CN103904766B - 一种超级电容器和蓄电池混合储能的控制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超级电容器和蓄电池混合储能的控制装置及方法，可再生能源发电系统经直流母线接负载，超级电容器组和蓄电池组分别接直流母线，其特征在于：超级电容器组连接线路上设有多个开关管，通过多个开关管的通断可实现超级电容器组串联和并联模式之间的切换，还设有电容器组控制单元，电容器组控制单元的信号输出端接超级电容器组连接线路上开关管的控制端；蓄电池组连接线路上设有多个开关管，通过多个开关管的通断可实现蓄电池组串联模式和并联模式之间的切换，还设有蓄电池组控制单元，蓄电池组控制单元的信号输出端接蓄电池组连接线路上开关管的控制端；电容器组控制单元和蓄电池组控制单元分别接有采样单元，采样单元信号输入端接直流母线。

Description

一种超级电容器和蓄电池混合储能的控制装置及方法
技术领域
本发明涉及一种超级电容器和蓄电池混合储能的控制装置及方法。
背景技术
伴随着煤、石油等传统不可再生能源的日益枯竭，各国均在大力开发太阳能、风能、海洋能等环境友好型可再生能源，意在扩展可利用的能源形式，缓解日益增长的能源需求问题。但是太阳能、风能、海洋能等可再生能源具有随机性、波动性等特性，造成风、光等可再生能源发电单元的输出功率具有较大的随机性，进而会严重影响电网的电能质量、调度稳定运行。目前基本使用储能系统对可再生能源发电系统的输出功率进行平抑。
由于可再生能源发电系统输出功率的随机性、波动性，需要储能设备具备高能量密度、高功率密度、较长的循环寿命等特性。但目前的储能技术，没有集这些特性于一身的单一储能设备，目前的技术条件下，需采用混合储能技术，从目前储能技术的成熟度方面来讲，超级电容器和蓄电池的搭配较为合理。超级电容器和蓄电池的充放电效率较高，且超级电容器功率密度高、能量密度较低，而蓄电池能量密度高、功率密度较低，能够实现互补，将超级电容器、蓄电池混合使用具有很高的实际应用价值。
现有技术中，中国专利201210238627.1公开的超级电容器与双向DC/DC斩波器串联的蓄电池并联组成混合储能系统，虽然能够实现弱光充电、对超级电器充电过程进行控制。但是当直流母线电流大于超级电容器的最大允许充电电流时，超级电容器组以超出最大允许的充电电流进行长时间的大电流充电，对超级电容器性能会产生较大的影响，同时也不能实现大电流放电的特殊情况。中国专利201020679393.0公开的光伏发电系统中的混合储能系统，虽然可以通过各个DC/DC变换电路控制蓄电池组、超级电容器组的充放电实现光伏发电系统的供电不平衡问题。但是当长期光照不足，不能满足负荷需求时，光伏发电系统输出的较小的功率虽然可以使DC/DC1工作于降压型电路对蓄电池充电，但由于电压较低，可能无法对蓄电池进行充电，即使能够对蓄电池进行充电，由于没有超级电容器作为能量缓冲装置，可能对蓄电池的寿命等有一定的影响。同样当直流母线电流大于蓄电池组的最大允许充电电流时，对蓄电池组进行长时间的大电流充电，对蓄电池组的性能会产生较大的影响。同时也不能实现大电流放电的特殊情况。
发明内容
本发明目的在于提供一种超级电容器和蓄电池混合储能的控制装置及方法，能够根据再生能源发电系统的不同电力输出情况进行混合储能控制，更好地发挥储能系统功效，同时有效保护储能系统。
基于同一发明构思，本发明目具有两个独立的技术方案：
