CN105226682A - 一种混合储能平抑光伏功率波动方法 - Google Patents

Abstract

一种平抑混合储能系统中光伏功率波动的方法，包括以下步骤：计算低通滤波常数，对光伏功率进行低通滤波；计算蓄电池充放电参考功率；计算超级电容器充放电参考功率；混合储能同时充放电，达到平抑光伏功率波动的目的。本发明能够根据蓄电池与超级电容器混合储能动态响应特性的不同，分别确定不同时间尺度的充放电方案，达到平抑光伏功率的目的；同时考虑蓄电池的剩余能量，调整滤波常数，防止蓄电池深度充放电，达到延长蓄电池使用寿命，提高系统经济性的目的。

Description

一种混合储能平抑光伏功率波动方法

技术领域

本发明涉及一种平抑光伏功率波动方法，特别是一种混合储能平抑光伏功率波动方法,属于可再生能源发电技术领域。

背景技术

随着传统能源的消耗日益增加，资源紧缺与环境污染问题成为了世界关注的焦点问题。可再生能源发电为解决资源与环境问题提供了有效途径。

以光伏发电为例，光伏发电具有很强的间歇性与不确定性，为其配置储能装置，对稳定光伏功率输出具有重要的意义。现有的储能装置中，蓄电池具有容量大，能量密度高，造价低等特点，但不能瞬间提供很大功率；相反地，超级电容器功率响应速度快，大功率输出能力强，循环寿命长的特点，但能量密度较低，造价高。采用蓄电池与超级电容器混合储能方式，可以有效稳定光伏功率输出。

混合储能平抑光伏功率的一般结构如图1所示。储能采用直流侧接入光伏系统，光伏侧单向DC/DC变换器用作最大功率点跟踪控制，保证对光照资源的最大利用，并网逆变器DC/AC采用定电压控制，维持直流母线电压稳定，保证光储系统能够稳定地输出功率。混合储能电路中，蓄电池、超级电容器分别通过第一和第二双向DC/DC变换器接入直流母线，根据直流母线功率变化，调节混合储能功率输出，从而平抑光伏发电的功率波动。

尽管有关人员进行了大量研究，但已有的储能系统平抑光伏功率波动方法仍不成熟，这些方法在制定混合储能充放电方案时，没有充分考虑蓄电池与超级电容器动态特性的不同，也未考虑过充与过放对蓄电池的寿命损耗问题，因此亟需改进。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种造价低的混合储能平抑光伏功率波动方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下:

技术方案一：

一种平抑混合储能系统中光伏功率波动的方法，所述混合储能系统包括蓄电池和超级电容，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：迭代计算所述蓄电池的充放电参考功率P_{B_ref}(k+1)：

$P_{B\_ref}(k+1)=\frac{{\mathrm{\τ}}_B}{{\mathrm{\τ}}_B+T_{Bs}}\left(P_{B\_ref}\right(k)-{\mathrm{\ΔP}}_{pv}(k\left)\right)---\left(1\right)$

其中k为采样计数点，1≤k≤N,N为采样计数点总数，T_Bs为所述蓄电池的控制周期，τ_B为蓄电池滤波时间常数，ΔP_pv(k)为光伏功率的功率变化量，其计算方法为：

ΔP_pv(k)＝P_pv(k+1)-P_pv(k)(2)

其中P_pv(k)和P_pv(k+1)为第k采样计数点和第(k+1)采样计数点的光伏功率。

步骤2：计算所述超级电容的充放电参考功率P_{C_ref}：

$P_{C\_ref}(k+1)=\frac{{\mathrm{\τ}}_C}{{\mathrm{\τ}}_C+T_{Cs}}\left(P_{C\_ref}\right(k)-\mathrm{\Δ}(P_{pv}\left(k\right)+P_B\left(k\right)\left)\right)---\left(3\right)$

其中T_Cs为超级电容器控制周期，τ_C为超级电容器滤波时间常数，P_B(k)为第k个采样计数点的实际蓄电池功率；

步骤3：超级电容供电控制：计算超级电容的电流给定值I_{C_ref}，与超级电容器反馈电流I_C经过PI调节器输出调制波，再经过PWM生成单元输出PWM波驱动IGBT的导通与关断，使超级电容器输出给定功率；所述超级电容的电流给定值I_{C_ref}由所述超级电容的充放电参考功率P_{C_ref}与超级电容器的端电压相除得到；

