CN106030953A - 用于控制混合型能量存储系统的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

在本文的教导的一个方面，控制设备(30)和相应的控制方法使用多个功率共享控制器(311‑n)中的每单元滤波，以获得用于混合型能量存储系统中的多个不同能量存储单元(221‑n)中对应的能量存储单元的功率共享命令信号。混合型能量存储系统包括两种或更多种类型的能量存储单元，并且通过使用滤波器对输入信号进行滤波而获得用于每个能量存储单元的功率共享命令信号，其中滤波器具有适配于能量存储单元的能量存储特性的滤波器响应。输入信号反映电网(10)上的负载变化，并且可以在本地生成或者由远程节点提供。尽管用于每个能量存储单元的功率共享控制环有利地可以在构架和实施方式方面相同，但每个这种环使用量身定制的、专门的滤波，并且可能使用一个或多个其他控制参数的个性化值，使得每个能量存储单元以匹配其能量存储特性的方式运行。

Description

用于控制混合型能量存储系统的方法和设备
技术领域
本发明总体涉及能量存储系统，并且具体地涉及关于两种或更多种类型的能量存储单元的混合型能量存储系统。
背景技术
包括在海上交通工具中使用的本地化船上电网在内的混合型电网代表了具有增大兴趣和快速发展的领域，这尤其是因为这些电网由于其可能较高的效率而能够显著地减少温室气体排放。在此背景下，“混合型”电网包括一个或多个发生源以及一个或多个能量存储系统。所述一个或多个能量存储系统提供了这样一种机构：该机构存储由所述一个或多个发生源产生的能量和/或通过一个或多个再生过程获得，并将一些或所有存储能量提供给电网以例如满足峰值负荷要求和/或消除施加在所述一个或多个发生源上的需求差异。
当混合型电网包括多于一种类型的能量存储单元、例如基于电池的能量存储单元和基于电容器的能量存储单元时，由这些不同类型的能量存储单元所代表的能量存储系统可以称为混合型能量存储系统。尽管不同类型的能量存储单元在混合型能量存储系统中的使用提供了更高的系统效率、或者至少更大的操作柔性的希望，但这些优点需要以增大的复杂性为代价。简言之，在没有混合型能量存储系统的智能控制的情况下，不能获得所希望的优点。另外，存在控制混合型能量存储系统的增大的复杂性和/或成本将超过这种系统的潜在的优点的实际风险。
例如，对用于混合型能量存储系统的功率共享控制的已知方法扩展至涉及两种不同类型的能量存储单元的情况。这种常规背景下的控制依赖于负载功率或负载电流的测量，并且当混合型电网包括分布式负载时，这些测量通常难以获得。尽管具有该缺点，已知的方法还是包括对测量信号进行滤波以获得用于控制第一类型的能量存储单元的滤波信号分量以及用于控制第二类型的能量存储单元的剩余信号分量。
尽管上述方法在其所应用的有限的背景下是有效的，但其不能够容易地适用于涉及多种类型的能量存储单元的混合型能量存储系统。另外，上述常规方法不适合于涉及可能位于不同母线上的分布式负载的混合型能量存储系统，其中本地母线测量对于各种能量存储单元的最优操作可能是关键的。
发明内容
在本文的教导的一个方面，控制设备和相应的控制方法使用在多个功率共享控制器中的每单元(per-unit)滤波，以获得用于混合型能量存储系统中的多个不同能量存储单元中相应的各个能量存储单元的功率共享命令信号。混合型能量存储系统构成混合型电网的一部分并且包括两种或更多种类型的能量存储单元。用于每个能量存储单元的功率共享命令信号是通过利用滤波器对输入信号进行滤波而获得的，其中该滤波器具有适配于能量存储单元的能量存储特性的滤波器响应。所述输入信号反映了电网负载变化并且可以在本地生成或者由另一个节点提供。尽管用于每个能量存储单元的功率共享控制环可以有利地在构架和实施方面相同，但每个这种环使用量身定制的、专用的滤波并且可能使用一个或多个其他控制参数的个性化的值，使得每个能量存储单元以匹配其能量存储特性的方式操作。
在一个示例性实施方式中，控制设备构造成用于控制包括两个或更多个能量存储单元的混合型能量存储系统，所述两个或更多个能量存储单元与包括一个或多个电气母线的电网相关联。能量存储单元中的至少两个具有不同的能量存储特性，并且能量存储单元中的不同能量存储单元可以与电网中的同一个电气母线相关联或者与电网中的不同电气母线相关联。所设想的控制设备包括对应于每个能量存储单元的功率共享控制器以及对应于每个能量存储单元的充电状态控制器。每个充电状态控制器均构造成：响应于由对应的功率共享控制器生成的功率共享命令信号，通过相关联的本地转换器单元控制对应的能量存储单元的充放电。
有利地，基于包括滤波器电路的对应的功率共享控制器，为每个能量存储单元的充电状态控制器生成的功率共享命令信号适配于能量存储单元的特性，其中该滤波器电路构造成根据滤波器响应、基于对功率共享控制器的输入信号的滤波而获得经过滤波的输入信号，其中滤波器响应适配于对应的能量存储单元的能量存储特性。输入信号反映了电网中的负载变化，因此能够被理解为控制输入，功率共享控制器动态地响应于该控制输入。每个功率共享控制器还包括控制电路，该控制电路构造成生成作为经过滤波的输入信号与稳态命令信号的组合的功率共享命令信号，其中稳态命令信号表示对应的能量存储单元的目标稳态条件。
