CN104283298A - 一种蓄电池与超级电容器混合储能充放电电流控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蓄电池与超级电容器混合储能充放电电流控制方法，主要包括：蓄电池和超级电容器分别通过各自的第一双向充放电变换器和第二双向充放电变换器连接到微电网的公共直流母线；根据给定的公共直流母线电压值与实时反馈的公共直流母线电压值之差与预设稳压误差上限的大小关系，对储能系统进行动作，实现对公共直流母线电压的波动抑制。本发明所述蓄电池与超级电容器混合储能充放电电流控制方法，可以克服现有技术中使用寿命短、容量小和环保性差等缺陷，以实现使用寿命长、容量大和环保性好的优点。
Description
技术领域
本发明涉及分布式微电网系统应用领域，具体地，涉及一种蓄电池与超级电容器混合储能充放电电流控制方法。
背景技术
微电网是由分布式电源、储能装置、能量变换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统。它是能够实现自我控制、保护和管理的自治系统。微电网大体上可分为具有公共直流母线的微电网系统、具有公共交流母线的微电网系统以及具有公共直流母线与公共交流母线的混合微电网系统，本发明的技术方案主要针对具有公共直流母线的微电网系统。在公共直流母线上连接有各种储能装置，这些储能装置对微电网系统的稳定运行起着举足轻重的作用，因此，储能系统的充放电电流控制方法显得尤为重要。
目前，微电网系统普遍采用蓄电池作为储能元件，但蓄电池有很多自身无法克服的缺点，如污染环境、使用寿命短、充放电时间长、对环境温度要求高、瞬时功率输出小等，这些缺陷制约了微电网系统的大规模发展。20世纪中后期出现了超级电容器，它是一种新型储能元件，具有容量大、功率密度高、充放电性能好、工作范围广、循环使用寿命长、安全可靠以及无污染等优点，因此超级电容器储能技术引起了各国的重视，并得到了广泛的关注。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在使用寿命短、容量小和环保性差等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种蓄电池与超级电容器混合储能充放电电流控制方法，以实现使用寿命长、容量大和环保性好的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种蓄电池与超级电容器混合储能充放电电流控制方法，主要包括：
a、蓄电池和超级电容器分别通过各自的第一双向充放电变换器和第二双向充放电变换器连接到微电网的公共直流母线；
b、根据给定的公共直流母线电压值与实时反馈的公共直流母线电压值之差与预设稳压误差上限的大小关系，对储能系统进行动作，实现对公共直流母线电压的波动抑制。
进一步地，所述步骤b，具体包括：
b1、当给定的公共直流母线电压值与实时反馈的公共直流母线电压值之差大于预设稳压误差上限时，储能系统放电；
b2、当给定的公共直流母线电压值与实时反馈的公共直流母线电压值之差小于预设稳压误差下限时，储能系统充电；
b3、当给定的公共直流母线电压值与实时反馈的公共直流母线电压值之差处于稳压误差上限和下限之间时，储能系统停止进行充放电控制。
进一步地，所述步骤b1，具体包括：
蓄电池储能放电控制；
超级电容器储能放电控制；
通过上述蓄电池储能的第一双向充放电变换器和超级电容器储能的第二双向充放电变换器同时动作，实现对公共直流母线电压的波动抑制。
进一步地，所述蓄电池储能放电控制的操作，具体包括：
⑴对于蓄电池储能的第一双向充放电变换器，蓄电池充放电的参考电流减去第一双向充放电变换器的滤波电感电流，它们的差值通过经典比例积分调节器运算，得到第一双向充放电变换器的调制波，该调制波与三角载波相比，得到脉冲宽度调制波形；
