CN102946113B - 一种基于电池与超级电容的超级电容端电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于电池与超级电容的超级电容端电压控制方法，包括以下步骤：1）计算可再生能源输出功率的中低频分量与高频分量；2）采用超级电容补偿可再生能源输出功率波动的高频分量，电池补偿可再生能源输出功率波动的中低频分量；3）根据超级电容的剩余容量对超级电容输出功率进行修正，得到超级电容的输出功率参考值。使得在利用电池与超级电容补偿可再生能源输出功率波动中的中低频分量与高频分量的同时，根据超级电容的剩余能量对其输出功率进行修正，以达到有效地控制超级电容端电压的目的，该方法可以在抑制可再生能源输出功率波动的同时，避免超级电容端电压越限。

Description

一种基于电池与超级电容的超级电容端电压控制方法

技术领域

本发明属于分布式发电供能技术领域，是一种在抑制可再生能源输出功率波动的同时有效地控制超级电容端电压的方法，特别是一种基于电池与超级电容的超级电容端电压控制方法。

背景技术

可再生能源发电技术，如光伏发电和风力发电以其无污染、可再生、分布广等优点，受到了越来越多的关注。然而，可再生能源发电具有波动性大、随机性强、出力变化快的特点。因此，就地配置一定容量的储能系统，可以有效抑制可再生能源发电输出功率的波动，提高电网接纳可再生能源发电的能力。但单一电池储能功率密度小，当可再生能源出力波动剧烈时，电池输出功率极易达到限幅；而单一的超级电容储能由于能量密度小，又不能长时间供电。因此利用电池与超级电容混合储能系统对可再生能源输出功率波动进行抑制，其中超级电容能充分地利用其功率密度大的特点，主要用于负责补偿可再生能源输出功率中的高频波动，有效地避免了电池输出功率达到限幅的现象。

目前国内外提出的电池与超级电容混合储能系统的控制策略主要有三种：

1)基于预测的计划输出控制方法。根据可再生能源输出功率预测值与本地负荷预测值，以一定的时间长度为标准，以平衡该时间段内的能量为目标计算电池储能系统的输出功率参考值，再以平衡短时间内的功率波动为目标计算超级电容的输出功率参考值。

2)基于滤波的平滑输出控制方法。根据滤波原理，利用电池补偿可再生能源输出功率中的中低频分量；利用超级电容补偿可再生能源输出功率中的高频分量，充分地利用了超级电容功率密度大与电池能量密度大的优点。

3)在超级电容滤波控制的基础上提出超级电容的管理方法。根据超级电容的端电压对超级电容的存储能量进行管理，以防止超级电容端电压越限。

第一种控制策略比较依赖可再生能源出力预测与负荷预测的准确性，而且所需储能系统的容量一般较大，而第二种控制策略所需储能系统容量较小，但平滑效果必然会受到一定的限制。而且前两种控制策略都没有考虑到超级电容的能量管理，超级电容极易达到其端电压上下限而退出运行。第三种控制策略虽然考虑到了超级电容的端电压控制，但是当超级电容端电压过高或过低时只是一味地减小超级电容的输出功率，没有区分超级电容是处在充电状态还是处在放电放电，该方法没有实现最优的超级电容能量管理。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明在基于电池与超级电容混合滤波控制的基础上，提出了一种超级电容端电压控制方法，即能量管理方法。在分别利用电池与超级电容补偿可再生能源输出功率波动的中低频分量与高频分量的同时，根据超级电容的实时剩余容量计算出超级电容输出功率参考值的调整比例值，并根据其输出功率的正负做出相应的修正，以有效地控制其端电压。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于电池与超级电容的超级电容端电压控制方法，包括以下步骤：

1)计算可再生能源输出功率的中低频分量与高频分量；

2)采用超级电容补偿可再生能源输出功率波动的高频分量，电池补偿可再生能源输出功率波动的中低频分量；

3)根据超级电容的剩余容量对超级电容输出功率进行修正，得到超级电容的输出功率参考值。

所述步骤1)中的再生能源输出功率的高频分量P_{sc_ref}的计算公式：式中：P_w为可再生能源输出功率；T_sc为一阶巴特沃兹低通滤波器的滤波时间常数；

再生能源输出功率的中低频分量P_{bat_ref}的计算公式：式中：P_w为可再生能源输出功率；T_bat和T_sc为一阶巴特沃兹低通滤波器的滤波时间常数，T_sc<T_bat。