在另一个实施方式中，公开了控制具有不同的能量存储特性的两个或更多个能量存储单元的方法。该方法包括：通过充电状态控制器控制每个能量存储单元的充放电，其中该充电状态控制器构造成响应于为能量存储单元各自生成的功率共享功率命令信号控制对应于能量存储单元的转换器。这里，为每个能量存储单元各自生成功率共享功率命令信号包括获得用于每个能量存储单元的反映电网上的负载变化的输入信号；通过滤波器电路对用于每个能量存储单元的输入信号进行滤波，以获得经过滤波的输入信号，其中滤波器电路具有适配于能量存储单元的能量存储特性的滤波器响应；以及将用于每个能量存储单元的经过滤波的输入信号与用于能量存储单元的稳态命令信号相结合，所述稳态命令信号表示能量存储单元的目标稳态条件。
当然，本发明不限于上述特征和优点。本领域普通技术人员将在阅读了下文的详细描述和观察了附图之后认识到附加的特征和优点。
附图说明
图1是用于控制混合型能量存储系统的控制设备的一个实施方式的框图。
图2A-2C是根据多个示例性布置的控制设备的框图。
图3是在用于控制混合型能量存储系统的控制设备的一个或多个实施方式中使用的延迟补偿电路的框图。
图4是在本文教导的控制设备中使用的调谐滤波器的示例性滤波器特性的曲线图。
图5是根据本文教导的处理的控制混合型能量存储系统的方法的一个实施方式的逻辑流图。
图6是用于多个能量存储单元的功率共享和充电状态控制器布置的一个实施方式的框图。
图7是用于多个能量存储单元的功率共享和充电状态控制器布置的另一个实施方式的框图。
图8是用于作为混合型能量存储系统中的两种不同类型的能量存储单元的超级电容器和电池的功率共享和充电状态控制器布置的一个实施方式的框图。
图9是构造成用于优化由本文教导的用于控制混合型能量存储系统的控制设备提供的控制的计算机系统的框图。
具体实施方式
图1示出了混合型电网或系统10，其包括一个或多个电气母线12，例如DC母线12-1,21-2。混合型电网10还包括一个或多个发生源14以及用于将发生源14耦合至相应的电气母线12的相应的耦合电路16，例如，发生源14-1通过耦合电路16-1耦合至母线12-1，而发生源14-2通过耦合电路16-2耦合至母线12-2。对于给定的电气母线12是DC母线的示例性情形，一个或多个耦合电路16各自包括AC/DC转换器。耦合电路16可以通过断路器17连接至其相应的电气母线12。
注意，为了清楚起见，在不需要后缀情况下，附图标记12、14和16中的任一个都可以不带后缀地使用以表示单数或复数。在本文的其余部分中关于本文中的某些其他附图标记采用了类似的做法。
混合型电网10向一个或多个负载18提供功率，并且在本文中特别有意义的是，混合型电网10包括混合型能量存储系统20，混合型能量存储系统20包括两个或更多个能量存储单元22，其中每个能量存储单元22均通过本地转换器单元24耦合至相应的电气母线12。作为非限制性的示例，附图描绘了多个能量存储单元22-1至22-n以及对应的多个相应的本地转换器单元24-1至24-n。这里，“n”的值是为2或更大的整数。
能量存储单元22中的不同能量存储单元可以耦合至电网10内的同一个电气母线12或不同的电气母线12。因此，将理解的是，每个能量存储单元22具有“相应的”电气母线12，该电气母线12是电网10内的、该特定的能量存储单元22所耦合至的电气母线12。因此，不同的能量存储单元22可以具有同一个相应的电气母线12，或者可以具有不同的相应的电气母线12，这取决于能量存储单元22耦合至电网10内的同一个电气母线12还是不同的电气母线12。
另外，假设能量存储单元22中的至少两个具有不同的类型，即能量存储单元22中的至少两个使用不同的能量存储技术并且因此具有实质不同的能量存储特性。在上述该限制条件下，n个能量存储单元可以代表高达n种不同的能量存储技术。在此背景下，应用于能量存储系统20的“混合型”称谓表示使用多于一种类型的能量存储技术，并且应用于电网10的“混合型”称谓表示与能量的产生相结合地使用能量存储。
根据本公开，有利地，电网10包括控制设备30或者以其他方式与控制设备30相关联，其中控制设备30构造成用于基于对每个能量存储单元22使用专门的控制信号滤波、以适配于其特定的能量存储特性的方式控制每个能量存储单元22。将能够看到，控制设备30提供稳健的分布式控制，并且提供构成控制设备30的功率共享控制器32和充电状态控制器34的“串联”或“并联”布置。这种灵活性保持了每个能量存储单元22的稳健而量身定制的控制，不管其相应的功率共享控制器32是否在控制层面上互连，也不管是公共控制输入信号还是本地化控制输入信号用来驱动功率共享控制器32。
对于n个能量存储单元22，至少在功能上来讲，存在n个功率共享控制器32和n个充电状态控制器34，其中各成对的功率共享控制器32和充电状态控制器34对应于能量存储单元22中对应的能量存储单元22。另外，在功率共享控制器32和充电状态控制器34的背景下使用的术语“控制器”表示固定的或编程的电路连同所需的任何通信或信号传输接口一起(所述通信或信号传输接口例如用于接收输入信号或测量)，用于功率共享控制器32与其相应的充电状态控制器34之间的控制器间信号传输，或者用于从充电状态控制器34中给定的一个充电状态控制器34到其对应的能量存储单元22/本地转换器单元24的命令/控制信号传输。
在至少一个实施方式中，包括各个功率共享控制器32和其相应的充电状态控制器34的电路通过一个或多个微处理器、DSP、FPGA、ASIC或其他数字处理电路被编程地实现。该电路至少部分地根据程序指令的执行来构造，其中程序指令包括以非瞬态的形式存储在计算机可读介质上的计算机程序，其中计算机可读介质包含在包括控制器32和34的数字处理电路中或者可以被该数字处理电路访问。
