CN105186673A - 基于滑动平均滤波的多储能型太阳能充电站 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于滑动平均滤波的多储能型太阳能充电站，它包括一直流母线、光伏发电单元、储能单元、电容器、能量管理单元和充电负载，光伏发电单元通过第一单向DC/DC变换器连接于直流母线，储能单元和电容器分别通过第一双向DC/DC变换器和第二双向DC/DC变换器连接于直流母线，充电负载通过第二单向DC/DC变换器连接于直流母线，将直流母线上的负荷功率P0通过滑动平均滤波法分为平滑部分作为储能单元的功率给定值Pb和波动高频部分作为电容器的功率给定值Ps，通过调节滤波窗口T来调节Pb和Ps之间配比，实现储能负荷在电容器和储能单元之间的科学合理分配，维持直流母线电压的稳定，保证该充电站的供电质量，延长储能单元的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及多储能型太阳能直流充电站系统，尤其涉及一种基于滑动平均滤波的多储能型太阳能充电站。
背景技术
太阳能作为国家重点支持的可再生能源，具有清洁，分布范围广等优点，只要有光照的地方，均可建设光伏发电系统进行供电，有着矿物能源不可比拟的优越性，是最绿色、最环保也是目前最值得推广应用的。
随着电动汽车的普及和保有量的增加，电动汽车产业已经成为当前我国汽车产业发展新的增长点。虽然说电动汽车是清洁环保的，但实际只是转移了污染，其所用的电还是通过大型火电厂的烧煤得到的，实际只是转移了污染，而太阳能才是真正的清洁无污染能源。两者的真正结合必将推动了电动汽车充电站与储能电站的建设。
直流微电网是将多个分布式电源通过DC/DC直流变换器并联在一起，形成直流母线。直流微电网能够整合不同的新能源，尤其是太阳能，极好地适应了新能源的自然分布结构与分散的电力负荷需求，相比建造和升级传统集中式大电网所需的投资要小很多。为了保证直流微电网的供电稳定和供电质量，以及供电寿命，需保证直流母线电压的稳定，以及合理分配直流微电网中各储能单元之间的能量分配，因此找到一种能够快速有效地维稳直流母线电压以及合理分配储能能量的方法非常重要。
发明内容
本发明提供了一种基于滑动平均滤波的多储能型太阳能充电站，其克服了背景技术中所述的现有技术的不足。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
基于滑动平均滤波的多储能型太阳能充电站，包括一直流母线、光伏发电单元、储能单元、电容器、能量管理单元和充电负载，所述光伏发电单元通过第一单向DC/DC变换器连接于直流母线，所述储能单元和电容器分别通过第一双向DC/DC变换器和第二双向DC/DC变换器连接于直流母线，所述充电负载通过第二单向DC/DC变换器连接于直流母线，所述能量管理单元包括主控模块和设于该充电站系统的各单元中并对各单元的运行状态进行监测的运行监测模块，所述运行监测模块与主控模块通信连接并能将其采集、分析获得的数据上传至主控模块，所述主控模块根据该数据控制所述光伏发电单元、储能单元、电容器按照设定的供电逻辑运行并保持母线电压的稳定；
所述储能单元与电容器之间通过滑动平均滤波法进行协调分配各自的储能负荷，以保持直流母线电压的稳定，设具有长度可调节的滑动平均滤波窗口T，通过调节滤波窗口T的大小来调节滑动平均滤波的滤波效果；设直流母线上的负荷功率为P0，P0通过滑动平均滤波后得到的储能单元的功率给定值为Pb，则电容器的功率给定值为Ps＝P0-Pb；
当获得电容器的储能负荷W大于设定值W1时，认为电容器的储能负荷偏高，此时，若储能单元处于放电状态时，则增大滤波窗口T，若储能单元处于充电状态时，则减小滤波窗口T；