步骤4：蓄电池供电控制：当达到蓄电池控制周期T_Bs时，蓄电池开始对光伏功率波动响应，计算蓄电池的电流给定值I_{B_ref}，与蓄电池的反馈电流I_B经过PI调节器输出调制波，再经过PWM生成单元输出PWM波驱动IGBT的导通与关断，使蓄电池输出给定功率；所述蓄电池的电流给定值I_{B_ref}由蓄电池的充放电参考功率P_{B_ref}与蓄电池的端电压相除得到。

所述步骤1中光伏功率经过低通滤波处理：

$P_{pv\_ref}=\frac{1}{\mathrm{\τ}s+1}{P}_{pv}---\left(4\right)$

其中，P_{pv_ref}为滤波后的光伏功率，τ为滤波时间常数，P_pv为实际光伏发电功率，P_{pv_ref}为滤波后的光伏功率，s为复频率。

所述步骤1中的蓄电池滤波时间常数τ_B根据蓄电池荷电状态动态确定；所述蓄电池滤波常数τ_B由充电滤波时间常数τ_ch和放电滤波时间常数τ_dis组成，分别用于充电与放电控制；所述充电滤波时间常数τ_ch和放电滤波时间常数τ_dis的计算方法为：

当S_OC<S_OC.a时，τ_dis＝τ₂-k₁(S_OC.b-S_OC)，τ_ch＝τ₁

当S_OC.a<S_OC<S_OC.b时，τ_dis＝τ₂-k₁(S_OC.b-S_OC)，τ_ch＝τ₂+k₂(S_OC.b-S_OC)

当S_OC.b<S_OC<S_OC.c时，τ_dis＝τ₂，τ_ch＝τ₂

当S_OC.c<S_OC<S_OC.d时，τ_dis＝τ₂+k₂(S_OC-S_OC.c)，τ_ch＝τ₂-k₁(S_OC-S_OC.c)

当S_OC>S_OC.d时，τ_dis＝τ₁，τ_ch＝τ₂-k₁(S_OC-S_OC.c)

其中，S_OC.a、S_OC.b、S_OC.c、S_OC.d分别为蓄电池安全运行最低荷电状态、低荷电状态警示值、高荷电状态警示值、安全运行最高荷电状态；S_OC为蓄电池当前荷电状态，τ₁为蓄电池最大滤波时间常数，τ₂为蓄电池正常时滤波时间常数，k₁、k₂为分别滤波常数的增加速率和降低速率，均为正值。

采用了上述技术方案，取得的有益效果为:

1、本发明能够在充分考虑储能系统中蓄电池与超级电容器动态响应速率的不同，根据不同的特性制定不同的充放电方案，在保证相对于单一储能具有更好的功率特性的同时，具有良好的平抑光伏功率；

2、本发明根据蓄电池SOC状态及时调整滤波常数，调整蓄电池功率输出，防止蓄电池过度充放电，有效延长了蓄电池的使用寿命。

附图说明

图1为本发明所述混合储能接入光伏系统原理框图；

图2为本发明的流程图；

图3为本发明所述蓄电池SOC与滤波时间常数关系图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，混合储能系统包括蓄电池和超级电容，所述蓄电池和超级电容分别通过第一至第二双向DC/DC变换器接入直流母线。

如图2所示，一种平抑混合储能系统中光伏功率波动的方法，所述混合储能系统包括蓄电池和超级电容，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：迭代计算所述蓄电池的充放电参考功率P_{B_ref}(k+1)：

$P_{B\_ref}(k+1)=\frac{{\mathrm{\&tau;}}_B}{{\mathrm{\&tau;}}_B+T_{Bs}}\left(P_{B\_ref}\right(k)-{\mathrm{\&Delta;P}}_{pv}(k\left)\right)---\left(1\right)$

其中k为采样计数点，1≤k≤N,N为采样计数点总数，T_Bs为所述蓄电池的控制周期，τ_B为蓄电池滤波时间常数，ΔP_pv(k)为光伏功率的功率变化量，其计算方法为：