记住这些非限制性实施细节，所设想的控制设备30构造成用于控制包括两个或更多个能量存储单元22的混合型能量存储系统20。每个能量存储单元与混合型电网中相应的电气母线12相关联并且具有不同的能量存储特性。控制设备30包括对应于每个能量存储单元22的功率共享控制器32。每个功率共享控制器32均构造成生成功率共享命令信号。控制设备30还包括对应于每个能量存储单元22的充电状态控制器34。每个充电状态控制器34均构造成响应于由相应的充电状态控制器34生成的功率共享命令信号通过相关联的本地转换器单元24控制对应的能量存储单元22的充放电。
作为非限制性示例，n等于2并且混合型能量存储系统20包括标示为22-1和22-2的两个能量存储单元22。相应地，控制设备30包括第一功率共享控制器32-1和相应的第一充电状态控制器34-1，这两者都对应于第一能量存储单元22-1。类似地，本示例性情形中的控制设备30还包括第二功率共享控制器32-2和相应的第二充电状态控制器34-2，这两者都对应于第二能量存储单元22-2。
图2A示出了对于给定的功率共享控制器32和其相应的充电状态控制器34的示例性细节，功率共享控制器32和充电状态控制器34都在具有其对应的能量存储单元22和相关联的本地转换器单元24(表示为PEC 24)的背景下示出，其中PEC表示“功率电子转换器”。图示的实施方式是电流模式实施方案，并且特别地，该配置意味着功率共享命令信号生成为电流模式命令信号，用于输入至充电状态控制器34。
示例性的功率共享控制器32包括滤波器电路40，滤波器电路40构造成通过对功率共享控制器32的输入信号44进行滤波而获得经过滤波的输入信号42。根据滤波器响应执行滤波，其中滤波器响应适配于对应的能量存储单元22的能量存储特性，并且输入信号44反映了电网10上的负载变化。如本文所描述的，对每个功率共享控制器32的输入信号44可以由功率共享控制器32根据本地电网测量而得到，或者可以由另一个功率共享控制器32提供，或者可以由某个其他远程节点、例如根据全系统测量(如总系统负载)来提供。
在任何情况下，在控制设备30中实施的每个功率共享控制器32都有利地包括专用滤波器电路40，使其滤波器响应适配于对应的能量存储单元类型的能量存储特性。例如，考虑如下布置：第一能量存储单元22-1是基于超级电容器的能量存储单元，并且第二能量存储单元22-2是基于电池的能量存储单元。这里，对应于基于超级电容器的能量存储单元的功率共享控制器32的滤波器电路40构造成具有比对应于基于电池的能量存储单元的功率共享控制器32的滤波器电路40高的频率响应。
输入信号44表示电网10的动态功率、电流或电压测量，这些测量可以在功率共享控制器32处本地地进行，或者可以由另一个功率共享控制器32或其他的节点提供。相应地，经过滤波的输入信号42表示适配于对应的能量存储单元22的各自的能量存储特性的动态功率、电流或电压测量的经过滤波的形式。
在一个实施方式中，对每个功率共享控制器32的输入信号44均包括表示电网10的测量的母线电压与名义电压设定之间的电压差信号的差分信号。例如，差分信号可以形成为名义母线电压设定与针对对应于与功率共享控制器32相关联的能量存储单元22的电气母线12获得的母线电压测量信号之间的差。以互补的方式，功率共享控制器32中的控制电路46构造成生成上述功率共享命令信号，其在后文中用附图标记“48”表示，该功率共享命令信号为经过滤波的输入信号42与表示对应的能量存储单元22的目标稳态条件的稳态命令信号50的组合。
在图示的非限制性示例中，功率共享命令信号48标为IES-ref，以表示用于对充电状态控制器34的输入的电流模式控制基准，其中充电状态控制器34在图中表示为提供本地转换器单元24的低层级控制，其中本地转换器单元24用来控制对应的能量存储单元22的充放电。更详细地，控制电路46中的组合电路52将稳态命令信号50与经过滤波的输入信号42进行组合以获得用48’表示的功率共享命令信号48。
在图示的示例中，信号48’经过控制电路46中的限幅器54，以获得功率共享命令信号48，该功率共享命令信号48受到限幅器54施加的限制。因此，在一个或多个实施方式中，通过将经过滤波的输入信号42与表示用于对应的能量存储单元22的目标稳态充电或放电功率、稳态充电或放电电流、或电荷的稳态状态的稳态命令信号50相组合并且进一步通过使组合的信号48’经过限幅器54而获得。
稳态命令信号50从开关电路56输出，其中开关电路56可以在一个或多个实施方式中被编程地实施。例如，开关电路56包括计算机逻辑，该计算机逻辑选择要输出至组合电路52的源信号，作为稳态命令信号50。在本示例中，开关电路56将稳态命令信号50作为第一输入命令信号58或衍生输入命令信号60输出。
这里，第一输入命令信号58是用IES*表示的稳态电流信号。“*”表示所关注的信号是对功率共享控制器32的外部命令输入，并且该记号遍布本公开的剩余部分中使用。图示的示例中的第一输入命令信号58源自燃料-成本优化器计算机或与功率共享控制器32通信地耦合的其他节点62，例如以太网链路或其他通信链路。在下文中，节点62将称为成本优化节点62。
衍生输入命令信号60由调节器电路64基于第二输入命令信号66得到；这里，第二输入命令信号66包括用SOC*表示的稳态电荷状态(SOC)命令信号和用SOC表示的测量或估测电荷状态信号68。根据该记号，SOC*表示对应于功率共享控制器32的能量存储单元22的目标或期望电荷状态，并且SOC表示对应的能量存储单元22的实际——测量或估测的——电荷状态。