由于超级电容属于功率型储能装置，充放电功率变化区间大，循环次数多，能量密度小，因此选择较小的滤波时间常数T_sc，用来补偿可再生能源输出功率P_w(s)中的高频分量；由于电池属于能量型储能装置，充放电功率变化区间小，循环次数少，能量密度大，因此选择较大的滤波时间常数T_bat，用来补偿可再生能源输出功率P_w(s)中的中低频分量。

所述步骤3)超级电容的剩余容量SOC_sc根据超级电容的端电压获得，所述超级电容的剩余容量SOC_sc与超级电容端电压成比例关系；超级电容储存的能量式中C为超级电容的电容，U_sc为超级电容端电压。

在超级电容端电压达到上下限值之前，采取提前控制以防止超级电容端电压越限。本发明通过选取适当的超级电容端电压作为开始预先控制的判断条件，以达到有效防止超级电容端电压越限的目的。

所述步骤3)根据超级电容的剩余容量对超级电容输出功率进行修正包括以下情况：

31)当超级电容端电压U_sc为高限区时，即U_{sc_up}<U_sc≤U_{sc_max}时，超级电容端电压U_sc的控制方法是少充多放；

32)正常工作区：即U_{sc_down}≤U_sc≤U_{sc_up}时，超级电容与电池输出功率不做调整；

33)当超级电容端电压U_sc为低限区时，即U_{sc_min}≤U_sc<U_{sc_down}时，超级电容端电压U_sc的控制方法是少放多充；

所述U_{sc_min}为超级电容端电压的下限，U_{sc_max}为超级电容端电压的上限；U_{sc_down}为超级电容端电压的下限判断条件值，U_{sc_up}为超级电容端电压的上限判断条件值。

本发明的有益效果：在利用电池与超级电容补偿可再生能源输出功率波动的中低频分量与高频分量的同时，根据超级电容的实时剩余容量计算出超级电容输出功率参考值的调整比例值，并根据其输出功率的正负做出相应的修正，以有效地控制其端电压。

附图说明

图1为本发明系统结构图；

图2为本发明混合储能的滤波控制框图；

图3为本发明超级电容输出功率与电池输出功率波特图；

图4为本发明端电压控制框图；

图5、6为本发明超级电容端电压控制效果图。

具体实施方式

下面根据说明书附图，详细地介绍一下本发明的技术方案。

电池/超级电容混合储能系统与可再生能源发电系统并网结构图如图1所示。其中电池与超级电容通过各自的DC/DC变换器连接到直流母线处，再通过DC/AC变换器连接到交流母线处；可再生能源发电系统直接连接到交流母线处；微网的交流母线再通过静态开关与配电网相连。

忽略系统损耗并由能量守恒定律可得，

P_bat+P_sc+P_w＝P_sys   (1)

式中，P_bat为电池输出功率，P_sc为超级电容输出功率，P_w可再生能源发电功率，P_sys为联络线功率。

本发明中与超级电容和电池连接的DC/DC变换器采用恒功率控制，其控制目标是抑制可再生能源输出功率的波动。

由于超级电容属于功率型储能装置，输出功率变化范围大，变化速率快，且超级电容循环次数多，因此超级电容主要用来补偿可再生能源输出功率波动中的高频分量；而电池属于能量型储能装置，输出功率变化范围小，变化速率慢，且电池循环次数少，因此电池主要用来补偿可再生能源输出功率波动中的中低频分量。

基于电池与超级电容混合储能的滤波控制框图如图2所示。波动的可再生能源输出功率P_w通过滤波时间常数为T_sc的一阶巴特沃兹低通滤波器得到联络线功率一次目标值再与可再生能源输出功率P_w相减，得到超级电容输出功率参考值P_{sc_ref}，如式(2)所示，即再生能源输出功率的高频分量；可再生能源输出功率P_w与超级电容实际输出功率P_sc相加后，通过滤波时间常数为T_bat的滤波器得到联络线功率的二次目标值再与滤波之前的值相减得到电池输出功率参考值P_{sc_ref}，如式(3)，即再生能源输出功率的中低频分量。其中联络线一次目标值是指经超级电容补偿后的理想联络线功率值，联络线二次目标值是指经超级电容和电池补偿后的理想联络线功率值，图中T_bat>T_sc。图中各变量关系如下：

