CN104377718B - 一种有源并联式混合储能系统及其工作方法 - Google Patents

一种有源并联式混合储能系统及其工作方法 Download PDF

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Abstract

一种有源并联式混合储能系统，其特征在于它包括蓄电池储能单元、超级电容储能单元、双向功率流变换器单元、DSP控制单元以及储能并网变流器单元；其工作方法包括：整流；变换分配；能量吸收；DSP控制分配；其优越性在于：快速、精确的实时调节风电场输出的波动功率；高功率密度、高能量密度、长循环寿命；能量精确分配；提高了该控制系统的可靠性。

Description

一种有源并联式混合储能系统及其工作方法
(一)技术领域：
本发明属于电力电子技术以及电力系统储能技术的交叉领域，特别是一种有源并联式混合储能系统及其工作方法。
(二)背景技术：
近年来，随着传统能源的急剧消耗以及对环境污染的加剧，新能源产业得到极大关注和大力支持。风能作为最廉价的能源之一，风力发电得到了广泛的应用。然而，自然风受海拔、气候、温度、地形等多种自然因素的影响具很强的不可控性、波动性和间歇性，且难以进行准确预测和大量存储。为了最大效率的利用风能资源，目前风电机组普遍运行于最大风能捕获模式,风电机组实时输出功率的大小取决于实时风速的大小，即"以风定电"。在这种模式下，受风速变化的影响，风电机组的实时出力具有很强的随机性、波动性。
随着风电场出力在电力系统中所占比例的增加，风电功率的波动性、间歇性以及不可控性会破坏电网原有的功率/能量平衡,进而给电网在规划建设、运行调度和电能质量等方面带来巨大挑战。
在并网风电场中配置适量的储能系统，对风电场的输出功率进行调节，可提高风电场出力的可控性，使得风电场成为灵活可控的电源。当风电场出力较大，但电网负荷较低时，由储能系统对风电场的输出功率进行长时间、大容量的能量存储；待电网负荷达到峰值且对风电场的出力需求增加时，储能系统将已存储的能量向电网输出，供用户使用。
众所周知，储能元件本身并不具备主动与风电场进行精确功率交换的能力，需要加入充放电控制器，对储能元件的充放电功率进行精确控制。当前单一的储能装置不能完全满足工程的要求。将不同的储能方式进行有机组合，使不同储能方式的储能特性得以互补，可以提高储能系统的整体性能，同时降低储能系统的投资、运行成本。
(三)发明内容：
本发明的目的在于提供一种有源并联式混合储能系统及其工作方法，它可以克服现有技术的不足，是一种结构简单、稳定性好、可控性强的混合储能系统
本发明的技术方案：一种有源并联式混合储能系统，其特征在于它包括蓄电池储能单元、超级电容储能单元、双向功率流变换器单元、DSP控制单元以及储能并网变流器单元；其中，所述储能并网变流器单元的交流侧与电网直接连接，其直流侧与双向功率流变换器单元连接；所述双向功率流变换器单元分别与蓄电池储能单元和超级电容储能单元连接；所述DSP控制单元的输入端采集电网风机电源侧电压信号和电流信号，且同时其输入端分别与蓄电池储能单元、双向功率流变换器单元的输出端连接；其输出端分别与双向功率流变换器单元的输入端和储能并网变流器单元的输入端连接。
所述双向功率流变换器单元是由双向功率流Cuk变换器A和双向功率流Cuk变换器B构成；其中所述双向功率流Cuk变换器A一侧与储能并网整流逆变器单元连接，另一侧分别与双向功率流Cuk变换器B及超级电容储能单元连接；所述双向功率流Cuk变换器B的另一侧与蓄电池储能单元连接。
所述储能并网整流逆变器单元由可控整流电路组成；所述可控整流电路由可关断晶闸管或者绝缘栅双极型晶闸管类的大功率电力电子器件与二极管并联构成三相整流桥式电路；其直流侧与双向功率流Cuk变换器A相连，交流侧与电网中风机的输出端连接。
所述双向功率流Cuk变换器A和双向功率流Cuk变换器B分别是由电容C1、电感L1、三极管G1、二极管D1、电容C2、二极管D2、三极管G2、电感L2和电容C3构成；其中，所述三极管G1和三极管G2呈反相连接；所述电容C2连接于三极管G1的集电极和三极管G2的集电极之间；所述二极管D1并联在三极管G1的集电极和发射极之间；所述电感L1一端连接三极管G1的集电极，另一端与储能并网整流逆变器单元的直流输出端E1连接；所述电容C1并联在电感L1和三极管G1两端；所述二极管D2并联在三极管G2的集电极和发射极之间；所述电感L2一端连接三极管G2的集电极，另一端与储能单元的直流输出端E2连接；所述电容C3并联在电感L2和三极管G2两端。