1.一种超级电容器和蓄电池混合储能的控制装置，可再生能源发电系统经直流母线接负载，超级电容器组和蓄电池组分别接直流母线，其特征在于：超级电容器组连接线路上设有多个开关管，通过多个开关管的通断可实现超级电容器组串联和并联模式之间的切换，还设有电容器组控制单元，电容器组控制单元的信号输出端接超级电容器组连接线路上开关管的控制端；蓄电池组连接线路上设有多个开关管，通过多个开关管的通断可实现蓄电池组串联模式和并联模式之间的切换，还设有蓄电池组控制单元，蓄电池组控制单元的信号输出端接蓄电池组连接线路上开关管的控制端；电容器组控制单元和蓄电池组控制单元分别接有采样单元，采样单元信号输入端接直流母线。
蓄电池组通过两个并联的双向DC/DC变换器接直流母线，其中一个双向DC/DC变换器用于蓄电池组串联模式，另一个用于蓄电池组并联模式；两个双向DC/DC变换器的控制端接蓄电池组控制单元。
超级电容器组和蓄电池组之间接有开关电路，开关电路的控制端接蓄电池组控制单元。
直流母线上接有卸荷器。
将超级电容器组的每个支路电容器组都分成两部分，即第一分支电容器组和第二分支电容器组，将第一分支电容器组和第二分支电容器组并联，第一分支电容器组所在的第一分支路上设有开关管，第二分支电容器组所在的第二分支路上设有开关管，前述第一分支路和第二分支路之间设有开关管。
将蓄电池组的每个支路蓄电池组都分成两部分，即第一分支蓄电池组和第二分支蓄电池组，将第一分支蓄电池组和第二分支蓄电池组并联，第一分支蓄电池组所在的第一分支路上设有开关管，第二分支蓄电池组所在的第二分支路上设有开关管，前述第一分支路和第二分支路之间设有开关管。
可再生能源发电系统可以由光伏电源和风力发电机并联构成。
2、一种利用上述装置的控制方法，其特征在于：根据采样单元采集的直流母线电流状态，蓄电池组控制单元控制蓄电池组在串联模式和并联模式之间切换，电容器组控制单元控制超级电容器组在串联模式和并联模式之间切换；蓄电池组控制单元控制蓄电池组充电、放电或断开蓄电池组与直流母线之间的连接。
再生能源发电系统可对超级电容器组和蓄电池组进行充电，通过如下方法进行控制：
当直流母线电流稳定，且处于正常范围内时，可再生能源发电系统通过直流母线对超级电容器组和蓄电池组进行充电，超级电容器组和蓄电池组均处于串联模式；
当直流母线电流瞬时超过串联蓄电池组最大充电电流时，蓄电池组控制单元断开蓄电池组与直流母线之间的连接，电容器组控制单元使超级电容器组处于并联模式，可再生能源发电系统通过直流母线只对超级电容器组充电；
当直流母线电流稳定，且大于串联蓄电池组最大充电电流小于串联电容器组最大充电电流时，蓄电池组控制单元使蓄电池组处于并联模式，先对超级电容器组充电，待超级电容器组充满后，再对蓄电池组充电；
当直流母线电流稳定，且大于串联蓄电池组最大充电电流和串联电容器组最大充电电流时，蓄电池组控制单元使蓄电池组处于并联模式，电容器组控制单元使超级电容器组处于并联模式，先对超级电容器组充电，待超级电容器组充满后，再对蓄电池组充电。
当可再生能源发电系统输出功率不足，超级电容器组和蓄电池组需进行放电时，通过如下方法进行控制：
当直流母线电流稳定，且处于正常范围内时，超级电容器组先放电，然后蓄电池组进行放电，超级电容器组和蓄电池组均处于串联模式；
当直流母线电流稳定，且大于串联蓄电池组最大放电电流和串联电容器组最大放电电流时，蓄电池组控制单元使蓄电池组处于并联模式，电容器组控制单元使超级电容器组处于并联模式，超级电容器组先放电，然后蓄电池组进行放电。
当可再生能源发电系统输出功率不足，且超级电容器组和蓄电池组处于放空状态时，通过如下方法进行控制：
切断负载；蓄电池组控制单元断开蓄电池组与直流母线之间的连接，蓄电池组控制单元使蓄电池组处于并联模式；先对超级电容器组充电，待超级电容器组充满后，再由超级电容器组对蓄电池组进行充电。
蓄电池组控制单元可控制蓄电池组采用四阶段模式进行充电和采用恒压放电模式进行放电，所说的四阶段模式是指蓄电池组经过涓流充电、恒流充电、恒压充电和浮充充电四个阶段进行充电。