ΔP_pv(k)＝P_pv(k+1)-P_pv(k)(2)

其中P_pv(k)和P_pv(k+1)为第k采样计数点和第(k+1)采样计数点的光伏功率。

步骤2：计算所述超级电容的充放电参考功率P_{C_ref}：

$P_{C\_ref}(k+1)=\frac{{\mathrm{\&tau;}}_C}{{\mathrm{\&tau;}}_C+T_{Cs}}\left(P_{C\_ref}\right(k)-\mathrm{\&Delta;}(P_{pv}\left(k\right)+P_B\left(k\right)\left)\right)---\left(3\right)$

其中T_Cs为超级电容器控制周期，τ_C为超级电容器滤波时间常数，P_B(k)为第k个采样计数点的实际蓄电池功率；

步骤3：超级电容供电控制：计算超级电容的电流给定值I_{C_ref}，与超级电容器反馈电流I_C经过PI调节器输出调制波，再经过PWM生成单元输出PWM波驱动IGBT的导通与关断，使超级电容器输出给定功率；所述超级电容的电流给定值I_{C_ref}由所述超级电容的充放电参考功率P_{C_ref}与超级电容器的端电压相除得到；

步骤4：蓄电池供电控制：当达到蓄电池控制周期T_Bs时，蓄电池开始对光伏功率波动响应，计算蓄电池的电流给定值I_{B_ref}，与蓄电池的反馈电流I_B经过PI调节器输出调制波，再经过PWM生成单元输出PWM波驱动IGBT的导通与关断，使蓄电池输出给定功率；所述蓄电池的电流给定值I_{B_ref}由蓄电池的充放电参考功率P_{B_ref}与蓄电池的端电压相除得到。

所述步骤1中光伏功率经过低通滤波处理：

$P_{pv\_ref}=\frac{1}{\mathrm{\&tau;}s+1}{P}_{pv}---\left(4\right)$

其中，P_{pv_ref}为滤波后的光伏功率，τ为滤波时间常数，P_pv为实际光伏发电功率，P_{pv_ref}为滤波后的光伏功率，s为复频率。

所述步骤1中的蓄电池滤波时间常数τ_B根据蓄电池荷电状态动态确定；所述蓄电池滤波常数τ_B由充电滤波时间常数τ_ch和放电滤波时间常数τ_dis组成，分别用于充电与放电控制；所述充电滤波时间常数τ_ch和放电滤波时间常数τ_dis的计算方法为：

当S_OC<S_OC.a时，τ_dis＝τ₂-k₁(S_OC.b-S_OC)，τ_ch＝τ₁

当S_OC.a<S_OC<S_OC.b时，τ_dis＝τ₂-k₁(S_OC.b-S_OC)，τ_ch＝τ₂+k₂(S_OC.b-S_OC)

当S_OC.b<S_OC<S_OC.c时，τ_dis＝τ₂，τ_ch＝τ₂

当S_OC.c<S_OC<S_OC.d时，τ_dis＝τ₂+k₂(S_OC-S_OC.c)，τ_ch＝τ₂-k₁(S_OC-S_OC.c)

当S_OC>S_OC.d时，τ_dis＝τ₁，τ_ch＝τ₂-k₁(S_OC-S_OC.c)

其中，S_OC.a、S_OC.b、S_OC.c、S_OC.d分别为蓄电池安全运行最低荷电状态、低荷电状态警示值、高荷电状态警示值、安全运行最高荷电状态；S_OC为蓄电池当前荷电状态，τ₁为蓄电池最大滤波时间常数，τ₂为蓄电池正常时滤波时间常数，k₁、k₂为分别滤波常数的增加速率和降低速率，均为正值。

图3为蓄电池SOC与滤波时间常数的关系。根据蓄电池不同SOC改变滤波常数，当蓄电池SOC过高或者过低时，分别调节蓄电池充放电滤波时间常数，增加或减少蓄电池出力，防止蓄电池过度充放电，延长蓄电池的使用寿命。

蓄电池充放电参考功率为光伏功率平滑值与实际值的差值，可表示为：

$P_{B\_ref}=P_{pv\_ref}-P_{pv}=-\frac{{\mathrm{\&tau;}}_{B}s}{{\mathrm{\&tau;}}_{B}s+1}{P}_{pv}---\left(5\right)$