对于这些和其他测量或估测，功率共享控制器32和充电状态控制器34在一个或多个实施方式中包括测量单元70或与测量单元70相关联。测量单元70例如包括一个或多个传感器或测量电路，例如用于对相应的电气母线12的功率、电流和/或电压感测和/或用于对能量存储单元22的功率、电流、电压和/或电荷状态感测。如本领域技术人员所公知的，这种电路可以包括具有数字化电路的信号采样接口，用于获得表示对应于电流、电压、电荷等的模拟测量的数字值。通常，至少一些本地电网测量——例如功率、电流、电压、电荷状态等中的任一个或多个——被采用并且被馈送至由充电状态控制器34实施的低层级控制环和由功率共享控制器32实施的功率共享控制环两者中。
其他图示的细节包括滤波器适配电路72，滤波器适配电路72在所设想的功率共享控制器32的一个或多个实施方式中实施。滤波器适配电路72允许根据变化的优化或控制目标来重新调谐滤波器电路40的滤波器响应和/或根据功率共享控制器32所关联的各个能量存储单元22的特定能量存储特性来单独地量身定制滤波器电路40的滤波器响应。
示例性的滤波器适配电路72包括产生调节信号76(ΔK)和78(ΔT)的调节电路74，调节信号76(ΔK)和78(ΔT)表示对滤波器电路40的滤波器增益K和时间常数T的调节。这些调节基于例如多个输入信号，这些输入信号包括：(1)上述测量或估测电荷状态(SOC)信号68；(2)来自能量存储单元22的反馈信号80；以及一个或多个配置的最大或最小值。在电流模式的实施中，反馈信号80标记为IES_m，并且表示来自(或者进入)对应的能量存储单元22的实际IES的估测值。最大和/或最小参数包括SOCmax/min值，SOCmax/min值表示能量存储单元22的最大和/或最小准许电荷状态，并且在该电流模式的执行方式中，Imax/min值表示能量存储单元电流IES的幅度上限和/或下限。
调节信号76和78(ΔK和ΔT)在组合电路82中与用于K和T的命令值(这里标记为K*和T*)组合，以产生被滤波器电路40使用的K和T的运算值。能量存储控制优化器84例如提供命令值K*和T*。能量存储控制优化器84可以包括与功率共享控制器32通信地耦合的计算机或其他网络节点，并且可以在前面提到的成本-优化节点62中实施或者与成本-优化节点62共同实施。在下文中，能量存储控制优化器84称为控制-优化节点84。
因此，在一些实施方式中，功率共享控制器32中的至少一个功率共享控制器32中的滤波器电路40是适应性滤波器电路。每个适应性滤波器电路均构造成将其滤波器响应适配为下述项中的至少一项的函数：频率响应的命令变化；增益的命令变化；从能量存储单元的测量的稳态或电荷状态条件得到的调节信号；以及对应的最大或最小稳态或电荷状态设定。
另外的示出的细节包括充电状态控制器34，其通过调节器电路88生成转换器控制信号86。这里，调节器电路88接收电流模式功率共享命令信号48和反馈信号80作为其输入信号。在该电流模式实施方式中，调节器对功率共享命令信号48响应为IES_ref，并且对反馈信号80响应为IES_m。可替代地，图2B描绘了另一种配置，该配置基于功率模式控制和测量而不是电流模式控制和测量。
在图2B中，所有的“IES”标记都被“PES”标记替代，以表明所涉及的信号值是功率模式而不是电流模式。例如，第一输入命令信号58是用PES表示的命令稳态功率信号，并且功率共享命令信号48表示为PES_ref，等等。这里，每个充电状态控制器34用作低层级控制器，该低层级控制器向本地转换器单元24发送开关信号，以调节正源自于能量存储单元22的电流或正汇入能量存储单元22中的电流。充电状态控制器34对本地转换器单元24的调节遵循在相应的功率共享控制器32的功率共享控制环中生成的功率共享命令信号48。
更详细地,这里所述的功率共享控制环包括上述滤波器电路40，其中滤波器电路40可以是单个滤波器或者是一组滤波器。滤波器电路40对输入信号44的不同频带设定不同的增益，其中输入信号44这里可以是负载功率测量。稳态命令信号50——这里是稳态功率信号——与经过滤波的输入信号42相组合，以获得功率共享命令信号48，作为用于驱动充电状态控制器34的功率控制基准信号。这样，每个能量存储单元22对不同频率的负载变化作出不同的响应，使得每个能量存储单元22在与其放电特性最佳匹配的频带内贡献最多。
图2C示出了又一种变型，用于在一个或多个功率共享控制器32采用从另一个功率共享控制器32生成的输出信号90作为其输入信号44的实施方式中使用。因此，所描绘的功率共享控制器32包括组合电路92，组合电路92形成输出信号90，因为其输入信号44(其自身可以是来自逻辑上“优先”的功率共享控制器32的输出信号90)与该输出信号90之间的差被作为输入信号44馈送至逻辑上“劣后”的功率共享控制器32。然而，即使在这里也将注意的是，对每个功率共享控制器32的输入信号44有利地通过专门的滤波功能被滤波；在该专门的滤波功能中，滤波器响应适配于对应的能量存储单元22的能量存储特性。
因此，对于本文的至少一个实施方式，混合型能量存储系统20包括第一和第二能量存储单元22-1和22-2。相应地，控制设备30包括对应于第一能量存储单元22-1的第一功率共享控制器32-1和第一充电状态控制器34-1以及对应于第二能量存储单元22-2的第二功率共享控制器32-2和第二充电状态控制器34-2。另外，第一功率共享控制器32-1和第二功率共享控制器32-2以串联的布置耦合，使得对第二功率共享控制器32-2的输入信号44被提供为来自第一功率共享控制器32-1的输出信号90。该布置下的第一功率共享控制器32-1构造成生成作为对第一功率共享控制器32-1的输入信号44与由第一功率共享控制器32-1生成的功率共享命令信号48之间的差的输出信号90。