本发明具有的有益效果：
本发明超级电容器组和蓄电池组均具有串联和并联两种模式，分别通过电容器组控制单元和蓄电池组控制单元控制切换，即本发明超级电容器组和蓄电池组具有自动重构功能，结合蓄电池组控制单元对蓄电池组的充放电控制，可以很灵活适应多变的外界自然资源环境对可再生能源发电系统电力输出的影响。即当光照、风速等自然资源丰富、稳定的时段，利用超级电容器组、蓄电池组同时充电，用以吸收分布式电源发出的多余的能量；当光照、风速等自然资源状况不好、负荷需求稳定时段，利用超级电容器和蓄电池控制器控制蓄电池组放电；当光伏、风机的发电功率非常微弱或者光伏、风机的发电功率非常微弱且持续的时间很长，也同样可以利用这部分能量。
本发明超级电容器组和蓄电池组具有自动重构功能，还可以适应自然资源或负荷需求突变的特殊情况，即当出现瞬时大风速即直流母线电流瞬时变大时，为应对超级电容器组的大电流充电，对超级电容器组进行自动重构，使其处于并联模式；当出现风速突然变强且持续的时间较长，若直流母线的电流大于蓄电池组允许的最大充电电流小于超级电容器组的最大充电电流时，为应对可能的蓄电池组的大电流充电，对蓄电池组进行自动重构，使其处于并联模式；当用电负荷突然增加且持续的时间较长，若直流母线的电流均大于蓄电池组和超级电容器组的最大充电电流时，为应对大电流放电，此时，对超级电容器组和蓄电池组都进行自动重构，即均处于并联模式。
本发明超级电容器组通过开关电路与蓄电池组连接，同时对蓄电池组进行自动重构，以降低充电阀值。在光伏、风机的发电功率非常微弱或者光伏、风机的发电功率非常微弱且持续的时间很长的情况下，这种结构是十分有效的。采用先对超级电容器组充电再对蓄电池组充电，一方面可以对波动的分布式电源的输出功率进行缓冲，另一方面对蓄电池组进行了重构，从两方面降低蓄电池的充电阀值，快速充分吸收这部分能量的同时确保蓄电池的平稳充电，起到保护蓄电池的作用。另外，本发明蓄电池组控制单元控制蓄电池组采用四阶段模式进行充电和采用恒压放电模式进行放电，可更好地保护蓄电池池组。
附图说明
图1是本发明控制系统的结构框图；
图2是本发明储能装置部分的电路原理图；
图3是本发明超级电容器组的自动重构电路原理图；
图4是本发明蓄电池组的自动重构电路原理图；
图5是蓄电池四阶段充电曲线图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例中，可再生能源发电系统由光伏电源和风力发电机并联构成，光伏电源经过Boost电路接直流母线，风力发电机经整流电路接直流母线，直流母线接负载。超级电容器组和蓄电池组分别接直流母线。
如图3所示，图3是超级电容器组一个支路的电路原理图，将超级电容器组的每个支路电容器组都分成两部分，即第一分支电容器组1和第二分支电容器组2，将第一分支电容器组1和第二分支电容器组2并联，第一分支电容器组1所在的第一分支路上设有开关管T9，第二分支电容器组2所在的第二分支路上设有开关管T7，前述第一分支路和第二分支路之间设有开关管T8。
如图4所示，图4是蓄电池组一个支路的电路原理图，将蓄电池组的每个支路蓄电池组都分成两部分，即第一分支蓄电池组3和第二分支蓄电池组4，将第一分支蓄电池组3和第二分支蓄电池组4并联，第一分支蓄电池组3所在的第一分支路上设有开关管T12，第二分支蓄电池组所在的第二分支路上设有开关管T10，前述第一分支路和第二分支路之间设有开关管T11。
如图1所示，电容器组控制单元（超级电容器重构控制器）的信号输出端接超级电容器组连接线路上开关管的控制端；蓄电池组控制单元（蓄电池控制器）的信号输出端接蓄电池组连接线路上开关管的控制端；电容器组控制单元和蓄电池组控制单元分别接有采样单元，采样单元信号输入端接直流母线。超级电容器组和蓄电池组之间接有开关电路，开关电路的控制端接蓄电池组控制单元。直流母线上接有卸荷器。