所述DSP控制单元是控制双向功率流变换器单元以及储能并网整流逆变器单元的核心，是由TMS320F28335控制芯片、驱动电路和采样电路组成；所述采样电路的输入端采集电网交流侧三相电压、电流信号以及双向功率流变换器单元的输入端电压电流信号；所述驱动电路通过接受TMS320F28335控制芯片的驱动命令控制双向功率流变换器单元以及储能并网整流逆变器单元中电力电子开关器件的导通与关断。
所述DSP控制单元由电源转换芯片TPS767D318为其供电。
一种有源并联式混合储能系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：
①当风电场发出的功率高于电网所需功率时，储能并网变流器单元开始工作，并处于整流状态；
②分别由双向功率流Cuk变换器A和双向功率流Cuk变换器B对多出的电能进行分配；
③由超级电容器储能单元吸收电能中的高频能量，而蓄电池储能单元则吸收低频能量；
④当DSP控制单元检测到风电场发出的功率高出设定值时，DSP控制单元控制变流电路使之处于整流状态，同时检测双向功率流Cuk变换器(A)、双向功率流Cuk变换器(B)的电感电流ILA、ILB以及蓄电池组端电压Ubat、超级电容器组端电压Ucap，控制两个双向功率流Cuk变换器对过多的电能进行分配；超级电容器吸收高频能量，而蓄电池吸收低频能量。
所述步骤④中DSP控制器控制变流电路和双向功率流Cuk变换器的方法由以下步骤构成：
(1)启动模数转换信号；
(2)对控制器进行初始化；
(3)对交流侧和直流侧以及超级电容和蓄电池的电压、电流通过传感器采样；
(4)将采样结果保存到相应的寄存器中；⑤对采样结果进行计算，然后将控制信号传输到相应的元件中，对变流电路和双向功率流Cuk变换器进行控制。
本发明的工作原理：在有源并联式混合储能系统(APHESS)中,双向功率流Cuk变换器(A)承担的任务为：精确控制APHESS充放电总功率Pwhole的大小及方向。当风电场实时输出功率Preal小于发电指令目标Pref时,双向功率流Cuk变换器(A)控制APHESS以功率Pwhole＝Pref-Preal释放能量,补偿风电场输出功率的不足；当Preal大于Pref时,双向功率流Cuk变换器(A)控制APHESS以功率Pwhole＝Preal-Pref从风电场中吸收能量,并进行储存。通过双向功率流Cuk变换器(A)的控制,使得APHESS的吞吐功率能够满足实时调节风电场输出的随机、无规则波动功率的需求。在APHESS中,双向功率流Cuk变换器(B)承担的任务为:精确调节蓄电池充放电功率Pbat的大小及方向。通过双向功率流Cuk变换器(B)可对蓄电池的充放电过程进行精确控制,有利于延长蓄电池的使用寿命。
在APHESS进行功率吞吐的过程中,超级电容器起到功率/能量缓冲器的作用。因此,双向功率流Cuk变换器(A)与双向功率流Cuk变换器(B)可以实现解耦控制,进而独立完成各自的控制目标。超级电容器充放电功率的大小|Pcap|为储能系统充放电总功率与蓄电池充放电功率之间的差值。
|Pcap|＝||Pwhole|-|Pbat||
由上式可见,在Pwhole—定时,通过双向功率流Cuk变换器(B)控制|Pbat|,可以实现|Pcap|的精确可控。即,通过双向功率流Cuk变换器(B)对蓄电池充放电功率的控制,可以实现APHESS的充放电总功率在蓄电池和超级电容器间的灵活分配。APHESS的结构组成为蓄电池和超级电容器发挥各自的储能优势,分别调节Pwave中的稳态波动功率Psteady和尖峰波动功率Ppeak奠定了基础。
此外，G1和G2是反相的中间连接储能电容C2。另外，G1与D1反相并联。同样G2与D2反相并联。其中，L1与L2和C1与C3用来平稳电压电流，过滤电压和电流的谐波。E1表示为接整流电路的直流侧，E2表示接储能装置。
双向功率流Cuk变换器(见图3)的输入输出电流方向可以使正，也可以是负。其特点是：输出输入电流没有脉动、电压可以再0与∞之间变化、开关晶体管发射集接地。