在上述示例中，对第二功率共享控制器32-2的输入信号44从第一功率共享控制器32-1馈入，并且可以存在与其相关联的通信延迟。作为这种布置的结果，对第二功率共享控制器32-2的输入信号44表示对电气母线12的远程测量或估测，该远程测量或估测相对于第二功率共享控制器32-2所经历的瞬时本地条件延迟或偏差对应于通信延时(可以是已知值)的量。
为了解决该延迟问题，如将在本示例中的第二功率共享控制器32-2中实施的延迟补偿电路94构造成补偿通信延迟。该补偿基于预测作为针对对应于功率共享控制器32的能量存储单元22获得的低延迟本地电网测量的函数的输入信号44的值。这些本地电网测量可以从上述测量单元70获得。例如，本地电网测量包括对对应于能量存储单元22的电气母线12进行的功率、电流、电压、负载或其他测量。
在一个示例性配置中，延迟补偿电路94构造成基于由输入信号44指示的本地电网测量的估测值与本地电网测量的对应的实际值之间的追踪差调节主题的输入信号44的预测。这里，将理解的是，所论述的本地电网测量将具有输入信号44所表示的无论哪种类型(电流、功率等)。另外，将理解的是，延迟补偿电路94可以使用来自对应于输入信号44所经历的通信延迟的偏差或延时的抽样时间的本地电网测量。
在上述布置的背景下并且同样对于本文设想的非串联布置，图4示出了专门的依照能量存储单元进行的滤波的使用在其他优点之外如何提供关于控制优化方面的灵活性。能够看到，在任何给定的功率共享控制器32中使用的滤波器电路40可以使用不同频带下的不同增益，由此提供显著的调谐灵活性，用于使滤波器电路40适配于对应的能量存储单元22的能量存储特性。
在图中，能量存储单元22中给定的一个能量存储单元用“ESU1”表示，并且能够看到，存在用于四个部分地交叠的频带的四个滤波器增益参数K，用K1至K4表示。用于混合型能量存储系统20中的其他能量存储单元22的滤波可以或多或少地复杂，这取决于其类型。当然，将认识到的是，至少初始地，对于同一类型的所有能量存储单元22，即对于具有相同能量存储特性的所有能量存储单元22，可以使用相同的滤波器参数。示例性的能量存储特性包括但不限于：最大/最小容许功率水平；最大/最小容许电流(汇或源)；或者其他充电特性，例如最佳电荷状态等。
在每个功率共享控制器32中使用专门的滤波是每个功率共享控制器32构造成相对于控制设备30中的另一个功率共享控制器32自主地运行这一有利事实的一个方面。无论用于功率共享控制器32的输入信号44中的一个或多个是否表示“优先”的功率共享控制器32的输出信号90，或者无论用于每个功率共享控制器32的输入信号44是否被独立地获得，该自主性都保持。
当然，可以存在为各种能量存储单元22设定稳态目标等的集中式计算机或其他控制节点(例如优化控制器)。另外，对每个功率共享控制器32的相应的输入信号44可以作为对所有功率共享控制器32的公共信号输入获得，或者每个功率共享控制器32可以基于每个功率共享控制器32进行的本地电网测量而获得其自己的输入信号44。更进一步地，对任何给定的功率共享控制器32的输入信号44都可以提供为来自给定的其他功率共享控制器32的输出信号90。
图5示出了例如可以利用混合型能量存储系统20中的每个能量存储单元22和相关联的本地转换器单元24在功率共享控制器32和充电状态控制器34构成的配对中实施的方法500。方法500包括控制具有不同的能量存储特性的两个或更多个能量存储单元22。每个能量存储单元22具有在包括混合型能量存储系统20的相关联的电网10中的相应的电气母线12。能量存储单元22可以耦合至同一个电气母线12，或者能量存储单元22中的至少两个能量存储单元22可以耦合至电网10中的不同电气母线12。
方法500包括获得对于每个能量存储单元22的输入信号44(方框502)。这里，“获得”可以意指例如基于本地电网测量生成输入信号44，或者接收来自另一个功率共享控制器32或来自某个其他节点的输入信号44。在任何情况下，输入信号44都反映电网10上的负载变化。方法500还包括对于每个能量存储单元22滤波(方框504)输入信号44，从而获得经过滤波的输入信号42。这里，滤波是对于每个能量存储单元22均适配于能量存储单元22的能量存储特性。
方法500还包括将用于每个能量存储单元22的经过滤波的输入信号42与用于能量存储单元22的稳态命令信号50相组合(方框506)。稳态命令信号50表示能量存储单元22的目标稳态条件。更进一步地，方法500包括通过相应的充电状态控制器34控制(方框508)每个能量存储单元22的充放电，其中充电状态控制器34构造成响应于对能量存储单元22独立生成的功率共享命令信号48控制与对应的能量存储单元22相关联的本地转换器单元24。
因此，无论是用于船上DC动力系统还是用于其他应用，控制设备30和方法500都提供了以针对每个能量存储单元的方式使用专门的输入信号滤波，这使得能够在用于例如图3所示的每个能量存储单元22的功率共享控制环中使用不同频带下的增益。当在柴油发电机以可变速度运行以提高燃料效率的DC海上动力系统中使用时，混合型能量存储系统20可以用来通过偏置柴油运行点和/或消除负载变化来提高燃料效率，并且当混合型能量存储系统20包括两种或更多种类型的能量存储单元22例如飞轮、超级电容器和电池或者甚至不同的电池类型如铅酸电池、锂离子电池等时，控制设备30提供更好的优化控制。
除了通过量身定制的滤波获得的不同频率响应之外，作为另一个优点，功率共享控制器32可以全部实施相同的控制环，虽然控制环可能具有适用的控制参数的不同值。控制参数可以例如通过与功率共享控制器32通信地耦合的优化节点被在线地优化，或者被离线地优化。另外，如所指出的，功率共享控制器32可以串联地连接，或者可以不互连。
