换的升、降压型转换器。

所述控制器设置有比较器、比例积分控制单元、数字滤波单元、反相器和比例放大单元。

所述直驱型海浪发电机采用纵向磁场直线电机、横向磁场直线电机、变磁阻永磁直线电机、圆筒型直线电机中的一种；所述超级电容器组采用由双电层超级电容器、电化学超级电容器单体连接而成；所述蓄电池组采用铅酸电池、锂电池、钒流体电池之一组成。

采用所述装置的一种直驱型海浪发电储能控制方法，其控制过程如下：1)设置一包括有直驱型海浪发电机、AC/DC变换器、DC/AC变换器、若干负载、两DC/DC变换器、混合储能系统和控制器的直驱型海浪发电储能装置，所述混合储能系统包括一超级电容器组和一蓄电池组；2)当直驱型海浪发电机的输出功率与负载的功率之差为零时，则认为直驱型海浪发电机输出的功率与负载的功率相匹配，混合储能系统不需要进行工作；3)当直驱型海浪发电机的输出功率与负载的功率之差大于零，此时控制器的比例积分控制单元输出为负值，超级电容组和蓄电池组的电流给定值均为负，即混和储能系统处于充电状态，控制器的数字滤波单元将低频分量和高频分量进行区分，高频分量由控制器控制与超级电容器组相连接的DC/DC变换器使超级电容器的实际电流从直流母线侧流向超级电容器组侧，当直流母线电压恢复与电压参考值相等时，超级电容器组停止充电；低频分量由控制器通过与蓄电池组相连接的DC/DC变换器使蓄电池组的实际电流从直流母线侧流向蓄电池器组侧，当直流母线电压恢复与电压参考值相等时，蓄电池组停止充电；4)当直驱型海浪发电机的输出功率与负载的功率之差小于零时，混和储能系统处于放电状态，与所述3)的处理过程类似，控制器分别控制与超级电容器组、蓄电池组相连接的两DC/DC变换器使超级电容器组、蓄电池组工作在放电模式，补充直驱型海浪发电机不足以满足负载的功率，抑制功率波动。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于设置有超级电容器组和蓄电池组组成的混合储能系统，可以充分发挥超级电容器组功率密度大和蓄电池组能量密度高的优势，因此能够同时满足海浪发电系统对容量和功率的要求，同时本发明利用超级电容器组循环寿命长、充放电速度快的优点处理功率波动中的高频分量，避免了蓄电池组因瞬时大功率波动带来的大电流充、放电的可能，减少了蓄电池组充放电的循环次数，延长了蓄电池组的使用寿命。2、本发明控制器发出控制信号控制DC/DC变换器，进而控制超级电容器组和蓄电池组的充、放电电流，实现对短时间尺度功率波动和长时间尺度功率波动的实时平抑，有效保证了负载侧输入功率平稳性。3、本发明所采用的储能控制方法，控制器根据直流母线两端实际电压和电压参考值的比较结果控制混合储能系统充、放电对功率进行调节，有效地解决了因直驱型海浪发电机输出的功率不稳定而导致的直流母线功率及电压波动，降低了DC/AC变换器的控制难度，提高了系统的可靠性。本发明可以广泛应用于将海水波动的动能转化成电能的海浪发电系统中。

附图说明

图1是本发明直驱型海浪发电储能装置结构示意图；

图2是本发明控制超级电容器组充、放电的DC/DC变换器拓扑结构示意图；

图3是本发明控制蓄电池组充、放电的DC/DC变换器拓扑结构示意图；

图4是本发明混和储能系统控制原理示意。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明的直驱型海浪发电储能装置包括一直驱型海浪发电机1，一AC/DC(交流/直流)变换器2，一DC/AC(交流/直流)变换器3，若干负载4，两DC/DC变换器5、6，一混合储能系统7和一控制器8，其中，混合储能系统7包括一超级电容器组71和一蓄电池组72。直驱型海浪发电机1的动子连接漂浮在海中的浮标将海浪的动能转化为低频交流电并发送到AC/DC变换器2的输入端，AC/DC变换器2将低频交流电转换为直流电。AC/DC变换器2的输出端通过直流母线与DC/AC变换器3的输入端连接，DC/AC变换器3的输出端连接负载4将直流母线的电压逆变为负载4所需要的交流电。直流母线还分别连接两DC/DC变换器5、6的一端，其中DC/DC变换器5的另一端连接超级电容器组71，用于平抑短时间尺度功率波动；DC/DC变换器6的另一端连接蓄电池组72，用于平抑长时间尺度功率波动。控制器8通过控制两DC/DC变换器5、6分别控制超级电容器组71和蓄电池组72的充、放电过程以调节功率流动的大小和方向，进而平衡直驱型海浪发电机1的输出功率P_W与负载4的功率P_L之间的差。