$P_{\mathrm{sc}\_\mathrm{ref}}=-P_w\&CenterDot;\frac{T_{\mathrm{sc}}\&CenterDot;s}{1+T_{\mathrm{sc}}\&CenterDot;s}---\left(2\right)$

$P_{\mathrm{bat}\_\mathrm{ref}}=-(P_w+P_{\mathrm{sc}})\&CenterDot;\frac{T_{\mathrm{bat}}\&CenterDot;s}{1+T_{\mathrm{bat}}\&CenterDot;s}---\left(3\right)$

超级电容输出功率与电池输出功率波特图如图3所示。图中T_sc为超级电容的滤波时间常数，w_sc为T_sc对应的角频率，由图3可知，对应于角频率大于w_sc的频率分量，P_{sc_ref}对应的幅值为1，也就是说超级电容可以补偿所有角频率大于w_sc的高频波动分量；同理，电池可以补偿所有角频率在w_bat与w_sc之间的中低频波动分量，因此可以使电池与超级电容分别针对可再生能源输出功率中不同频段的波动成分进行补偿。

超级电容存储的能量由下式计算：

$E_{\mathrm{sc}}=\frac{1}{2}\&CenterDot;C\&CenterDot;U_{\mathrm{sc}}^2---\left(4\right)$

由于超级电容能量密度较小，因此其输出功率越大，持续时间越长，超级电容的能量越容易达到最大最小限值，也就是说其端电压越容易达到上下限值。超级电容电压过高会严重损坏超级电容的使用寿命甚至击穿电容，而其端电压过低又会导致在输出功率相同时其输出电流过大，引起过热而损坏其他器件。因此对超级电容的端电压进行有效的管理是十分必要的。

超级电容的剩余容量SOC_sc为：

${\mathrm{SOC}}_{\mathrm{sc}}=\frac{U_{\mathrm{sc}}-U_{\mathrm{sc}-\min }}{U_{\mathrm{sc}-\max }-U_{\mathrm{sc}-\min }}---\left(5\right)$

由此可见，超级电容的剩余容量与其端电压成比例关系，因此可以用超级电容的端电压近似表示超级电容的剩余容量。U_{sc_min}为超级电容端电压的下限，U_{sc_max}为超级电容端电压的上限。

基于超级电容与电池混合滤波控制的超级电容端电压控制首先要选取U_{sc_min}<U_{sc_down}<U_{sc_up}<U_{sc_max}，U_{sc_min}为超级电容端电压的下限，U_{sc_max}为超级电容端电压的上限；U_{sc_down}为超级电容端电压的下限判断条件值，U_{sc_up}为超级电容端电压的上限判断条件值。超级电容的端电压控制就是要在其端电压达到最大最小限值之前采取预防控制。

本发明所述端电压控制的控制框图如图4所示，前一级为混合储能的滤波控制，后一级为混合储能系统的限值管理。忽略电池剩余容量SOC_sc的变化，假设其一直处于正常工作的范围内。图中，ΔP_sc、ΔP_bat分别为超级电容与电池输出功率修正量，且

ΔP_bat＝-ΔP_sc   (6)

将超级电容端电压分为三个区域：

高限值区：即U_{sc_up}<U_sc≤U_{sc_max}时，超级电容端电压控制的基本原则是少充多放；

若P_{sc_ref}小于0，则

$\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{sc}}=-\frac{U_{\mathrm{sc}}-U_{\mathrm{sc}\_\mathrm{up}}}{U_{\mathrm{sc}\_\max }-U_{\mathrm{sc}\_\mathrm{up}}}\&CenterDot;P_{\mathrm{sc}\_\mathrm{ref}}---\left(7\right)$

否则

$\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{sc}}=-\frac{U_{\mathrm{sc}}-U_{\mathrm{sc}\_\mathrm{up}}}{U_{\mathrm{sc}\_\max }-U_{\mathrm{sc}\_\mathrm{up}}}\&CenterDot;P_{\mathrm{sc}\_\mathrm{ref}}---\left(8\right)$