本发明的优越性在于：①储能电池与超级电容器有机结合，通过快速、精确的功率吞吐实时调节风电场输出的波动功率；②通过对蓄电池和超级电容器所承担功率调节任务的合理分配，是储能系统具有高功率密度、高能量密度、长循环寿命的特性；③通过两个双向功率流Cuk变换器，对能量进行精确分配；④利用计算机高速的数据计算和数据处理能力，大大提高了该控制系统的可靠性。
(四)附图说明：
图1为本发明所涉一种有源并联式混合储能系统的总体结构示意图。
图2为本发明所涉一种有源并联式混合储能系统中储能并网变流器的电路结构示意图。
图3为本发明所涉一种有源并联式混合储能系统中双向功率流Cuk变换器A和双向功率流Cuk变换器B的电路结构示意图。
图4为本发明所涉一种有源并联式混合储能系统工作方法的结构流程示意图。
(五)具体实施方式：
实施例：一种有源并联式混合储能系统(见图1)，其特征在于它包括蓄电池储能单元、超级电容储能单元、双向功率流变换器单元、DSP控制单元以及储能并网变流器单元；其中，所述储能并网变流器单元的交流侧与电网直接连接，其直流侧与双向功率流变换器单元连接；所述双向功率流变换器单元分别与蓄电池储能单元和超级电容储能单元连接；所述DSP控制单元的输入端采集电网风机电源侧电压信号和电流信号，且同时其输入端分别与蓄电池储能单元、双向功率流变换器单元的输出端连接；其输出端分别与双向功率流变换器单元的输入端和储能并网变流器单元的输入端连接。
所述双向功率流变换器单元是由双向功率流Cuk变换器A和双向功率流Cuk变换器B构成；其中所述双向功率流Cuk变换器A一侧与储能并网整流逆变器单元连接，另一侧分别与双向功率流Cuk变换器B及超级电容储能单元连接；所述双向功率流Cuk变换器B的另一侧与蓄电池储能单元连接。
所述储能并网整流逆变器单元(见图2)由可控整流电路组成；所述可控整流电路由可关断晶闸管或者绝缘栅双极型晶闸管类的大功率电力电子器件与二极管并联构成三相整流桥式电路；其直流侧与双向功率流Cuk变换器A相连，交流侧与电网中风机的输出端连接。
所述双向功率流Cuk变换器A和双向功率流Cuk变换器B分别是由电容C1、电感L1、三极管G1、二极管D1、电容C2、二极管D2、三极管G2、电感L2和电容C3构成(见图3)；其中，所述三极管G1和三极管G2呈反相连接；所述电容C2连接于三极管G1的集电极和三极管G2的集电极之间；所述二极管D1并联在三极管G1的集电极和发射极之间；所述电感L1一端连接三极管G1的集电极，另一端与储能并网整流逆变器单元的直流输出端E1连接；所述电容C1并联在电感L1和三极管G1两端；所述二极管D2并联在三极管G2的集电极和发射极之间；所述电感L2一端连接三极管G2的集电极，另一端与储能单元的直流输出端E2连接；所述电容C3并联在电感L2和三极管G2两端。
所述DSP控制单元是控制双向功率流变换器单元以及储能并网整流逆变器单元的核心，是由TMS320F28335控制芯片、驱动电路和采样电路组成；所述采样电路的输入端采集电网交流侧三相电压、电流信号以及双向功率流变换器单元的输入端电压电流信号；所述驱动电路通过接受TMS320F28335控制芯片的驱动命令控制双向功率流变换器单元以及储能并网整流逆变器单元中电力电子开关器件的导通与关断。
所述DSP控制单元由电源转换芯片TPS767D318为其供电。
一种有源并联式混合储能系统的工作方法(见图4)，其特征在于它包括以下步骤：
①当风电场发出的功率高于电网所需功率时，储能并网变流器单元开始工作，并处于整流状态；
②分别由双向功率流Cuk变换器A和双向功率流Cuk变换器B对多出的电能进行分配；
③由超级电容器储能单元吸收电能中的高频能量，而蓄电池储能单元则吸收低频能量；
④当DSP控制单元检测到风电场发出的功率高出设定值时，DSP控制单元控制变流电路使之处于整流状态，同时检测双向功率流Cuk变换器(A)、双向功率流Cuk变换器(B)的电感电流ILA、ILB以及蓄电池组端电压Ubat、超级电容器组端电压Ucap，控制两个双向功率流Cuk变换器对过多的电能进行分配；超级电容器吸收高频能量，而蓄电池吸收低频能量。
所述步骤④中DSP控制器控制变流电路和双向功率流Cuk变换器的方法由以下步骤构成：
(1)启动模数转换信号；
(2)对控制器进行初始化；
(3)对交流侧和直流侧以及超级电容和蓄电池的电压、电流通过传感器采样；
(4)将采样结果保存到相应的寄存器中；⑤对采样结果进行计算，然后将控制信号传输到相应的元件中，对变流电路和双向功率流Cuk变换器进行控制。