如图2、3所示，上述实施例中，DC/DC变换器5、6的拓扑结构与控制策略相同，本发明以DC/DC变换器5为例说明其拓扑结构和控制策略，DC/DC变换器5包括一电感L和两开关S₁、S₂。两开关S₁、S₂串联在直流母线之间，且两开关S₁、S₂中间与电感L一端相连，电感L的另一端与超级电容组71相连接。放电时，控制器8输出PWM_sc控制信号控制开关S₂，同时输出PWM_sc的互补控制信号

控制开关S₁，实现对超级电容器组71放电电流的控制，此时电感L上的电流i_sc由超级电容器组71流向直流母线；充电时，控制器8输出PWM_sc、

控制信号分别控制开关S₂、S₁，实现对超级电容器组71充电电流的控制，此时电感L上的电流i_sc由直流母线流向超级电容器组71，其中开关S₁、S₂均可以采用MOSFET、IGBT等电力电子开关器件或模块。

上述各实施例中，两DC/DC变换器5、6还可以直接采用能够实现双向变换的升、降压型转换器。

如图4所示，上述各实施例中，控制器8设置有若干比较器81、三比例积分控制单元(PI)82、83、84、一数字滤波单元85和两反相器86。控制器8的输入信号分别为通过信号采集电路采集的直流母线电压V_dc，超级电容器组71的实际充、放电电流I_sc和蓄电池组72的实际充、放电电流I_b。控制器8检测直流母线两端的电压V_dc经比较器81与电压参考值V_{dc_ref}比较后，通过比例积分控制单元82调节后得到混合储能系统7的电流参考值I_ref。I_ref经数字滤波单元85处理后，将波动中的低频分量作为控制蓄电池组72的电流参考给定值I_{b_ref}，将I_ref经比较器81与I_{b_ref}比较后得到高频分量作为控制超级电容器组71的电流参考给定值I_{sc_ref}。I_{b_ref}和I_{sc_ref}分别经两比较器81与蓄电池组72和超级电容器组71的实际电流I_b和I_sc进行比较后，将比较结果分别送到比例积分控制单元83、84中，比例积分控制单元83、84的输出值与三角载波经两比较器81比较后产生两路PWM_b、PWM_sc控制信号，两路PWM_b、PWM_sc经两反相器86产生两路互补信号

其中，控制器8可以采用单片机或嵌入式数字处理器，数字滤波单元85可以采用低通滤波器(LPF)或高通滤波器，其截止频率根据实际需要进行设定，为了能够检测到微弱信号可以在数字滤波单元85后面连接一比例放大单元87，根据实际应用调节比例放大系数K。

根据海浪发电系统实际使用的直驱型海浪发电机1的输出功率和电流等参数，可以设定直流母线电压参考值的取值范围。

上述各实施例中，直流母线之间设置有一电容9，起滤波作用并在一定程度上稳定直流母线电压。

上述各实施例中，直驱型海浪发电机1可以采用纵向磁场直线电机、横向磁场直线电机、变磁阻永磁直线电机、圆筒型直线电机等类型发电机(以此为例，但不限于此)。

上述各实施例中，负载4可以是一般的用电设备或电网。

上述各实施例中，超级电容器组71可以采用由双电层超级电容器或电化学超级电容器等形式组成的超级电容器，也可以将超级电容单体通过串联和并联组合成实际所需容量的超级电容器组71，为了保证超级电容器组71的容量且进一步提高可靠性，超级电容器组71可以采用串联均压器进行均压处理。

上述各实施例中，蓄电池组72可以采用容量较大的电池组，例如铅酸电池、锂电池、钒流体电池组成的蓄电池组(以此为例，不限于此)。为了保证蓄电池的容量和提高可靠性，蓄电池组72可以采用均压、均流处理。

上述各实施例中，基于海浪发电输出波形的统计分析，本发明将直驱型海浪发电机1输出的功率波动定义为短时间尺度功率波动和长时间尺度功率波动两种形式。短时间尺度功率波动具有瞬时功率脉动大、波动周期性较规律等特点。由于超级电容器组71具有功率密度大的特点，因此利用超级电容器组71平抑短时间尺度功率波动。长时间尺度功率波动是指在数十分钟或小时级时间尺度上的功率波动，主要特征是随机性较大、长时间尺度功率波动为单方向等。由于蓄电池组72具有能量密度大的优点，因此利用电池组72平抑长时间尺度功率波动。