⑵给定的公共直流母线电压值与实时反馈的公共直流母线电压值之差为电压误差，该电压误差与零比较：
若电压误差大于0，则为充电状态，此时第一双向充放电变换器为BUCK电路工作形式，该脉冲宽度调制波形作为功率开关S1的控制信号，对该脉冲宽度调制波形进行逻辑取反，作为功率开关S2的控制信号，完成蓄电池储能充电控制；
若电压误差小于0，则为放电状态，此时第一双向充放电变换器为BOOST电路工作形式，该脉冲宽度调制波形作为功率开关S2的控制信号，对该脉冲宽度调制波形进行逻辑取反，作为功率开关S1的控制信号，完成蓄电池储能放电控制。
进一步地，所述超级电容器储能放电控制的操作，具体包括：
⑴对于超级电容器储能的第二双向充放电变换器，超级电容器充放电的参考电流减去第二双向充放电变换器的滤波电感电流，它们的差值通过经典比例积分调节器运算，得到第二双向充放电变换器的调制波，该调制波与相同的三角载波相比，得到脉冲宽度调制波形；
⑵给定的公共直流母线电压值与实时反馈的公共直流母线电压值之差为电压误差，该电压误差与零比较：
若电压误差大于0，则为充电状态，此时第二双向充放电变换器为BUCK电路工作形式，该脉冲宽度调制波形作为功率开关S3的控制信号，对该脉冲宽度调制波形进行逻辑取反，作为功率开关S4的控制信号，完成超级电容器储能充电控制；
若电压误差小于0，则为放电状态，此时第二双向充放电变换器为BOOST电路工作形式，该脉冲宽度调制波形作为功率开关S4的控制信号，对该脉冲宽度调制波形进行逻辑取反，作为功率开关S3的控制信号，完成超级电容器储能放电控制。
进一步地，在所述步骤a中，所述第一双向充放电变换器和第二双向充放电变换器是相同的电路结构，都是典型的非隔离型双向BUCK-BOOST变换器。
本发明各实施例的蓄电池与超级电容器混合储能充放电电流控制方法，由于主要包括：蓄电池和超级电容器分别通过各自的第一双向充放电变换器和第二双向充放电变换器连接到微电网的公共直流母线；根据给定的公共直流母线电压值与实时反馈的公共直流母线电压值之差与预设稳压误差上限的大小关系，对储能系统进行动作，实现对公共直流母线电压的波动抑制；可以保证储能系统具有优良的充放电性能的同时，保证微电网系统公共直流母线电压的稳定；从而可以克服现有技术中使用寿命短、容量小和环保性差的缺陷，以实现使用寿命长、容量大和环保性好的优点。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明蓄电池与超级电容器混合储能充放电电流控制方法中蓄电池和超级电容器混合储能双向充放电变换器的连接电路框图；
图2为本发明蓄电池与超级电容器混合储能充放电电流控制方法中蓄电池和超级电容器混合储能双向充放电变换器动作与否的软件流程图；
图3为本发明蓄电池与超级电容器混合储能充放电电流控制方法中蓄电池和超级电容器的参考电流产生控制框图；
图4为本发明蓄电池与超级电容器混合储能充放电电流控制方法中蓄电池储能的电流控制框图；
图5为本发明蓄电池与超级电容器混合储能充放电电流控制方法中超级电容器储能的电流控制框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
根据本发明实施例，充分发挥蓄电池和超级电容器各自的优点，如图1-图5所示，提供了一种蓄电池与超级电容器混合储能充放电电流控制方法，保证储能系统具有优良的充放电性能的同时，保证微电网系统公共直流母线电压的稳定。该蓄电池与超级电容器混合储能充放电电流控制方法，从储能系统最优控制出发，充分利用蓄电池的能量密度高和超级电容器的功率密度高的特点，将二者有机结合，蓄电池缓慢充放电，用来抑制稳态运行过程中缓慢的电能变化。超级电容器快速充放电，用来抑制各种扰动过程中快速的电能变化。这样有利于提高储能介质的使用寿命和提高储能系统的总体动静态性能，使得微电网的公共直流母线电压更加稳定。
