CN106451717B - 一种蓄电池与超级电容混合储能系统充放电过程切换控制方法 - Google Patents

Abstract

一种蓄电池与超级电容混合储能系统充放电过程切换控制方法，包括如下步骤：步骤一、根据蓄电池和超级电容充放电过程能量守恒定理，建立蓄电池和超级电容混合储能系统充放电过程动态切换模型，以储能系统中储能器件的剩余荷电量的变化表示充放电过程，应用能量守恒定理，建立混合储能系统中储能器件的充放电过程的动态数学模型；步骤二、考虑实际蓄电池和超级电容的充放电的情况，对混合储能系统充放电过程动态模型进行变换设计；步骤三、构造充电过程输入函数u_c(t)和放电过程输入函数u_d(t)。本发明运算量较小、技术简单、使用方便、实用性良好。

Description

一种蓄电池与超级电容混合储能系统充放电过程切换控制 方法

技术领域

本发明涉及一种蓄电池与超级电容混合储能系统充放电过程切换控制方法。

背景技术

在目前的分布式电网中，风能、太阳能等可再生能源的比重越来越大。由于这些能源的电源输出功率受环境因素影响具有间歇性和随机性，将导致其并网后对电力系统的安全性和稳定性造成诸多不利影响。通常给可再生能源配置一定比例的静态无功补偿器可以快速补偿其无功功率，维持接入电网处电压稳定，而对于有功功率补偿，需要在可再生能源电源侧配置一定容量的储能系统。通过优化控制储能系统和这些能源电源的运行(即储能系统的功率配置)，平抑可再生能源电源注入电力系统的功率波动，使其输出功率满足电力系统安全稳定运行的要求。同时，为使储能系统具备大容量和大功率性能，通常采用能量型储能介质(如蓄电池)和功率型储能介质(如超级电容)混合组成储能系统。其中，能量型储能介质(如蓄电池)的能量密度大、功率密度小；相反，功率型储能介质(如超级电容)的能量密度小、功率密度大，且高倍率充-放电不会损害其性能。因此，在优化控制储能系统和这些能源电源的运行过程中，需要给出有效的优化控制策略以实现储能系统合理、有效的充放电功率配置。

经过对现有的关于超级电容和蓄电池充放电切换控制技术文献的检索发现，根据不同储能介质的互补特性，提出了超级电容与蓄电池混合储能系统，并从理论上证明了混合储能系统具有更高的功率输出能力和减少蓄电池的充放电次数。采用自动状态机控制方法实现风能、太阳能等发电系统的混合储能控制，采用多滞环PID调节控制策略，研究了适用于微电网的蓄电池和超级电容混合储能系统，结果表明混合系统在应对微网中频繁快速的功率和能量变化方面具有很好的技术经济性。进一步，在储能介质离散时间数学模型的基础上，研究功率型储能介质组成的储能系统，利用模糊控制策略实现储能优化控制。这些成果通常侧重于储能过程机理分析，同时在储能功率配置控制器设计中没有显式地考虑不同储能单元的物理约束、荷电量等限制，及各储能单元的充放电过程的不同特性。

发明内容

为了克服已有超级电容和蓄电池充放电切换控制技术的运算量较大、技术复杂、使用不方便的不足，本发明提供一种运算量较小、技术简单、使用方便、实用性良好的蓄电池与超级电容混合储能系统充放电过程切换控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种蓄电池与超级电容混合储能系统充放电过程切换控制方法，所述切换控制方法包括如下步骤：

步骤一、根据蓄电池和超级电容充放电过程能量守恒定理，建立蓄电池和超级电容混合储能系统充放电过程动态切换模型，以储能系统中储能器件的剩余荷电量的变化表示充放电过程，应用能量守恒定理，建立混合储能系统中储能器件的充放电过程的动态数学模型，见式(1)、(2)、(3)和(4)