如图2所示，蓄电池组通过两个并联的双向DC/DC变换器5、6接直流母线，一个双向DC/DC变换器用于蓄电池组串联模式，另一个用于蓄电池组并联模式；两个双向DC/DC变换器的控制端接蓄电池组控制单元。双向DC/DC变换器5由开关管T1、T2、电感L1、电容C1组成，双向DC/DC变换器6由开关管T3、T4、L2、C2、C3组成，开关电路由开关管T5、二极管L3等组成。
针对不同的光伏、风机的输出功率与负荷需求功率间的关系，可分为以下种工作模式进行控制：
（1）当光照、风速等自然资源丰富、稳定的时段，光伏、风机发电功率较大，直流母线电流稳定，且处于正常范围内，在满足负荷需求的同时对超级电容器组、蓄电池组进行充电，通过蓄电池组控制单元控制，如图2所示，双向DC/DC变换器5工作于降压型斩波电路状态，即T1工作，T2截止工作，对蓄电池组进行四阶段充电，即涓流充电、恒流充电、恒压充电和浮充充电，蓄电池的四阶段充电曲线图如图5所示。当超级电容器组、蓄电池组充电完成后，若还有多余的能量，则通过卸荷器把多余的能量消耗掉。蓄电池组充电时，首先检测蓄电池组的端电压，当端电压低于充电势能电压UT时，蓄电池组控制单元将提供很小的涓流IT(约为0.01C)进行充电;当蓄电池组的电压达到充电使能电压UT时，蓄电池组控制单元提供一个大电流IBUCK对蓄电池组进行恒流充电，此阶段电池端电压上升很快，直到电压上升到过压充电电压UOC时进入恒压充电阶段;在恒压充电阶段，蓄电池组控制单元提供一个略高于蓄电池额定电压UOC进行恒压充电，电路额充电电流将会按指数规律逐渐减小，直到电流大小等于充电终止电流IOCT(约为0.1IBULK),此时，蓄电池已经充满，将进入浮充充电阶段；在浮充充电阶段，蓄电池组控制单元提供浮充电压UF对电池以很小的浮充电流进行充电，用来弥补电池自放电造成的容量损失。以下模式中，蓄电池组均采用此种方式充电。
（2）当出现瞬时大风速，直流母线电流瞬时超过串联蓄电池组最大充电电流时，为尽快的吸收这部分能量，应对超级电容器组的大电流充电，此时双向DC/DC变换器不工作，需要对超级电容器组进行自动重构。如图3所示，通过电容器组控制单元控制，开关管T8截止，开关管T7、T9工作，其他支路都依次类推，超级电容器组每个支路的两部分均并联，即超级电容器组处于并联模式；对自动重构后的超级电容器组进行充电。当电容器组控制单元通过采样单元，检测到直流母线电流回到正常范围后，再控制开关T8工作，开关管T7、T9截止，其它支路都依次类推，将超级电容器组恢复到重构之前的串联模式。
（3）当出现风速突然变强且持续的时间较长，若直流母线的电流大于串联蓄电池组允许的最大充电电流小于串联超级电容器组的最大充电电流时，为应对系统可能对蓄电池组的大电流充电，此时需要对蓄电池组进行自动重构。如图4所示，通过蓄电组控制单元控制开关管T11截止，开关管T10、T12工作，其他支路都依次类推，蓄电池组每个支路的两部分均并联，即蓄电池组处于并联模式，此时，两个双向DC/DC变换器均不工作，优先对超电容器组充电，当其充满后，若仍有多余的能量，再对蓄电池组进行充电。当蓄电池组控制单元通过采样单元，检测到直流母线电流恢复到蓄电池蓄电池允许的最大充电电流范围时，蓄电池组控制单元控制开关管T11工作，开关管T10、T12截止，其它支路都依次类推，将蓄电池组恢复到重构之前的串联模式。