当获得电容器的储能负荷W小于设定值W0时，认为电容器的储能负荷偏低，此时，若储能单元处于放电状态时，则减小滤波窗口T；若储能单元处于充电状态时，则增大滤波窗口T；
当获得电容器的储能负荷W大于设定值W0且小于设定值W1时，认为电容器和储能单元的储能负荷配比合理，保持滤波窗口T不变。
一实施例之中：储能单元负荷的标准值Pb＝kATP1，式中：Pb为储能单元的功率给定值，k为补偿系数，ATP1为滤波窗口T的滑动平均函数；
当获得电容器的储能负荷W大于设定值W1时，认为电容器的储能负荷偏高，此时，若储能单元处于放电状态时，则降低储能单元的功率给定值，即减小补偿系数K,若储能单元处于充电状态时，则应增大储能单元的功率给定值，即增大补偿系数k；
当获得电容器的储能负荷W小于设定值W0时，认为电容器的储能负荷偏低，此时，若储能单元处于放电状态时，则增大储能单元的功率给定值，即增大补偿系数K，若储能单元处于充电状态时，则应减小储能单元的功率给定值，即减小补偿系数k；
当获得电容器的储能负荷W大于设定值W0且小于设定值W1时，则保持补偿系数k不变。
通过补偿系数k和滤波窗口T的配合调整，实现直流母线上的负荷功率P0在储能单元和电容器之间的合理分配。
一实施例之中：所述储能单元为蓄电池。
一实施例之中：所述第一单向DC/DC变换器设有MPPT控制器。
一实施例之中：所述充电负载包括电动汽车。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
1、本发明将直流母线上的负荷功率P0通过滑动平均滤波法分为平滑部分作为储能单元的功率给定值Pb和波动高频部分作为电容器的功率给定值Ps，由于储能单元的负荷进出功率变化缓慢，因此承担该平滑部分，电容器则承担该波动高频部分，通过调节该滑动平均滤波的滤波窗口T来调节Pb和Ps之间配比，实现储能负荷在电容器和储能单元之间的科学合理分配，维持直流母线电压的稳定，保证该充电站的供电质量以及延长储能单元的使用寿命。
2、通过结合调节储能单元的补偿系数，进一步快速准确地对电容器和储能单元之间的储能负荷进行合理分配，维持直流母线电压的稳定，保证该充电站系统的供电质量以及延长储能单元的使用寿命。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1绘示了本发明所述的太阳能充电站的控制系统框图。
图2绘示了本发明所述的太阳能充电站的电路连接框图。
图3绘示了本发明所述的基于滑动平均滤波后储能负荷的能量流向图。
具体实施方式
请查阅图1和图2，基于滑动平均滤波的多储能型太阳能充电站，它包括一直流母线10、光伏发电单元20、储能单元30、电容器40、能量管理单元50和充电负载60，光伏发电单元20通过第一单向DC/DC变换器1连接于直流母线10，储能单元30和电容器40分别通过第一双向DC/DC变换器2和第二双向DC/DC变换器3连接于直流母线10，充电负载60通过第二单向DC/DC变换器4连接于直流母线10，能量管理单元50包括主控模块和设于该充电站系统的各单元中并对各单元的运行状态进行监测的运行监测模块，运行监测模块与主控模块通信连接并能将其采集、分析获得的数据上传至主控模块，所述主控模块根据该数据控制所述光伏发电单元20、储能单元30、电容器40按照设定的供电逻辑运行并保持直流母线电压的稳定。
本实施例中，所述储能单元30为蓄电池。所述电容器40为超级电容器。所述充电负载60包括电动汽车。
该光伏发电单元10可以固定在屋顶、车棚和地面等。该光伏发电单元10包括太阳能电池板，太阳能电池板铺设角度选择朝南方向向下倾斜一定角度，倾斜角度一般在10-30度，具体角度可参照当地的纬度确定，因地制宜。太阳能电池板可选择多晶硅、单晶硅、非晶硅、各种薄膜、有机、染料敏化、钙钛矿、三五族、聚光型等类型。