本发明所采用的技术方案是：蓄电池和超级电容器分别通过各自的第一双向充放电变换器和第二双向充放电变换器连接到微电网的公共直流母线，当给定的公共直流母线电压值与实时反馈的公共直流母线电压值之差大于稳压误差上限（例如稳压误差上限等于给定的公共直流母线电压值的2%）时，储能系统放电；当给定的公共直流母线电压值与实时反馈的公共直流母线电压值之差小于稳压误差下限（例如稳压误差下限等于给定的公共直流母线电压值的-2%）时，储能系统充电；当给定的公共直流母线电压值与实时反馈的公共直流母线电压值之差处于稳压误差上限和下限之间时，储能系统停止进行充放电控制。其中，第一双向充放电变换器和第二双向充放电变换器是相同的电路结构，都是典型的非隔离型双向BUCK-BOOST变换器。
本发明技术方案的创新之处在于当储能系统进行充放电控制时，给定的公共直流母线电压值与实时反馈的公共直流母线电压值之差作为电压比例积分调节器的输入，该电压PI调节器的输出是储能系统的总充放电参考电流，对该总充放电参考电流进行经典的一阶低通滤波（该一阶低通滤波器的频域表示为 ，其中，ω为总充放电参考电流的频率，ωc为截止频率，ωc一般在0.1Hz~1Hz范围内），得到蓄电池充放电的参考电流，由总充放电参考电流减去蓄电池充放电的参考电流得到超级电容器充放电的参考电流。
对于蓄电池储能的第一双向充放电变换器，蓄电池充放电的参考电流减去第一双向充放电变换器的滤波电感电流，它们的差值通过经典比例积分调节器运算，得到第一双向充放电变换器的调制波，该调制波与三角载波相比，得到脉冲宽度调制波形。给定的公共直流母线电压值与实时反馈的公共直流母线电压值之差为电压误差，该电压误差与零比较，若电压误差大于0，则为充电状态，此时第一双向充放电变换器为 BUCK电路工作形式，该脉冲宽度调制波形作为功率开关S1的控制信号，对该脉冲宽度调制波形进行逻辑取反，作为功率开关S2的控制信号，完成蓄电池储能充电控制；若电压误差小于0，则为放电状态，此时第一双向充放电变换器为 BOOST电路工作形式，该脉冲宽度调制波形作为功率开关S2的控制信号，对该脉冲宽度调制波形进行逻辑取反，作为功率开关S1的控制信号，完成蓄电池储能放电控制。
对于超级电容器储能的第二双向充放电变换器，超级电容器充放电的参考电流减去第二双向充放电变换器的滤波电感电流，它们的差值通过经典比例积分调节器运算，得到第二双向充放电变换器的调制波，该调制波与相同的三角载波相比，得到脉冲宽度调制波形。给定的公共直流母线电压值与实时反馈的公共直流母线电压值之差为电压误差，该电压误差与零比较，若电压误差大于0，则为充电状态，此时第二双向充放电变换器为 BUCK电路工作形式，该脉冲宽度调制波形作为功率开关S3的控制信号，对该脉冲宽度调制波形进行逻辑取反，作为功率开关S4的控制信号，完成超级电容器储能充电控制；若电压误差小于0，则为放电状态，此时第二双向充放电变换器为 BOOST电路工作形式，该脉冲宽度调制波形作为功率开关S4的控制信号，对该脉冲宽度调制波形进行逻辑取反，作为功率开关S3的控制信号，完成超级电容器储能放电控制。
通过上述蓄电池储能的第一双向充放电变换器和超级电容器储能的第二双向充放电变换器同时动作，实现对公共直流母线电压的波动抑制。
本发明技术方案有益效果是：当给定的公共直流母线电压值与实时反馈的公共直流母线电压值之差处于稳压误差上限和下限之间时，储能系统停止进行充放电控制。反之，根据给定的公共直流母线电压值与实时反馈的公共直流母线电压值之差经过比例积分调节器计算，得到总充放电参考电流，利用一阶低通滤波器将该总充放电参考电流进行频率分解，从而得到蓄电池储能和超级电容器储能分别的参考电流，于是可以分别进行蓄电池储能和超级电容器储能的充放电控制，使得超级电容器实现快速的电压波动抑制以及蓄电池实现较慢的电压波动抑制，从而达到整体的电压波动抑制效果最佳。