将式中的s用d/dt表示，可得：

$P_{B\_ref}(k+1)=\frac{{\mathrm{\&tau;}}_B}{{\mathrm{\&tau;}}_B+T_{Bs}}\left(P_{B\_ref}\right(k)-{\mathrm{\&Delta;P}}_{pv}(k\left)\right)---\left(6\right)$

其中ΔP_pv＝P_pv(k+1)-P_pv(k)。

当光伏功率波动时，蓄电池功率响应慢，蓄电池控制周期T_Bs大于超级电容器控制周期T_Cs，超级电容器首先检测蓄电池与光伏功率之和，根据Δ(P_pv+P_B)与τ_C计算超级电容器功率参考值P_{C_ref}：

$P_{C\_ref}=-\frac{{\mathrm{\&tau;}}_{C}s}{{\mathrm{\&tau;}}_{C}s+1}(P_{pv}+P_B)---\left(7\right)$

离散化后可表示为：

$P_{C\_ref}(k+1)=\frac{{\mathrm{\&tau;}}_C}{{\mathrm{\&tau;}}_C+T_{Cs}}\left(P_{C\_ref}\right(k)-\mathrm{\&Delta;}(P_{pv}\left(k\right)+P_B\left(k\right)\left)\right)---\left(8\right)$

根据蓄电池与超级电容器参考功率及端压可得充放电电流参考值，与实际储能反馈电流经过PI调节器输出调制波，经过PWM生成单元输出PWM波驱动IGBT的导通与关断，使储能系统输出给定功率，当达到蓄电池控制周期T_Bs时，蓄电池开始对光伏功率波动响应，根据ΔP_pv与τ_B计算得到蓄电池功率参考值P_{B_ref}并产生PWM脉冲，此时，由于蓄电池对光伏功率波动的平抑作用逐渐增大，促使Δ(P_pv+P_B)减小，故超级电容器对光伏功率波动的平抑作用逐渐减小，使超级电容器快速响应光伏功率波动，蓄电池平抑低频功率波动的目的，从而达到蓄电池与超级电容器的协调运行。

根据蓄电池与超级电容器动态响应特性的不同，制定不同的充放电方案并协调运行，可大幅度提高储能装置的峰值功率输出和输入能力，降低内部损耗，减少投资，是平抑光伏功率波动的有效手段。同时，考虑蓄电池循环寿命低的特点，在使用中，根据不同蓄电池状态，调整充放电功率限制，防止蓄电池过充与过放，亦能延长蓄电池的使用寿命。

当光伏功率波动时，由于蓄电池控制周期T_Bs大于超级电容器控制周期T_Cs，且蓄电池功率响应速度较慢，超级电容器首先检测蓄电池与光伏功率之和，根据Δ(P_pv+P_B)与τ_C计算超级电容器功率参考值P_{C_ref}，然后与超级电容器端压相除得到电流的给定值I_{C_ref}，与超级电容器反馈电流经过PI调节器输出调制波，经过PWM生成单元输出PWM波驱动IGBT的导通与关断，使超级电容器输出给定功率。当达到蓄电池控制周期T_Bs时，蓄电池开始对光伏功率波动响应，根据ΔP_pv与τ_B计算得到蓄电池功率参考值P_{B_ref}并产生PWM脉冲，使蓄电池逐渐达到P_{B_ref}，此时，由于蓄电池对光伏功率波动的平抑作用逐渐增大，使Δ(P_pv+P_B)减小，故超级电容器对光伏功率波动的平抑作用逐渐减小，从而达到超级电容器快速响应光伏功率波动，蓄电池平抑低频功率波动的目的。

Claims (3)

1.一种平抑混合储能系统中光伏功率波动的方法，所述混合储能系统包括蓄电池和超级电容，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：迭代计算所述蓄电池的充放电参考功率P_{B_ref}(k+1)：

$P_{B\_ref}(k+1)=\frac{{\mathrm{\&tau;}}_B}{{\mathrm{\&tau;}}_B+T_{Bs}}\left(P_{B\_ref}\right(k)-{\mathrm{\&Delta;P}}_{pv}(k\left)\right)---\left(1\right)$