该第一单向DC/DC变换器1设有MPPT控制器。通过MPPT控制器来实现光伏发电单元最大功率工作点的钳位，能够有效提高光伏发电单元20的能源转换效率。
该第一双向DC/DC变换器2和第二双向DC/DC变换器3是双向Buck-Boost直流变换电路，是电流可反向的两象限直流变换器，储能单元30与电容器40之间可通过直流母线10双向流动。
光伏发电单元20发出的电能具有随机性和间歇性的特点，这种特点对于直流负载充电安全、稳定性、电能质量等多方面造成冲击和影响。如果采用储能单元30和电容器40相结合，即本实施例中采用蓄电池和超级电容器相结合的方式，而不是单一的蓄电池作为储能装置，这样能够使直流母线10的输出功率更加平稳，降低对直流充电负载60的冲击，是抑制间歇性电源发电功率间歇性和随机性的有效手段。其中超级电容发挥其优势，可以大幅度提高蓄电池和超级电容器的峰值功率输出和输入能力，降低内部损耗，增加蓄电池的放电时间，减少蓄电池的安装容量。通过将储能单元30与电容器40相结合储能的方式应用于本发明的充电站系统中，具有较大技术经济优势，能够抑制光伏发电单元20的输出功率波动，降低储能单元30的放电深度，使储能单元30的充放电电压、电流更加平稳，有效延长储能单元的使用寿命，从而提高光伏充电站系统的能量转换效率。
由于储能单元30的功率变化缓慢，相当于承担负荷功率的平滑部分，降低频繁充放电造成的小循环充放电现象，改善储能单元的充放电过程，延长储能单元30的使用寿命，而电容器40的功率变化快，则承担着负荷功率的波动高频部分，可以充分发挥电容器40功率输出能力强、循环寿命长、响应速度快等优势。
请查阅图3，本发明将连接于直流母线10上的储能单元30与电容器40之间通过滑动平均滤波法进行协调分配各自的储能负荷，以保持直流母线10电压的稳定，设具有长度可调节的滑动平均滤波窗口T，通过调节滤波窗口T的大小来调节滑动平均滤波的滤波效果；设直流母线上的负荷功率为P0，P0通过滑动平均滤波后得到的储能单元的功率给定值为Pb，则电容器的功率给定值为Ps＝P0-Pb。滤波窗口T越大，滑动平均滤波的通带带宽越窄，则P0经过滑动平均滤波后得到的Pb与P0的一致性越强。
储能单元充放电过程中，P0的功率流动方向是相反的，当获得电容器40的储能负荷W大于设定值W1时，认为电容器40的储能负荷偏高，此时，若储能单元30处于放电状态时，希望电容器40多分担点放电负荷，则增大滤波窗口T，若储能单元30处于充电状态时，P0的方向相反，则减小滤波窗口T，即电容器40少吸收功率负荷，储能单元多充电；
当获得电容器40的储能负荷W小于设定值W0时，认为电容器40的储能负荷偏低，此时，若储能单元30处于放电状态时，希望电容器40少放电，则减小滤波窗口T；若储能单元30处于充电状态时，P0的方向相反，则增大滤波窗口T，即电容器40多吸收功率负荷，储能单元少充点；
当获得电容器40的储能负荷W大于设定值W0且小于设定值W1时，认为电容器40和储能单元30的储能负荷配比合理，保持滤波窗口T不变。
即通过调节滤波窗口T的大小可以达到对P0在储能单元30中和电容器40中的合理分配。考虑到电容器40的充电需求以及储能单元30和电容器40的工作损耗，还需要引入电容器补偿控制，使储能单元承担损耗。
令储能单元30负荷的标准值Pb＝kATP1，式中：Pb为储能单元的功率给定值，k为补偿系数，ATP1为滤波窗口T的滑动平均函数；
当获得电容器40的储能负荷W大于设定值W1时，认为电容器40的储能负荷偏高，此时，若储能单元30处于放电状态时，则降低储能单元30的功率给定值，即减小补偿系数K,若储能单元30处于充电状态时，则应增大储能单元30的功率给定值，即增大补偿系数k；
当获得电容器40的储能负荷W小于设定值W0时，认为电容器40的储能负荷偏低，此时，若储能单元30处于放电状态时，则增大储能单元30的功率给定值，即增大补偿系数K，若储能单元30处于充电状态时，则应减小储能单元30的功率给定值，即减小补偿系数k；