图1-图5中各电路符号包括：1.公共直流母线的正极+与负极-，2.公共直流母线电压Vdc，3. 滤波电容C1=C4，滤波电容C2=C3，4. 滤波电感 L2=L3，5. 功率开关S1、S2、S3、S4都为IGBT，6. 蓄电池指蓄电池储能介质，7. 超级电容指超级电容器储能介质，8. 滤波电感 L2的电流ibat，9. 滤波电感 L3的电流isc，10. 给定的公共直流母线电压值V*dc，11. 误差e等于V*dc减去Vdc，12. 总充放电参考电流iess，13. 蓄电池充放电的参考电流i*bat，14. 超级电容器充放电的参考电流i*sc，15.蓄电池储能的第一双向充放电变换器的控制信号PWMx和/PWMx，/PWMx是PWMx控制信号的电平逻辑取反，17. 超级电容器储能的第二双向充放电变换器的控制信号PWMy和/PWMy，/PWMy是PWMy控制信号的电平逻辑取反。
在图1中，第一双向充放电变换器由滤波电容C1、功率开关S1、S2、滤波电感 L2、滤波电容C2以及蓄电池组成。第二双向充放电变换器由滤波电容C4、功率开关S3、S4、滤波电感 L3、滤波电容C3以及超级电容器组成。
在图2中，蓄电池和超级电容器混合储能双向充放电变换器动作与否的软件流程主要包括：
步骤1：对公共直流电压Vdc采样；
步骤2：计算误差e=V*dc-Vdc；
步骤3：判断是否e>2% V*dc；若是，则只需步骤4；否则，只需步骤5；
步骤4：第一双向充放电变换器和第二双向充放电变换器都为放电状态，以及BOOST电路工作形式；
步骤5：判断e<-2%V*dc；若是，则执行步骤6；否则，执行步骤7；
步骤6：第一双向充放电变换器和第二双向充放电变换器不工作；
步骤7：第一双向充放电变换器和第二双向充放电变换器都为充电状态，以及BUCK电路工作形式。
在图3中，蓄电池和超级电容器的参考电流产生控制结构，包括依次连接的第一比较器、比例积分调节器、一阶低通滤波器和第二比较器；所述第一比较器的同相输入端用于输入信号，第一比较器的反相输入端用于输入信号，第一比较器的输出端与比例积分调节器的输入端连接。第二比较器的第一同相输入端与比例积分调节器和一阶低通滤波器的公共端iess连接，第二比较器的第二同相输入端与一阶低通滤波器的输出端连接，第二比较器的输出端用于输出信号。
在图4中，“根据误差e与0的关系确定功率开关的控制信号”表示“给定的公共直流母线电压值与实时反馈的公共直流母线电压值之差为电压误差，该电压误差与零比较，若电压误差大于0，则为充电状态，此时第一双向充放电变换器为 BUCK电路工作形式，该脉冲宽度调制波形PWMx作为功率开关S1的控制信号，对该脉冲宽度调制波形进行逻辑取反得到/PWMx，/PWMx作为功率开关S2的控制信号，完成蓄电池储能充电控制；若电压误差小于0，则为放电状态，此时第一双向充放电变换器为 BOOST电路工作形式，该脉冲宽度调制波形PWMx作为功率开关S2的控制信号，对该脉冲宽度调制波形进行逻辑取反得到/PWMx，/PWMx作为功率开关S1的控制信号，完成蓄电池储能放电控制。”
在图5中，“根据误差e与0的关系确定功率开关的控制信号”表示“给定的公共直流母线电压值与实时反馈的公共直流母线电压值之差为电压误差，该电压误差与零比较，若电压误差大于0，则为充电状态，此时第二双向充放电变换器为 BUCK电路工作形式，该脉冲宽度调制波形PWMy作为功率开关S3的控制信号，对该脉冲宽度调制波形进行逻辑取反得到/PWMy，/PWMy作为功率开关S4的控制信号，完成超级电容器储能充电控制；若电压误差小于0，则为放电状态，此时第二双向充放电变换器为 BOOST电路工作形式，该脉冲宽度调制波形PWMy作为功率开关S4的控制信号，对该脉冲宽度调制波形进行逻辑取反得到/PWMy，/PWMy作为功率开关S3的控制信号，完成超级电容器储能放电控制。”
