CN104993506A - 一种分布式发电系统的混合储能装置 - Google Patents

Abstract

通过建立混合储能系统的等效电路模型，分析混合储能系统的电流及功率输出，并根据分布式发电系统的稳定运行规则，从而制定分布式发电系统与混合储能装置协调运行的工作模式。

Description

一种分布式发电系统的混合储能装置

技术领域

本发明涉及一种分布式发电系统的能量存储的技术领域，具体的来说，是一种分布式发电系统的混合储能装置。

背景技术

蓄电池由于其功率密度小，放电过程中受化学反应离子扩散速度的影响，难以释放大的瞬时功率，大功率输出能力不足。

超级电容器作为新兴的能量储存器件，能够实现快速充放电，瞬间大电流输出能力强。与蓄电池相比，在功率密度、充电时间、使用寿命以及环境温度等方面具有很大的优势，超级电容器的能量密度比较低，无法保证长时间的持续供电。

因此，基于蓄电池或超级电容器作为分布式发电系统的储能装置均无法提供良好的供电保障。

驱动负载时，蓄电池功率密度小的缺点给系统带来了成本的大幅度提高、设备体积的增大和重量的增加，甚至引起供电可靠性的下降。超级电容器的优点是功率密度大、充放电速度快、储能效率高、循环寿命长，缺点是能量密度偏低，还不适宜于大容量的电力储能应用。

发明内容

基于现有技术的不足，本发明提供一种分布式发电系统的混合储能装置，分布式发电系统包含了分布式电源、混合储能系统、本地负荷、升降压变压器、交直流变流器等，其中，混合储能系统包括电池组和超级电容器。超级电容器与电池在技术性能上具有较强的互补性，如果将二者混合使用，使电池能量密度大与超级电容器功率密度大、充放电速度快、储能效率高，以及循环寿命长等特点相结合，将会给储能装置的性能带来很大的提高。

将电池的模型简化为理想电压源与等效内阻的串联结构，将超级电容器模型简化为理想电容器与等效内阻的串联结构，即为超级电容器电池的直接并联储能模型；

为混合储能系统的等效电压，为混合储能系统的等效阻抗，为电池组等效电压，为超级电容等效电压，为电池组等效内阻，为超级电容等效内阻，S为拉普拉斯算子，C为超级电容电容值；

电池支路的电流值为

超级电容器支路电流

为电池组支路的电流值，为超级电容器支路的电流值，为电流峰值，K=0,1,2…，T为电流的周期（即电流频率的倒数），是标准阶跃函数，D为占空；

混合储能系统输出的平均功率为

为电池的存储的总能量，为混合储能系统在时间段内能量损耗，是电池的总放电时间，为混合储能系统功率损耗的节约率；

分布式发电系统并入电网的有功功率为，风电经过逆变器逆变后接入直流母线，而光伏发电通过整流器整流后接入母线，分布式电源注入直流母线的功率为，本地负荷包括交流负荷和直流负荷，其消耗的功率为。储能电池和超级电容作为储能设备接入母线，各自发出的补偿功率分别为和，混合储能系统的功率为。那么直流母线有功功率平衡关系如下：

由于分布式发电能源发出的有功功率具有不稳定性，而且本地负荷也具有波动性，因此分布式发电系统向电力系统提供的并网有功功率具有波动性、随机性等特点，这就需要混合储能装置进行补偿，减少有功功率随机的波动，从而使得保持平滑。

储能电池和超级电容分别用于补偿／吸收低频和高频的有功功率波动，其响应特性为：

式中：x为BESS或UC。为传输时间常数。

荷电状态与储能设备充放电功率的关系如下：

式中：为储能设备初始容量，、分别为储能设备充放电效率，、分别为储能设备充放电功率，为储能设备的额定容量。

对于分布式供电的混合储能微电网，有效稳态运行的基本原则为：

①    微电网稳态运行时，分布式发电系统、超级电容储能系统、电池储能系统必须至少有一个为直流母线供电；

②    微电网稳态运行时,分布式发电系统、超级电容储能系统、电池储能系统有且只有一个处于直流母线恒压控制运行模式；

③    当分布式发电系统供电冗余时，超级电容储能系统与电池储能系统不能处于放电状态；

④    当分布式发电系统供电不足时，超级电容储能系统与电池储能系统不能处于充电状态；

⑤    超级电容储能系统与电池储能系统同时运行时，不允许一侧充电一侧放电；

⑥    分布式发电系统供电不足时，超级电容储能系统优先于电池储能系统投入供电；分布式发电系统供电充足时，电池储能系统优先于超级电容储能系统充电；

分布式发电系统与混合储能装置的工作模式可分为8种，具体的为：

工作模式1：当系统启动正常工作时，单向变换器工作在最大功率跟踪(MPPT)模式下，保证分布式发电系统输出最大功率。如果分布式发电功率小于负载功率要求，电池提供不足功率，通过控制双向变换器1高压侧的电压和电感电流，保证直流母线电压稳定。