在一些实施方式中，控制同一种类型的能量存储单元22和/或与同一个电气母线12相关联的功率共享控制器32可以串联地互连。如果互连，则功率共享控制器32可以利用公共通信母线例如以太网络或其他数据互连通信地耦合在一起。相同的或其他的数据链路可以用于下述用途中的任一个或多个：向功率共享控制器32中的各个功率共享控制器32提供稳态目标值；向相应的功率共享控制器32提供输入信号44；重新配置控制参数，例如滤波器电路适配；维护活动，例如使与发生故障的能量存储单元22或发生故障的本地转换器单元24相关联的功率共享控制器32去激活。
图6示出了这样的实施方式，其中：控制设备30构造成用于多个(n个)能量存储单元22，这些能量存储单元22在图中描绘为ES单元1至ES单元n。每个能量存储单元22均具有相关联的本地转换器单元24。将注意的是，每个本地转换器单元24由充电状态控制器34-1至34-n中相应的一个控制。进而，每个充电状态控制器34则由功率共享控制器32-1至32-n中相应的一个控制。
在图示的实施方式中，功率共享控制器32-1至32-n以对应于对应的能量存储单元22-1至22-n的放电时间(例如，以能量/功率比的形式表达)的顺序串联地互连。在该特定示例中，第一能量存储单元22-1具有最快的放电时间，并且其相应的功率共享控制器32-1是串联布置中的“第一个”。这样，第一功率共享控制器32-1生成输出信号90-1，该输出信号90-1将用作针对与第二快的能量存储单元22-2相关联的第二功率共享控制器32-2的输入信号44-2。第二功率共享控制器32-2继而生成输出信号90-2，该输出信号90-2将用作针对序列中的下一个功率共享控制器32-2的输入信号44-3，以此类推。
这种布置将对应于具有最短放电时间的能量存储单元22(即功率最密集的单元)功率共享控制器32定位为第一个，并且将对应于具有最长放电时间的能量存储单元22(即功率最不密集的单元)功率共享控制器32定位为最后一个，位于“控制串”的端部。本示例中的成本-优化节点62构造成输出表示能量存储单元22的稳态计划的控制参数。这些控制参数基于长期负载预测并且在这里包括用于功率共享控制器32的目标稳态功率至PES*。这种值在图2B中作为可以提供给每个功率共享控制器32的第一输入命令信号58的示例示出。
注意，其他实施方式使用两个或更多个控制串，即，功率共享控制器32的两个或更多个子集被串在一起，其中控制串中除了最后一个功率共享控制器32以外的每个功率共享控制器32均提供输出信号90以用作针对控制串中下一个功率共享控制器32的输入信号44。例如，存在对于同一类型的能量存储单元22的每个子集的控制串和/或对于同一个电气母线12上的能量存储单元22的每个子集的控制串。
进一步地在图6中，控制-优化节点84执行优化过程，该优化过程基于短期负载变化预测确定某些功率共享控制参数。这里，短期控制参数是将要在每个功率共享控制器32的专用滤波器电路40中使用的命令增益值K*和时间常数值T*。
图7示出了功率共享控制器32及其相应的充电状态控制器34的非串联布置。每个功率共享控制器/充电状态控制器配对均对应于n个能量存储单元22中的一个及其相关联的本地转换器单元24。与图6所示的串联控制环形成对比的是，对图7所示的每个功率共享控制器32的输入信号44由功率共享控制器32根据本地电网测量(例如由图2A中引入的测量单元70所提供)生成，或者从远程控制和/或测量系统提供至功率共享控制器32。
图8示出了涉及第一和第二能量存储单元22-1和22-2的示例性实施方式；这里，第一和第二能量存储单元22-1和22-2通过相应的本地转换器单元24-1和24-2耦合至同一个电气母线12。当然，更广义地，不同的能量存储单元22可以耦合至同一个电气母线12或不同的电气母线12，并且因此可以与相同的或不同的负载18和/或不同的“本地化”母线条件相关联。
在该示例性布置中，第一能量存储单元22-1是超级电容器，而第二能量存储单元22-2是电池，例如铅酸电池或锂离子电池。值得注意的是，能够看到包括在相应的功率共享控制器32中的各个滤波器电路40-1和40-2的特定量身定制。例如，滤波器电路40-1对于从0到1/T1的第一带宽有效地具有零增益(K0＝0)，其中T1表示第一频率的周期，对于第二较高的频带具有相对较低的增益K1，并且对于最高的频带具有相对较高的增益K2。这些增益补充了超级电容器的充电/放电特性，并且与对基于电池的能量存储单元22-2描绘的示例性增益值形成对比。
图9示出了控制节点100，控制节点100可以是具有CPU或其他处理电路102的计算机或其他处理节点，其中CPU或其他处理电路102包括存储装置104或与存储装置104相关联；例如，存储装置104是某种类型的计算机可读介质，提供对计算机程序106的非瞬态存储。处理电路102提供运行时间环境108，处理电路102在该运行时间环境108中例如基于来自计算机程序106的程序指令的执行而实施所描绘的功能性处理元件。功能性处理元件可以理解为实施上述成本-优化节点62和控制-优化节点84的功能性。为此，控制节点100还包括用于与控制设备30通信的一个或多个通信接口，例如计算机网络接口。