（4）当出现风速突然变强且持续的时间较长，若直流母线的电流均大于串联蓄电池组和串联超级电容器组的最大充电电流时，为应对超级电容器的大电流充电和可能对蓄电池的大电流充电，此时，需要对超级电容器组和蓄电池组均进行自动重构，如图3所示，电容器组控制单元控制开关管T8截止，开关管T7、T9工作，超级电容器组处于并联模式；如图4所示，蓄电池组控制单元控制开关管T11截止，开关管T10、T12工作，蓄电池组处于并联模式。两个双向DC/DC变换器均不工作，优先对超电容器组充电，当其充满后，若仍有多余的能量，再对蓄电池组进行充电。当电容器组控制单元、蓄电池组控制单元分别通过采样单元，检测到直流母线电流分别恢复到超级电容器组和蓄电池组允许的最大充电电流范围内时，分别使超级电容器组和蓄电池组恢复到重构之前的串联模式。
（5）当光照、风速等自然资源状况不好的时段、负荷需求及发电功率稳定时，直流母线电流稳定，且处于正常范围内时，超级电容器组优先放电，当超级电容器的端电压降至与直流母线电压一致时，放电过程将会自动停止，此时，双向DC/DC变换器5工作于升压型斩波电路状态，即开关管T2工作，开关管T1截止工作，蓄电池组进行恒压放电，以保障负载需求的同时维持直流母线电压稳定。
（6）当用电负荷突然增加且持续的时间较长，若直流母线的电流均大于串联蓄电池组和串联超级电容器组的最大放电电流时，为应对大电流放电，此时，需要对超级电容器组和蓄电池组均进行自动重构，如图3所示，电容器组控制单元控制开关管T8截止，开关管T7、T9工作，超级电容器组处于并联模式；如图4所示，蓄电池组控制单元控制开关管T11截止，开关管T10、T12工作，蓄电池组处于并联模式。通过蓄电池组控制单元控制使双向DC/DC变换器6工作于升压型斩波电路状态，即开关管T4工作，开关管T3截止，蓄电池组进行放电。当电容器组控制单元、蓄电池组控制单元通过采样单元，检测到直流母线电流恢复到超级电容器组和蓄电池组允许的最大放电电流范围内时，分别使超级电容器组和蓄电池组恢复到重构之前的串联模式。
（7）当光伏、风机的发电功率非常微弱（例如清晨、傍晚且几乎无风）或者光伏、风机的发电功率非常微弱且持续的时间很长（例如连续阴雨天且风微弱的日子），蓄电池组和超级电容器组都处于放空状态时，这时就需要切断负荷。为充分利用这部分较弱的能量，此时两个双向DC/DC变换器均不工作，并对蓄电池组进行重构，使其处于并联模式，降低蓄电池组两端的充电电压，以降低蓄电池的充电阀值。先对超级电容器组的充电，当充电完成后，超级电容器组通过开关电路对蓄电池组进行充电。由于蓄电池组通过双向DC/DC变换器与直流母线连接，原理上也可以直接对蓄电池组进行充电。但此种情况下，由于分布式电源的输出功率很小，直流母线电压很低，可能超出双向DC/DC变换器的变压范围，无法对蓄电池进行充电。本发明采用先对超级电容器组的充电，再通过超级电容器组对蓄电池组充电的方式，可以对波动的分布式电源的输出功率进行缓冲，结合对蓄电池组进行重构，使其处于并联模式，从两方面降低了蓄电池的充电阀值，确保蓄电池的平稳充电，起到保护蓄电池的作用。

Claims (8)

1.一种超级电容器和蓄电池混合储能的控制装置，可再生能源发电系统经直流母线接负载，超级电容器组和蓄电池组分别接直流母线，其特征在于：超级电容器组连接线路上设有多个开关管，通过多个开关管的通断实现超级电容器组串联和并联模式之间的切换，还设有电容器组控制单元，电容器组控制单元的信号输出端接超级电容器组连接线路上开关管的控制端；蓄电池组连接线路上设有多个开关管，通过多个开关管的通断实现蓄电池组串联模式和并联模式之间的切换，还设有蓄电池组控制单元，蓄电池组控制单元的信号输出端接蓄电池组连接线路上开关管的控制端；电容器组控制单元和蓄电池组控制单元分别接有采样单元，采样单元信号输入端接直流母线；超级电容器组的每个支路电容器组都分成两部分，即第一分支电容器组和第二分支电容器组，第一分支电容器组和第二分支电容器组并联，第一分支电容器组所在的第一分支路上设有开关管，第二分支电容器组所在的第二分支路上设有开关管，前述第一分支路和第二分支路之间设有开关管；蓄电池组的每个支路蓄电池组都分成两部分，即第一分支蓄电池组和第二分支蓄电池组，第一分支蓄电池组和第二分支蓄电池组并联，第一分支蓄电池组所在的第一分支路上设有开关管，第二分支蓄电池组所在的第二分支路上设有开关管，前述第一分支路和第二分支路之间设有开关管。