工作模式2：单向变换器工作MPPT模式下，如果分布式发电功率大于负载功率要求，多余的能量向电池和超级电容器充电，双向变换器1工作在Boost模式下，保证直流母线电压稳定。

工作模式3：在工作模式1的情况下，如果检测到负载发生突变，双向变换器2启动工作在Boost模式下，为负载提供冲击功率，并控制其输出电压，保证直流母线电压的稳定。

工作模式4：在工作模式2的情况下，负载突变时，系统的充电电流减小，能量向反方向流动。

工作模式5：若果电池充电达到过充电压或者充电电流达到最大允许充电电流，单向变换器工作于恒压模式，控制其输出电压，保证直流母线电压的稳定，双向变换器1工作于Buck模式，给电池充电。

工作模式6：分布式发电系统无输出，单向变换器停止工作，双向变换器1工作在Boost模式，电池单独为负载供电，控制输出电压，保证母线电压稳定。

工作模式7：在工作模式6情况下，如果负载功率突变，启动超级电容器为负载放电，提供冲击功率。

工作模式8：超级电容器和电池放电时间过长，端电压达到过放电压时，三个变换器停止工作，系统停止运行，切断负载上的开关S。

另外，系统启动时首先检测分布式发电系统输出电压，大于设定值时，开关S开通接入负载，单向变换器开始工作；如果分布式发电系统输出功率较小，不能满足负载要求，而此时储能元件的端电压达到设定的过放电压时，整个系统将停止工作，对应于第8种工作模式。

从上述8种工作模式可以看出，单向变换器在MPPT模式、恒压工作模式和停止工作之间切换；而双向变换器在Buck模式、Boost模式和停止工作之间切换。

通过建立混合储能系统的等效电路模型，分析混合储能系统的电流及功率输出，并根据分布式发电系统的稳定运行规则，从而制定分布式发电系统与混合储能装置协调运行的工作模式。

附图说明

图1为混合储能系统中电池与超级电容分别输出的电路。

图2为混合储能系统并联输出的等效电路。

图3为带混合储能的分布式发电系统的结构图。

具体实施方式

一种分布式发电系统的混合储能装置，分布式发电系统包含了分布式电源、混合储能系统、本地负荷、升降压变压器、交直流变流器等，其中，混合储能系统包括电池组和超级电容器。超级电容器与电池在技术性能上具有较强的互补性，如果将二者混合使用，使电池能量密度大与超级电容器功率密度大、充放电速度快、储能效率高，以及循环寿命长等特点相结合，将会给储能装置的性能带来很大的提高。

将电池的模型简化为理想电压源与等效内阻的串联结构，将超级电容器模型简化为理想电容器与等效内阻的串联结构，即为超级电容器电池的直接并联储能模型；

为混合储能系统的等效电压，为混合储能系统的等效阻抗，为电池组等效电压，为超级电容等效电压，为电池组等效内阻，为超级电容等效内阻，S为拉普拉斯算子，C为超级电容电容值；

电池支路的电流值为

超级电容器支路电流

为电池组支路的电流值，为超级电容器支路的电流值，为电流峰值，K=0,1,2…，T为电流的周期（即电流频率的倒数），是标准阶跃函数，D为占空比；

混合储能系统输出的平均功率为

为电池的存储的总能量，为混合储能系统在时间段内能量损耗，是电池的总放电时间，为混合储能系统功率损耗的节约率；

分布式发电系统并入电网的有功功率为，风电经过逆变器逆变后接入直流母线，而光伏发电通过整流器整流后接入母线，分布式电源注入直流母线的功率为，本地负荷包括交流负荷和直流负荷，其消耗的功率为。储能电池和超级电容作为储能设备接入母线，各自发出的补偿功率分别为和，混合储能系统的功率为。那么直流母线有功功率平衡关系如下：