功能性元件114、116和118代表了成本-优化节点62的功能性。这些处理块包括燃料-成本优化器118，其基于对大量输入的考虑输出用于功率共享控制器32的稳态命令值。这些输入包括功率流模型、用于在混合型能量存储系统20中实施的不同类型的能量存储单元22的能量存储单元模型、用于在电网10中实施的发电机14的发电机模型、以及燃料-成本模型。这些输入可以通过通信接口110获得，其中输入可以例如包括对互联网或其他外部网络的访问以提供变化的燃料成本信息等，并且输入可以包括一个或多个文件输入/输出接口，例如用于访问含有相关建模信息的本地或远程数据库。
功能性元件120、122和124代表了控制-优化节点84的功能性。这些处理块包括ES-控制优化器124，其基于对大量输入的考虑输出用于功率共享控制器32的功率共享控制参数，例如滤波器参数。这些输入包括例如用于功率共享控制器32和/或充电状态控制器34的动态母线模型、能量存储单元模型、发电机模型以及控制器模型。
考虑海上船舶作为示例性情形。对于海上船舶的选定操作模式，首先获得长期稳态负载预测和短期负载变化预测。基于稳态负载预测，使用系统功率流模型、能量存储单元模型、柴油工作特性以及燃料成本和效率曲线获得对于能量存储单元22的最佳稳态计划。另外，基于短期负载变化，利用DC-母线动态情况以及能量存储单元模型、柴油发电机模型和控制器模型获得一组最佳功率共享控制参数，例如滤波器参数。
广义地，控制节点100或另一个节点可以作为上层级功率和能量管理系统(或者说是PEMS)操作。PEMS可以具有至所设想的控制设备30的通信链路，例如用于向每个功率共享控制器32提供用于目标稳态值的最优命令信号和/或提供最优滤波器设定等。当然，在其他实施方式中，功率共享控制器32使用预先配置的控制和/或滤波器设定。然而，在这种实施方式中，功率共享控制器32可以在正在进行的操作过程中适配或以其他方式调节这种控制和滤波值。
在任何情况下，控制设备30允许对混合型能量存储系统20中的所有能量存储单元22使用基本相同的功率共享控制环，同时仍然例如通过在不同的功率共享控制器32中使用不同的稳态或其他目标值和/或不同的滤波器32设定而对不同类型的能量存储单元22提供不同的控制策略。
在功率共享控制器32的所设想的串联布置中，功率最密集的能量存储单元22始终首先对高频负载变化作出反应，这减小了循环并且提高了能量更密集的能量存储单元22(即具有较慢的充电/放电时间但是存储更多能量的能量存储单元22)的寿命。在这种布置下，能量密集的能量存储单元22用作用来提供功率变化的备份并且对低频变化提供最多的负载能量。
当然，串联控制串方法仅仅是一个示例。更一般地，功率共享控制器32可以理解为提供用于控制一定数量的能量存储单元22的分布式控制方法，其中这些能量存储单元22中的两个或更多个具有不同的类型并且具有不同的能量存储特性。该分布式策略提供了多种优点，包括独立单元发生故障的风险减小。
值得注意的是，受益于在前面的描述和相关的附图中提供的教导的本领域技术人员将能够想到所公开的发明的修改和其他实施方式。例如，将认识到的是，本文的教导能够应用于大量的应用，包括DC电网和AC电网。因此，将理解的是，本发明不限于所公开的特定实施方式，并且意在使修改和其他实施方式包括在本公开的范围内。尽管本文可能使用了特定的术语，但这些术语仅仅是在一般性的描述层面上使用，并非用于限制的目的。

Claims (18)

1.一种控制设备，用于控制混合型能量存储系统，所述混合型能量存储系统包括与电网相关联的两个或更多个能量存储单元，所述电网包括一个或多个电气母线，其中所述能量存储单元中的至少两个能量存储单元具有不同的能量存储特性，并且其中所述控制设备包括：
对应于每个能量存储单元的功率共享控制器，每个功率共享控制器构造成生成功率共享命令信号；以及
对应于每个能量存储单元的充电状态控制器，每个充电状态控制器构造成响应于由对应的功率共享控制器生成的功率共享命令信号通过相关联的本地转换器单元控制对应的能量存储单元的充放电；
每个功率共享控制器包括：
滤波器电路，所述滤波器电路构造成通过根据滤波器响应对所述功率共享控制器的输入信号进行滤波而获得经过滤波的输入信号，其中所述滤波器响应适配于对应的能量存储单元的能量存储特性，所述输入信号反映了所述电网上的负载变化；以及
控制电路，所述控制电路构造成生成作为经过滤波的输入信号与稳态命令信号的组合的所述功率共享命令信号，其中所述稳态命令信号表示对应的能量存储单元的目标稳态条件。
2.根据权利要求1所述的控制设备，其中，作为提供给所述功率共享控制器中的至少一个功率共享控制器的所述输入信号具有与其相关联的通信延迟，并且其中所述至少一个功率共享控制器中的每一个还包括延迟补偿电路，所述延迟补偿电路构造成基于预测作为针对对应的能量存储单元获得的低延迟本地电网测量的函数的所述输入信号的值而补偿所述通信延迟。
3.根据权利要求2所述的控制设备，其中，所述延迟补偿电路构造成基于由所述输入信号指示的所述本地电网测量的估测值与所述本地电网测量的对应的实际值之间的追踪差而适配所述输入信号的预测。
4.根据权利要求1所述的控制设备，其中，所述两个或更多个能量存储单元包括第一能量存储单元和第二能量存储单元，并且其中，所述控制设备包括对应于所述第一能量存储单元的第一功率共享控制器和第一充电状态控制器以及对应于所述第二能量存储单元的第二功率共享控制器和第二充电状态控制器，并且其中所述第一功率共享控制器和所述第二功率共享控制器以串联的布置耦合，使得对所述第二功率共享控制器的所述输入信号被提供为来自所述第一功率共享控制器的输出信号，并且其中所述第一功率共享控制器构造成生成作为对所述第一功率共享控制器的所述输入信号与由所述第一功率共享控制器生成的功率共享命令信号之间的差的输出信号。