2.根据权利要求1所述的超级电容器和蓄电池混合储能的控制装置，其特征在于：蓄电池组通过两个并联的双向DC/DC变换器接直流母线，其中一个双向DC/DC变换器用于蓄电池组串联模式，另一个用于蓄电池组并联模式；两个双向DC/DC变换器的控制端接蓄电池组控制单元。
3.根据权利要求2所述的超级电容器和蓄电池混合储能的控制装置，其特征在于：超级电容器组和蓄电池组之间接有开关电路，开关电路的控制端接蓄电池组控制单元。
4.根据权利要求3所述的超级电容器和蓄电池混合储能的控制装置，其特征在于：直流母线上接有卸荷器。
5.一种利用权利要求1所述装置的控制方法，其特征在于：根据采样单元采集的直流母线电流状态，蓄电池组控制单元控制蓄电池组在串联模式和并联模式之间切换，电容器组控制单元控制超级电容器组在串联模式和并联模式之间切换；蓄电池组控制单元控制蓄电池组充电、放电或断开蓄电池组与直流母线之间的连接；
可再生能源发电系统对超级电容器组和蓄电池组进行充电，通过如下方法进行控制：
当直流母线电流稳定，且处于正常范围内时，可再生能源发电系统通过直流母线对超级电容器组和蓄电池组进行充电，超级电容器组和蓄电池组均处于串联模式；
当直流母线电流瞬时超过串联蓄电池组最大充电电流时，蓄电池组控制单元断开蓄电池组与直流母线之间的连接，电容器组控制单元使超级电容器组处于并联模式，可再生能源发电系统通过直流母线只对超级电容器组充电；
当直流母线电流稳定，且大于串联蓄电池组最大充电电流小于串联电容器组最大充电电流时，蓄电池组控制单元使蓄电池组处于并联模式，先对超级电容器组充电，待超级电容器组充满后，再对蓄电池组充电；
当直流母线电流稳定，且大于串联蓄电池组最大充电电流和串联电容器组最大充电电流时，蓄电池组控制单元使蓄电池组处于并联模式，电容器组控制单元使超级电容器组处于并联模式，先对超级电容器组充电，待超级电容器组充满后，再对蓄电池组充电。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：当可再生能源发电系统输出功率不足，超级电容器组和蓄电池组需进行放电时，通过如下方法进行控制：
当直流母线电流稳定，且处于正常范围内时，超级电容器组先放电，然后蓄电池组进行放电，超级电容器组和蓄电池组均处于串联模式；
当直流母线电流稳定，且大于串联蓄电池组最大放电电流和串联电容器组最大放电电流时，蓄电池组控制单元使蓄电池组处于并联模式，电容器组控制单元使超级电容器组处于并联模式，超级电容器组先放电，然后蓄电池组进行放电。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：当可再生能源发电系统输出功率不足，且超级电容器组和蓄电池组处于放空状态时，通过如下方法进行控制：
切断负载；蓄电池组控制单元断开蓄电池组与直流母线之间的连接，蓄电池组控制单元使蓄电池组处于并联模式；先对超级电容器组充电，待超级电容器组充满后，再由超级电容器组对蓄电池组进行充电。
8.根据权利要求5—7任何一项所述的控制方法，其特征在于：蓄电池组控制单元控制蓄电池组采用四阶段模式进行充电和采用恒压放电模式进行放电，所说的四阶段模式是指蓄电池组经过涓流充电、恒流充电、恒压充电和浮充充电四个阶段进行充电。
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