正常工作区：即U_{sc_down}≤U_sc≤U_{sc_up}时，超级电容与电池输出功率不做调整。

低限值区：即U_{sc_min}≤U_sc<U_{sc_down}时，超级电容端电压控制的基本原则是少放多充，若P_{sc_ref}小于0，则

$\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{sc}}=-\frac{U_{\mathrm{sc}\_\mathrm{down}}-U_{\mathrm{sc}}}{U_{\mathrm{sc}\_\mathrm{down}}-U_{\mathrm{sc}\_\min }}\&CenterDot;P_{\mathrm{sc}\_\mathrm{ref}}---\left(9\right)$

否则

$\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{sc}}=-\frac{U_{\mathrm{sc}\_\mathrm{down}}-U_{\mathrm{sc}}}{U_{\mathrm{sc}\_\mathrm{down}}-U_{\mathrm{sc}\_\min }}\&CenterDot;P_{\mathrm{sc}\_\mathrm{ref}}---\left(10\right)$

最后，经过限值管理修正的超级电容输出功率参考值P_{sc_ref_mod}与电池输出功率参考值P_{bat_ref_mod}分别为：

P_{sc_ref_mod}＝P_{sc_ref}+ΔP_sc   (11)

P_{bat_ref_mod}＝P_{bat_ref}+ΔP_bat   (12)

超级电容端电压控制效果图如图5、6所示，图中实线为修改前超级电容输出功率参考值，虚线为经端电压控制修正后的超级电容输出功率参考值，P_{sc_ref_mod}为正表示超级电容放电，P_{sc_ref_mod}为负表示超级电容充电。根据本发明所述控制方法，当超级电容端电压处于高限值区时，如图5，超级电容应该少充多放；当超级电容端电压处于低限值区时，如图6，超级电容应该少放多充。

Claims (1)

1.一种基于电池与超级电容的超级电容端电压控制方法，其特征在于,电池与超级电容通过各自的DC/DC变换器连接到直流母线处，再通过DC/AC变换器连接到交流母线处；可再生能源发电系统直接连接到交流母线处；交流母线再通过静态开关与配电网相连，与超级电容和电池连接的DC/DC变换器采用恒功率控制；

超级电容端电压控制方法包括以下步骤：

1)计算可再生能源输出功率的中低频分量P_{bat_ref}与高频分量P_{sc_ref}；

2)采用超级电容补偿可再生能源输出功率的高频分量P_{sc_ref}，电池补偿可再生能源输出功率的中低频分量P_{bat_ref}；

3)根据超级电容的剩余容量SOC_sc对超级电容输出功率P_sc进行修正，得到超级电容的输出功率参考值；

所述步骤1)中的可再生能源输出功率的高频分量P_{sc_ref}的计算公式：式中：P_w为可再生能源输出功率，T_sc为一阶巴特沃兹低通滤波器的滤波时间常数；

可再生能源输出功率的中低频分量P_{bat_ref}的计算公式：式中：P_w为可再生能源输出功率；T_bat和T_sc为一阶巴特沃兹低通滤波器的滤波时间常数，P_sc为超级电容输出功率，T_sc<T_bat；

所述步骤3)超级电容的剩余容量SOC_sc根据超级电容的端电压U_sc获得，所述超级电容的剩余容量SOC_sc与超级电容端电压U_sc成比例关系；

根据超级电容的剩余容量SOC_sc对超级电容输出功率P_sc进行修正包括以下情况：

31)当超级电容端电压U_sc为高限区时，即U_{sc_up}＜U_sc≤U_{sc_max}时，超级电容端电压U_sc的控制方法是少充多放；

32)正常工作区：即U_{sc_down}≤U_sc≤U_{sc_up}时，超级电容与电池输出功率不做调整；

33)当超级电容端电压U_sc为低限区时，即U_{sc_min}≤U_sc＜U_{sc_down}时，超级电容端电压U_sc的控制方法是少放多充；

所述U_{sc_min}为超级电容端电压的下限，U_{sc_max}为超级电容端电压的上限；U_{sc_down}为超级电容端电压的下限判断条件值，U_{sc_up}为超级电容端电压的上限判断条件值。