5.根据权利要求1所述的控制设备，其中，每个功率共享控制器构造成相对于其他的一个或多个功率共享控制器自主地操作，并且其中，每个功率共享控制器均构造成接收与其他的一个或多个功率共享控制器共同的所述输入信号，或者接收来自针对对应的能量存储单元的本地电网测量的所述输入信号。
6.根据权利要求1所述的控制设备，其中，所述功率共享控制器中的至少一个功率共享控制器中的所述滤波器电路是适应性滤波器电路，并且其中每个适应性滤波器电路均构造适配其滤波器响应为下述项中的至少一项的函数：频率响应的命令变化；增益的命令变化；从所述能量存储单元的测量的稳态或电荷状态条件得到的调节信号；以及对应的最大或最小稳态或电荷状态设定。
7.根据权利要求1所述的控制设备，其中，对每个功率共享控制器的所述输入信号均包括表示母线电压测量信号与名义电压设定之间的差的差分信号。
8.根据权利要求1所述的控制设备，其中，每个功率共享控制器中的所述控制电路构造成基于获得组合信号并且进一步基于使所述组合信号经过限幅器而生成所述功率共享命令信号，其中所述组合信号是通过将经过滤波的输入信号与表示用于对应的能量存储单元的目标稳态充电或放电功率、稳态充电或放电电流、或稳态电荷状态的稳态命令信号相组合而获得的。
9.根据权利要求1所述的控制设备，其中，所述控制设备的第一功率共享控制器构造成用于与作为对应的能量存储单元的超级电容器使用，并且所述控制设备的第二功率共享控制器构造成用于与作为对应的能量存储单元的电池使用，并且进一步其中所述第一功率共享控制器的滤波器电路构造成具有比所述第二功率共享控制器的滤波器电路更高的频率响应。
10.一种控制混合型能量存储系统中的两个或更多个能量存储单元的方法，所述两个或更多个能量存储单元与包括一个或多个电气母线的电网相关联，其中所述能量存储单元中的至少两个能量存储单元具有不同的能量存储特性，并且所述方法包括：
基于下述步骤对每个能量存储单元单独地生成功率共享命令信号：
针对每个能量存储单元获得反映所述电网上的负载变化的输入信号；
通过滤波器电路对用于每个能量存储单元的所述输入信号进行滤波以获得经过滤波的输入信号，其中所述滤波器电路具有适配于所述能量存储单元的能量存储特性的滤波器响应；以及
将用于每个能量存储单元的经过滤波的输入信号与用于所述能量存储单元的稳态命令信号进行组合，从而获得用于所述能量存储单元的功率共享命令信号，所述稳态命令信号表示所述能量存储单元的目标稳态条件；以及
通过充电状态控制器控制每个能量存储单元的充放电，所述充电状态控制器构造成响应于针对所述能量存储单元单独地生成的所述功率共享命令信号控制与所述能量存储单元相关联的本地转换器单元。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，针对所述能量存储单元中的至少一个能量存储单元获得的所述输入信号具有与其相关联的通信延迟，并且其中所述方法包括基于预测作为针对所述能量存储单元获得的低延迟本地电网测量的函数的所述输入信号的值而针对每个这种输入信号补偿所述通信延迟。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括基于由所述输入信号指示的所述本地电网测量的估测值与所述本地电网测量的对应的实际值之间的追踪差而适配每个这种输入信号的预测。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述两个或更多个能量存储单元包括第一能量存储单元和第二能量存储单元，并且其中获得用于所述第二能量存储单元的输入信号包括：生成作为对所述第一能量存储单元的输入信号与用于所述第一能量存储单元生成的所述功率共享命令信号之间的差的输出信号；以及使用所述输出信号作为用于所述第二能量存储单元的输入信号。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，获得用于每个能量存储单元的输入信号包括接收从所述能量存储单元中的另一个的输入信号得到的输入信号，或者从对所述能量存储单元进行的本地电网测量生成所述输入信号。
15.根据权利要求10所述的方法，还包括：针对所述能量存储单元中的至少一个能量存储单元中的每一个，将用来获得用于所述能量存储单元的经过滤波的输入信号的所述滤波器电路的滤波器响应适配为下述各项中的至少一项的函数：频率响应的命令变化；增益的命令变化；从所述能量存储单元的测量的稳态或电荷状态条件得到的调节信号；以及对应的最大或最小稳态或电荷状态设定。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，对每个能量存储单元获得的所述输入信号包括表示母线电压测量信号与名义电压设定之间的差的差分信号。
17.根据权利要求10所述的方法，其中，对每个能量存储单元生成所述功率共享命令信号基于获得组合信号并且进一步基于使所述组合信号经过限幅器，其中获得所述组合信号是通过将用于所述能量存储单元的经过滤波的输入信号与表示用于所述能量存储单元的目标稳态充电或放电功率、稳态充电或放电电流、或稳态电荷状态的稳态命令信号中的一个信号相组合而进行的。
18.根据权利要求10所述的方法，其中，所述两个或更多个能量存储单元中的第一个是超级电容器并且所述两个或更多个能量存储单元中的第二个是电池，并且其中所述方法包括利用具有比对用于所述第二能量存储单元的输入信号进行滤波的滤波器电路更高的频率响应的滤波器电路对用于所述第一能量存储单元的输入信号进行滤波。
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