当获得电容器40的储能负荷W大于设定值W0且小于设定值W1时，则保持补偿系数k不变。
通过补偿系数k和滤波窗口T的配合调整，实现直流母线10上的负荷功率P0在储能单元30和电容器40之间的合理分配。
本发明方法实现了光伏发电单元的输出功率在储能负荷在电容器40和储能单元30之间的科学合理分配，维持了直流母线电压的稳定，保证该充电站的供电质量。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。
Claims (5)
1.基于滑动平均滤波的多储能型太阳能充电站，包括一直流母线、光伏发电单元、储能单元、电容器、能量管理单元和充电负载，所述光伏发电单元通过第一单向DC/DC变换器连接于直流母线，所述储能单元和电容器分别通过第一双向DC/DC变换器和第二双向DC/DC变换器连接于直流母线，所述充电负载通过第二单向DC/DC变换器连接于直流母线，所述能量管理单元包括主控模块和设于该充电站系统的各单元中并对各单元的运行状态进行监测的运行监测模块，所述运行监测模块与主控模块通信连接并能将其采集、分析获得的数据上传至主控模块，所述主控模块根据该数据控制所述光伏发电单元、储能单元、电容器按照设定的供电逻辑运行并保持母线电压的稳定；其特征在于：
所述储能单元与电容器之间通过滑动平均滤波法进行协调分配各自的储能负荷，以保持直流母线电压的稳定，设具有长度可调节的滑动平均滤波窗口T，通过调节滤波窗口T的大小来调节滑动平均滤波的滤波效果；设直流母线上的负荷功率为P0，P0通过滑动平均滤波后得到的储能单元的功率给定值为Pb，则电容器的功率给定值为Ps＝P0-Pb；
当获得电容器的储能负荷W大于设定值W1时，认为电容器的储能负荷偏高，此时，若储能单元处于放电状态时，则增大滤波窗口T，若储能单元处于充电状态时，则减小滤波窗口T；
当获得电容器的储能负荷W小于设定值W0时，认为电容器的储能负荷偏低，此时，若储能单元处于放电状态时，则减小滤波窗口T；若储能单元处于充电状态时，则增大滤波窗口T；
当获得电容器的储能负荷W大于设定值W0且小于设定值W1时，认为电容器和储能单元的储能负荷配比合理，保持滤波窗口T不变。
2.基于滑动平均滤波的多储能型太阳能充电站，其特征在于：储能单元负荷的标准值Pb＝kATP1，式中：Pb为储能单元的功率给定值，k为补偿系数，ATP1为滤波窗口T的滑动平均函数；
当获得电容器的储能负荷W大于设定值W1时，认为电容器的储能负荷偏高，此时，若储能单元处于放电状态时，则降低储能单元的功率给定值，即减小补偿系数K,若储能单元处于充电状态时，则应增大储能单元的功率给定值，即增大补偿系数k；
当获得电容器的储能负荷W小于设定值W0时，认为电容器的储能负荷偏低，此时，若储能单元处于放电状态时，则增大储能单元的功率给定值，即增大补偿系数K，若储能单元处于充电状态时，则应减小储能单元的功率给定值，即减小补偿系数k；
当获得电容器的储能负荷W大于设定值W0且小于设定值W1时，则保持补偿系数k不变。
通过补偿系数k和滤波窗口T的配合调整，实现直流母线上的负荷功率P0在储能单元和电容器之间的合理分配。
3.根据权利要求1或2所述的基于滑动平均滤波的多储能型太阳能充电站，其特征在于：所述储能单元为蓄电池。
4.根据权利要求1或2所述的基于滑动平均滤波的多储能型太阳能充电站，其特征在于：所述第一单向DC/DC变换器设有MPPT控制器。
5.根据权利要求1或2所述的基于滑动平均滤波的多储能型太阳能充电站，其特征在于：所述充电负载包括电动汽车。
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