如图1、图4所示，控制器8根据直流母线两端电压V_dc与电压参考值V_{dc_ref}比较结果控制混合储能系统7中超级电容器组71和蓄电池组72的充、放电电流，进而实现对短时间尺度功率波动和长时间尺度功率波动的抑制，具体的控制方法如下：

1)当直驱型海浪发电机1的输出功率P_W与负载4的功率P_L之差P_E为零时即直流母线两端电压V_dc与电压参考值V_{dc_ref}相等，则认为直驱型海浪发电机1输出的功率与负载4的功率相匹配，混合储能系统7不需要进行工作。

2)当直驱型海浪发电机1的输出功率P_W与负载4的功率P_L之差P_E大于零即直流母线电压V_dc高于电压参考值V_{dc_ref}，此时比例积分控制单元82输出为负值，超级电容组71和蓄电池组72的电流给定值均为负，即混合储能系统7处于充电状态。控制器8的数字滤波单元将低频分量和高频分量进行区分，其中高频分量由超级电容器71进行平抑，即：控制器8通过控制DC/DC变换器5使超级电容器的实际电流I_sc从直流母线侧流向超级电容器组侧，超级电容器组71吸收P_E中的高频分量，当直流母线电压V_dc恢复与电压参考值V_{dc_ref}相等时I_{sc_ref}与I_sc都为零，超级电容器组停止充电；低频分量由蓄电池组72进行平抑，同理，控制器8通过控制DC/DC变换器6使蓄电池组的实际电流I_b从直流母线侧流向蓄电池组侧，蓄电池组吸收P_E中的低频分量，当直流母线电压V_dc恢复与电压参考值V_{dc_ref}相等时，I_{bdc_ref}与I_b都为零，蓄电池组停止充电。

3)当直驱型海浪发电机1的输出功率P_W与负载4的功率P_L之差P_E小于零时，即直流母线电压值V_dc低于电压参考值V_{dc_ref}，此时超级电容组71和蓄电池组72的电流给定值均为正，即混合储能系统7处于放电状态，与上述2)的处理过程类似，控制器8控制与超级电容器组71相连接的DC/DC变换器5使其工作在放电状态，释放所需P_E的高频部分；控制器8控制与蓄电池组72相连接的DC/DC变换器6，使其工作在放电状态，释放所需PE的低频部分。此时，超级电容器组71与蓄电池组72均处于放电状态，共同补充直驱型海浪发电机1发电功率不足以满足负载4的功率，维持母线电压的恒定。

本发明以平抑长时间尺度功率波动为实施例说明进一步说明混合储能系统7充、放电过程，假设为了使输入到负载4的功率P_L维持平稳，直驱型海浪发电机1输出功率P_W和负载的功率P_L之差P_E由蓄电池组72进行调节。在某一时刻t时，直驱型海浪发电机1输出功率P_W和负载的功率P_L之差P_E为：

P_E(t)＝P_W-P_L

当直驱型海浪发电机1输出功率P_W和负载4的功率P_L之间的差P_E小于零，直流母线电压V_dc低于电压参考值V_{dc_ref}，蓄电池组72处于放电状态即电流I_b从蓄电池器组侧流向直流母线侧，当直驱型海浪发电机1输出功率P_W和负载的功率P_L之差P_E大于零，直流母线电压V_dc高于电压参考值V_{dc_ref}，蓄电池组72处于充电状态即电流I_b从直流母线侧流向蓄电池器组，目的是稳定直流母线的电压，使海浪发电功率P_W和负载功率P_L平衡。

基于海浪的典型预测曲线可以预测在一段时间Δt内直驱型海浪发电机1输出的功率P_e(t)。设直驱型海浪发电机1在一段时间Δt内产生的最大功率和平均功率之差为P_E，采用蓄电池组71平抑该波动，对P_E在t时间内积分可以得到蓄电池组72所需的最大容量。