其中k为采样计数点，1≤k≤N,N为采样计数点总数，T_Bs为所述蓄电池的控制周期，τ_B为蓄电池滤波时间常数，ΔP_pv(k)为光伏功率的功率变化量，其计算方法为：

ΔP_pv(k)＝P_pv(k+1)-P_pv(k)(2)

其中P_pv(k)和P_pv(k+1)为第k采样计数点和第(k+1)采样计数点的光伏功率。

步骤2：计算所述超级电容的充放电参考功率P_{C_ref}：

$P_{C\_ref}(k+1)=\frac{{\mathrm{\&tau;}}_C}{{\mathrm{\&tau;}}_C+T_{Cs}}\left(P_{C\_ref}\right(k)-\mathrm{\&Delta;}(P_{pv}\left(k\right)+P_B\left(k\right)\left)\right)---\left(3\right)$

其中T_Cs为超级电容器控制周期，τ_C为超级电容器滤波时间常数，P_B(k)为第k个采样计数点的实际蓄电池功率；

步骤3：超级电容供电控制：计算超级电容的电流给定值I_{C_ref}，与超级电容器反馈电流I_C经过PI调节器输出调制波，再经过PWM生成单元输出PWM波驱动IGBT的导通与关断，使超级电容器输出给定功率；所述超级电容的电流给定值I_{C_ref}由所述超级电容的充放电参考功率P_{C_ref}与超级电容器的端电压相除得到；

步骤4：蓄电池供电控制：当达到蓄电池控制周期T_Bs时，蓄电池开始对光伏功率波动响应，计算蓄电池的电流给定值I_{B_ref}，与蓄电池的反馈电流I_B经过PI调节器输出调制波，再经过PWM生成单元输出PWM波驱动IGBT的导通与关断，使蓄电池输出给定功率；所述蓄电池的电流给定值I_{B_ref}由蓄电池的充放电参考功率P_{B_ref}与蓄电池的端电压相除得到。

2.根据权利要求1所述的平抑混合储能系统中光伏功率波动的方法，其特征在于，所述步骤1中光伏功率经过低通滤波处理：

$P_{pv\_ref}=\frac{1}{\mathrm{\&tau;}s+1}{P}_{pv}---\left(4\right)$

其中，P_{pv_ref}为滤波后的光伏功率，τ为滤波时间常数，P_pv为实际光伏发电功率，P_{pv_ref}为滤波后的光伏功率，s为复频率。

3.根据权利要求1所述的平抑混合储能系统中光伏功率波动的方法，其特征在于，所述步骤1中的蓄电池滤波时间常数τ_B根据蓄电池荷电状态动态确定；所述蓄电池滤波常数τ_B由充电滤波时间常数τ_ch和放电滤波时间常数τ_dis组成，分别用于充电与放电控制；所述充电滤波时间常数τ_ch和放电滤波时间常数τ_dis的计算方法为：

当S_OC<S_OC.a时，τ_dis＝τ₂-k₁(S_OC.b-S_OC)，τ_ch＝τ₁

当S_OC.a<S_OC<S_OC.b时，τ_dis＝τ₂-k₁(S_OC.b-S_OC)，τ_ch＝τ₂+k₂(S_OC.b-S_OC)

当S_OC.b<S_OC<S_OC.c时，τ_dis＝τ₂，τ_ch＝τ₂

当S_OC.c<S_OC<S_OC.d时，τ_dis＝τ₂+k₂(S_OC-S_OC.c)，τ_ch＝τ₂-k₁(S_OC-S_OC.c)

当S_OC>S_OC.d时，τ_dis＝τ₁，τ_ch＝τ₂-k₁(S_OC-S_OC.c)

其中，S_OC.a、S_OC.b、S_OC.c、S_OC.d分别为蓄电池安全运行最低荷电状态、低荷电状态警示值、高荷电状态警示值、安全运行最高荷电状态；S_OC为蓄电池当前荷电状态，τ₁为蓄电池最大滤波时间常数，τ₂为蓄电池正常时滤波时间常数，k₁、k₂为分别滤波常数的增加速率和降低速率，均为正值。