Claims (7)

1.一种有源并联式混合储能系统，其特征在于它包括蓄电池储能单元、超级电容储能单元、双向功率流变换器单元、DSP控制单元以及储能并网变流器单元；其中，所述储能并网变流器单元的交流侧与电网直接连接，其直流侧与双向功率流变换器单元连接；所述双向功率流变换器单元分别与蓄电池储能单元和超级电容储能单元连接；所述DSP控制单元的输入端采集电网风机电源侧电压信号和电流信号，且同时其输入端分别与蓄电池储能单元、双向功率流变换器单元的输出端连接；其输出端分别与双向功率流变换器单元的输入端和储能并网变流器单元的输入端连接；所述双向功率流变换器单元是由双向功率流Cuk变换器A和双向功率流Cuk变换器B构成；其中所述双向功率流Cuk变换器A一侧与储能并网整流逆变器单元连接，另一侧分别与双向功率流Cuk变换器B及超级电容储能单元连接；所述双向功率流Cuk变换器B的另一侧与蓄电池储能单元连接。
2.根据权利要求1所述一种有源并联式混合储能系统，其特征在于所述双向功率流Cuk变换器A和双向功率流Cuk变换器B分别是由电容C1、电感L1、三极管G1、二极管D1、电容C2、二极管D2、三极管G2、电感L2和电容C3构成；其中，所述三极管G1和三极管G2呈反相连接；所述电容C2连接于三极管G1的集电极和三极管G2的集电极之间；所述二极管D1并联在三极管G1的集电极和发射极之间；所述电感L1一端连接三极管G1的集电极，另一端与储能并网整流逆变器单元的直流输出端E1连接；所述电容C1并联在电感L1和三极管G1两端；所述二极管D2并联在三极管G2的集电极和发射极之间；所述电感L2一端连接三极管G2的集电极，另一端与储能单元的直流输出端E2连接；所述电容C3并联在电感L2和三极管G2两端。
3.根据权利要求1所述一种有源并联式混合储能系统，其特征在于所述储能并网变流器单元由可控整流电路组成；所述可控整流电路由可关断晶闸管或者绝缘栅双极型晶闸管类的大功率电力电子器件与二极管并联构成三相整流桥式电路；其直流侧与双向功率流Cuk变换器A相连，交流侧与电网中风机的输出端连接。
4.根据权利要求1所述一种有源并联式混合储能系统，其特征在于所述DSP控制单元是控制双向功率流变换器单元以及储能并网整流逆变器单元的核心，是由TMS320F28335控制芯片、驱动电路和采样电路组成；所述采样电路的输入端采集电网交流侧三相电压、电流信号以及双向功率流变换器单元的输入端电压电流信号；所述驱动电路通过接受TMS320F28335控制芯片的驱动命令控制双向功率流变换器单元以及储能并网整流逆变器单元中电力电子开关器件的导通与关断。
5.根据权利要求4所述一种有源并联式混合储能系统，其特征在于所述DSP控制单元由电源转换芯片TPS767D318为其供电。
6.一种权利要求1所述有源并联式混合储能系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：
①当风电场发出的功率高于电网所需功率时，储能并网变流器单元开始工作，并处于整流状态；
②分别由双向功率流Cuk变换器A和双向功率流Cuk变换器B对多出的电能进行分配；
③由超级电容器储能单元吸收电能中的高频能量，而蓄电池储能单元则吸收低频能量；
④当DSP控制单元检测到风电场发出的功率高出设定值时，DSP控制单元控制变流电路使之处于整流状态，同时检测双向功率流Cuk变换器A、双向功率流Cuk变换器B的电感电流ILA、ILB以及蓄电池组端电压Ubat、超级电容器组端电压Ucap，控制两个双向功率流Cuk变换器对过多的电能进行分配；超级电容器吸收高频能量，而蓄电池吸收低频能量。
7.根据权利要求6所述一种有源并联式混合储能系统的工作方法，其特征在于所述步骤④中DSP控制器控制变流电路和双向功率流Cuk变换器的方法由以下步骤构成：
(1)启动模数转换信号；
(2)对控制器进行初始化；
(3)对交流侧和直流侧以及超级电容和蓄电池的电压、电流通过传感器采样；
(4)将采样结果保存到相应的寄存器中；
(5)对采样结果进行计算，然后将控制信号传输到相应的元件中，对变流电路和双向功率流Cuk变换器进行控制。
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