由于分布式发电能源发出的有功功率具有不稳定性，而且本地负荷也具有波动性，因此分布式发电系统向电力系统提供的并网有功功率具有波动性、随机性等特点，这就需要混合储能装置进行补偿，减少有功功率随机的波动，从而使得保持平滑。

储能电池和超级电容分别用于补偿／吸收低频和高频的有功功率波动，其响应特性为：

式中：x为BESS或UC。为传输时间常数。

荷电状态与储能设备充放电功率的关系如下：

式中：为储能设备初始容量，、分别为储能设备充放电效率，、分别为储能设备充放电功率，为储能设备的额定容量。

对于分布式供电的混合储能微电网，有效稳态运行的基本原则为：

①  微电网稳态运行时，分布式发电系统、超级电容储能系统、电池储能系统必须至少有一个为直流母线供电；

②    微电网稳态运行时,分布式发电系统、超级电容储能系统、电池储能系统有且只有一个处于直流母线恒压控制运行模式；

③    当分布式发电系统供电冗余时，超级电容储能系统与电池储能系统不能处于放电状态；

④    当分布式发电系统供电不足时，超级电容储能系统与电池储能系统不能处于充电状态；

⑤    超级电容储能系统与电池储能系统同时运行时，不允许一侧充电一侧放电；

⑥    分布式发电系统供电不足时，超级电容储能系统优先于电池储能系统投入供电；分布式发电系统供电充足时，电池储能系统优先于超级电容储能系统充电；

分布式发电系统与混合储能装置的工作模式可分为8种，具体的为：

工作模式1：当系统启动正常工作时，单向变换器工作在最大功率跟踪(MPPT)模式下，保证分布式发电系统输出最大功率。如果分布式发电功率小于负载功率要求，电池提供不足功率，通过控制双向变换器1高压侧的电压和电感电流，保证直流母线电压稳定，

工作模式2：单向变换器工作MPPT模式下，如果分布式发电功率大于负载功率要求，多余的能量向电池和超级电容器充电，双向变换器1工作在Boost模式下，保证直流母线电压稳定，

工作模式3：在工作模式1的情况下，如果检测到负载发生突变，双向变换器2启动工作在Boost模式下，为负载提供冲击功率，并控制其输出电压，保证直流母线电压的稳定，

工作模式4：在工作模式2的情况下，负载突变时，系统的充电电流减小，能量向反方向流动，

工作模式5：若果电池充电达到过充电压或者充电电流达到最大允许充电电流，单向变换器工作于恒压模式，控制其输出电压，保证直流母线电压的稳定，双向变换器1工作于Buck模式，给电池充电，

工作模式6：分布式发电系统无输出，单向变换器停止工作，双向变换器1工作在Boost模式，电池单独为负载供电，控制输出电压，保证母线电压稳定，

工作模式7：在工作模式6情况下，如果负载功率突变，启动超级电容器为负载放电，提供冲击功率，

工作模式8：超级电容器和电池放电时间过长，端电压达到过放电压时，三个变换器停止工作，系统停止运行，切断负载上的开关S，

另外，系统启动时首先检测分布式发电系统输出电压，大于设定值时，开关S开通接入负载，单向变换器开始工作；如果分布式发电系统输出功率较小，不能满足负载要求，而此时储能元件的端电压达到设定的过放电压时，整个系统将停止工作，对应于第8种工作模式。

从上述8种工作模式可以看出，单向变换器在MPPT模式、恒压工作模式和停止工作之间切换；而双向变换器在Buck模式、Boost模式和停止工作之间切换。

通过建立混合储能系统的等效电路模型，分析混合储能系统的电流及功率输出，并根据分布式发电系统的稳定运行规则，从而制定分布式发电系统与混合储能装置协调运行的工作模式。

以上所述仅为本发明的优选并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种分布式发电系统的混合储能装置，其特征在于，分布式发电系统包括分布式电源、混合储能系统、本地负荷、升降压变压器、交直流变流器，其中，混合储能系统包括电池组和超级电容器。

2.如权利要求1所述的分布式发电系统的混合储能装置，其特征在于，将电池的模型简化为理想电压源与等效内阻的串联结构，将超级电容器模型简化为理想电容器与等效内阻的串联结构，即为超级电容器电池的直接并联储能模型；