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种蓄电池与超级电容器混合储能充放电电流控制方法，其特征在于，主要包括：
a、蓄电池和超级电容器分别通过各自的第一双向充放电变换器和第二双向充放电变换器连接到微电网的公共直流母线；
b、根据给定的公共直流母线电压值与实时反馈的公共直流母线电压值之差与预设稳压误差上限的大小关系，对储能系统进行动作，实现对公共直流母线电压的波动抑制。
2.根据权利要求1所述的蓄电池与超级电容器混合储能充放电电流控制方法，其特征在于，所述步骤b，具体包括：
b1、当给定的公共直流母线电压值与实时反馈的公共直流母线电压值之差大于预设稳压误差上限时，储能系统放电；
b2、当给定的公共直流母线电压值与实时反馈的公共直流母线电压值之差小于预设稳压误差下限时，储能系统充电；
b3、当给定的公共直流母线电压值与实时反馈的公共直流母线电压值之差处于稳压误差上限和下限之间时，储能系统停止进行充放电控制。
3.根据权利要求2所述的蓄电池与超级电容器混合储能充放电电流控制方法，其特征在于，所述步骤b1，具体包括：
蓄电池储能放电控制；
超级电容器储能放电控制；
通过上述蓄电池储能的第一双向充放电变换器和超级电容器储能的第二双向充放电变换器同时动作，实现对公共直流母线电压的波动抑制。
4.根据权利要求2所述的蓄电池与超级电容器混合储能充放电电流控制方法，其特征在于，所述蓄电池储能放电控制的操作，具体包括：
⑴对于蓄电池储能的第一双向充放电变换器，蓄电池充放电的参考电流减去第一双向充放电变换器的滤波电感电流，它们的差值通过经典比例积分调节器运算，得到第一双向充放电变换器的调制波，该调制波与三角载波相比，得到脉冲宽度调制波形；
⑵给定的公共直流母线电压值与实时反馈的公共直流母线电压值之差为电压误差，该电压误差与零比较：
若电压误差大于0，则为充电状态，此时第一双向充放电变换器为BUCK电路工作形式，该脉冲宽度调制波形作为功率开关S1的控制信号，对该脉冲宽度调制波形进行逻辑取反，作为功率开关S2的控制信号，完成蓄电池储能充电控制；
若电压误差小于0，则为放电状态，此时第一双向充放电变换器为BOOST电路工作形式，该脉冲宽度调制波形作为功率开关S2的控制信号，对该脉冲宽度调制波形进行逻辑取反，作为功率开关S1的控制信号，完成蓄电池储能放电控制。
5.根据权利要求2所述的蓄电池与超级电容器混合储能充放电电流控制方法，其特征在于，所述超级电容器储能放电控制的操作，具体包括：
⑴对于超级电容器储能的第二双向充放电变换器，超级电容器充放电的参考电流减去第二双向充放电变换器的滤波电感电流，它们的差值通过经典比例积分调节器运算，得到第二双向充放电变换器的调制波，该调制波与相同的三角载波相比，得到脉冲宽度调制波形；
⑵给定的公共直流母线电压值与实时反馈的公共直流母线电压值之差为电压误差，该电压误差与零比较：
若电压误差大于0，则为充电状态，此时第二双向充放电变换器为BUCK电路工作形式，该脉冲宽度调制波形作为功率开关S3的控制信号，对该脉冲宽度调制波形进行逻辑取反，作为功率开关S4的控制信号，完成超级电容器储能充电控制；
若电压误差小于0，则为放电状态，此时第二双向充放电变换器为BOOST电路工作形式，该脉冲宽度调制波形作为功率开关S4的控制信号，对该脉冲宽度调制波形进行逻辑取反，作为功率开关S3的控制信号，完成超级电容器储能放电控制。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的蓄电池与超级电容器混合储能充放电电流控制方法，其特征在于，在所述步骤a中，所述第一双向充放电变换器和第二双向充放电变换器是相同的电路结构，都是典型的非隔离型双向BUCK-BOOST变换器。
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