与上述过程相类似，可以估算用于平抑短时间尺度功率的超级电容器组71的容量。根据电容储存电能公式

可以估算超级电容组71的最小容量。例如需要存储1.5kWs，电容额定电压若为100V，工作电压在60～100V，则超级电容容量大小约为0.8F。

综上所述，本发明混合储能系统中的蓄电池组和超级电容器组作为储能环节通过两DC/DC变换器与直流母线相连接，控制器根据直驱型海浪发电机的输出功率与负载的功率之差实时对短时间尺度功率波动和长时间尺度功率波动进行调节，进一步提高负载侧输入功率的平稳性。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和实施过程等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种直驱型海浪发电储能装置，其特征在于：它包括一直驱型海浪发电机、一AC/DC变换器、一DC/AC变换器、若干负载、两DC/DC变换器、一混合储能系统和一控制器，所述混合储能系统包括一超级电容器组和一蓄电池组；所述直驱型海浪发电机的动子连接漂浮在海中的浮标将海浪的动能转化为低频交流电并发送到所述AC/DC变换器的输入端，所述AC/DC变换器将低频交流电转换为直流电并通过直流母线与所述DC/AC变换器的输入端连接，所述DC/AC变换器的输出端连接所述负载将直流母线的电压逆变为所述负载所需要的交流电，直流母线还分别连接两所述DC/DC变换器的一端，其中一所述DC/DC变换器的另一端连接所述超级电容器组，另一所述DC/DC变换器的另一端连接所述蓄电池组，所述控制器通过两所述DC/DC变换器分别控制所述超级电容器组和蓄电池组的充、放电状态，保持所述直驱型海浪发电机的输出功率与所述负载的功率之间的平衡。

2.如权利要求1所述的一种直驱型海浪发电储能装置，其特征在于：两所述DC/DC变换器分别包括一电感和两开关，所述两开关串联在直流母线之间且两开关之间与所述电感一端相连，所述电感的另一端连接所述超级电容器组和蓄电池组中的一种。

3.如权利要求1所述的一种直驱型海浪发电储能装置，其特征在于：两所述DC/DC变换器分别采用具有双向变换的升、降压型转换器。

4.如权利要求1或2或3所述的一种直驱型海浪发电储能装置，其特征在于：所述控制器设置有比较器、比例积分控制单元、数字滤波单元、反相器和比例放大单元。

5.如权利要求1或2或3所述的一种直驱型海浪发电储能装置，其特征在于：所述直驱型海浪发电机采用纵向磁场直线电机、横向磁场直线电机、变磁阻永磁直线电机、圆筒型直线电机中的一种；所述超级电容器组采用由双电层超级电容器、电化学超级电容器单体连接而成；所述蓄电池组采用铅酸电池、锂电池、钒流体电池之一组成。

6.如权利要求4所述的一种直驱型海浪发电储能装置，其特征在于：所述直驱型海浪发电机采用纵向磁场直线电机、横向磁场直线电机、变磁阻永磁直线电机、圆筒型直线电机中的一种；所述超级电容器组采用由双电层超级电容器、电化学超级电容器单体连接而成；所述蓄电池组采用铅酸电池、锂电池、钒流体电池之一组成。

7.采用如权利要求1～6任意一项权利要求所述装置的一种直驱型海浪发电储能控制方法，其控制过程如下：

1)设置一包括有直驱型海浪发电机、AC/DC变换器、DC/AC变换器、若干负载、两DC/DC变换器、混合储能系统和控制器的直驱型海浪发电储能装置，所述混合储能系统包括一超级电容器组和一蓄电池组；

2)当直驱型海浪发电机的输出功率与负载的功率之差为零时，则认为直驱型海浪发电机输出的功率与负载的功率相匹配，混合储能系统不需要进行工作；

3)当直驱型海浪发电机的输出功率与负载的功率之差大于零，此时控制器的比例积分控制单元输出为负值，超级电容组和蓄电池组的电流给定值均为负，即混和储能系统处于充电状态，控制器的数字滤波单元将低频分量和高频分量进行区分，高频分量由控制器控制与超级电容器组相连接的DC/DC变换器使超级电容器的实际电流从直流母线侧流向超级电容器组侧，当直流母线电压恢复与电压参考值相等时，超级电容器组停止充电；低频分量由控制器通过与蓄电池组相连接的DC/DC变换器使蓄电池组的实际电流从直流母线侧流向蓄电池器组侧，当直流母线电压恢复与电压参考值相等时，蓄电池组停止充电；

4)当直驱型海浪发电机的输出功率与负载的功率之差小于零时，混和储能系统处于放电状态，与所述3)的处理过程类似，控制器分别控制与超级电容器组、蓄电池组相连接的两DC/DC变换器使超级电容器组、蓄电池组工作在放电模式，补充直驱型海浪发电机不足以满足负载的功率，抑制功率波动。