为混合储能系统的等效电压，为混合储能系统的等效阻抗，为电池组等效电压，为超级电容等效电压，为电池组等效内阻，为超级电容等效内阻，S为拉普拉斯算子，C为超级电容电容值。

3.如权利要求2所述的分布式发电系统的混合储能装置，其特征在于，电池支路的电流值为

超级电容器支路电流：

为电池组支路的电流值，为超级电容器支路的电流值，为电流峰值，K=0,1,2…，T为电流的周期，是标准阶跃函数，D为占空比；

混合储能系统输出的平均功率为

为电池的存储的总能量，为混合储能系统在时间段内能量损耗，是电池的总放电时间，为混合储能系统功率损耗的节约率。

4.如权利要求3所述的分布式发电系统的混合储能装置，其特征在于，分布式发电系统并入电网的有功功率为，风电经过逆变器逆变后接入直流母线，而光伏发电通过整流器整流后接入母线，分布式电源注入直流母线的功率为，本地负荷包括交流负荷和直流负荷，其消耗的功率为，储能电池和超级电容作为储能设备接入母线，各自发出的补偿功率分别为和，混合储能系统的功率为，直流母线有功功率平衡关系为：

储能电池和超级电容分别用于补偿／吸收低频和高频的有功功率波动，其响应特性为：

式中：x为BESS或UC，为传输时间常数；

荷电状态与储能设备充放电功率的关系如下：

式中：为储能设备初始容量，、分别为储能设备充放电效率，、分别为储能设备充放电功率，为储能设备的额定容量。

5.如权利要求4所述的分布式发电系统的混合储能装置，其特征在于，分布式供电的混合储能微电网稳态运行的原则为：

微电网稳态运行时，分布式发电系统、超级电容储能系统、电池储能系统必须至少有一个为直流母线供电；

微电网稳态运行时,分布式发电系统、超级电容储能系统、电池储能系统有且只有一个处于直流母线恒压控制运行模式；

当分布式发电系统供电冗余时，超级电容储能系统与电池储能系统不能处于放电状态；

当分布式发电系统供电不足时，超级电容储能系统与电池储能系统不能处于充电状态；

超级电容储能系统与电池储能系统同时运行时，不允许一侧充电一侧放电；

分布式发电系统供电不足时，超级电容储能系统优先于电池储能系统投入供电；分布式发电系统供电充足时，电池储能系统优先于超级电容储能系统充电。

6.如权利要求5所述的分布式发电系统的混合储能装置，其特征在于，分布式发电系统与混合储能装置的工作模式分为8种，具体的为：

工作模式1：当系统启动正常工作时，单向变换器工作在最大功率跟踪模式下，保证分布式发电系统输出最大功率，如果分布式发电功率小于负载功率要求，电池提供不足功率，通过控制第一双向变换器高压侧的电压和电感电流，保证直流母线电压稳定；

工作模式2：单向变换器工作在最大功率跟踪模式下，如果分布式发电功率大于负载功率要求，多余的能量向电池和超级电容器充电，第一双向变换器工作在Boost模式下，保证直流母线电压稳定；

工作模式3：在工作模式1的情况下，如果检测到负载发生突变，第二双向变换器启动工作在Boost模式下，为负载提供冲击功率，并控制其输出电压，保证直流母线电压的稳定；

工作模式4：在工作模式2的情况下，负载突变时，系统的充电电流减小，能量向反方向流动；

工作模式5：若果电池充电达到过充电压或者充电电流达到最大允许充电电流，单向变换器工作于恒压模式，控制其输出电压，保证直流母线电压的稳定，第一双向变换器工作于Buck模式，给电池充电；

工作模式6：分布式发电系统无输出，单向变换器停止工作，第一双向变换器工作在Boost模式，电池单独为负载供电，控制输出电压，保证母线电压稳定；

工作模式7：在工作模式6情况下，如果负载功率突变，启动超级电容器为负载放电，提供冲击功率；

工作模式8：超级电容器和电池放电时间过长，端电压达到过放电压时，三个变换器停止工作，系统停止运行，切断负载上的开关；

系统启动时首先检测分布式发电系统输出电压，大于设定值时，开关开通接入负载，单向变换器开始工作；如果分布式发电系统输出功率不能满足负载要求，而此时储能元件的端电压达到设定的过放电压时，整个系统将停止工作，对应于第8种工作模式。