其中，式(1)表示超级电容的充电过程动态模型，式(2)表示蓄电池的充电过程动态模型，式(3)表示超级电容的放电过程动态模型，式(4)表示蓄电池的放电过程动态模型，t表示充放电的时间，单位min，Q₁表示超级电容的剩余荷电量，单位MW，P₁表示超级电容的充放电功率，单位MW/min，σ_c1表示超级电容的充电过程的自放电率，单位％/min，η_c1表示超级电容的充电效率，单位％，σ_d1表示超级电容的放电过程的自放电率，单位％/min，η_d1表示超级电容的放电效率，单位％，Q₂表示蓄电池的剩余荷电量，单位MW，P₂表示蓄电池的充放电功率，单位MW/min，σ_c2表示蓄电池的充电过程的自放电率，单位％/min，η_c2表示蓄电池的充电效率，单位％，σ_d2表示蓄电池的放电过程的自放电率，单位％/min，η_d2表示蓄电池的放电效率，单位％；

步骤二、考虑实际蓄电池和超级电容的充放电的情况，对混合储能系统充放电过程动态模型进行变换设计，定义变量x₁＝Q₁、x₂＝Q₂、u₁＝P₁和u₂＝P₂，定义向量和根据公式(1)、(2)、(3)和(4)，分别定义蓄电池和超级电容混合的充放电过程的动态数学模型，见式(5)和(6)

其中，式(5)表示蓄电池和超级电容混合储能系统充电过程动态模型，式(6)表示蓄电池和超级电容混合储能系统放电过程动态模型，t表示充放电的时间，单位min，x表示储能系统中储能器件的荷电量(MW)，u表示充放电功率，单位MW/min；

步骤三、考虑超级电容充放电变换模型式(5)和(6)，定义矩阵

求解不等式方程组，见式(7)

其中P是未知变量，利用一元二次不等式方程组求解式(7)的未知变量P，得到式(7)的解，见式(8)

再构造充电过程输入函数u_c(t)，见式(9)

和放电过程输入函数u_d(t)，见式(10)

其中，θ₁、θ₂、θ₃和θ₄是参数。

进一步，所述切换控制方法还包括如下步骤：

步骤四、在蓄电池和超级电容混合储能系统充放电过程切换控制计算机上运行实施，过程如下：

4.1参数设置：包括模型参数和充放电过程目标参数；在模型导入界面中，分别输入超级电容充电和放电过程自放电率σ_c1和σ_d1，蓄电池充电和放电过程自放电率σ_c2和σ_d2，超级电容充电效率η_c1，超级电容放电效率η_d1，蓄电池充电效率η_c2，蓄电池放电效率η_d2，在控制参数设置界面中，输入蓄电池的初始荷电量和超级电容的初始荷电量；输入参数确认后，由控制计算机将设置数据送入计算机存储单元RAM中保存；

4.2离线调试：混合储能充放电控制系统进入控制器调试阶段，调整组态界面中的控制器参数θ₁、θ₂、θ₃和θ₄，观测混合储能系统的荷电量和功率输入的控制效果，由此确定一组能良好控制混合储能系统充放电过程的控制器参数值，参数θ₁、θ₂、θ₃和θ₄的取值规则：θ₁、θ₂、θ₃和θ₄为正实数，即θ₁＞0、θ₂＞0、θ₃＞0和θ₄＞0，参数θ₁、θ₂、θ₃和θ₄的调整规则：增大θ₁和θ₂的值将缩短充电过程的过渡时间，但增大充电过程的电容荷电量变化和功率值，增加对充电过程扰动的敏感性，增大θ₃和θ₄的值将缩短放电过程的过渡时间，但增大放电过程的电容荷电量变化和功率值，增加对放电过程扰动的敏感性；相反，减小θ₁和θ₂的值将延长充电过程的过渡时间，但减小充电过程的电容荷电量变化和功率值，降低对充电过程扰动的敏感性，减小θ₃和θ₄的值将延长放电过程的过渡时间，但减小放电过程的电容荷电量变化和功率值，降低对放电过程扰动的敏感性；实际调试控制器参数θ₁、θ₂、θ₃和θ₄时，应在充放电过程的过渡时间、电容荷电量变化和功率值容许的范围内综合权衡；

4.3在线运行：启动混合储能系统充放电过程切换控制计算机的CPU读取混合储能系统充放电过程模型参数和最佳控制器参数，通过在线测量混合储能系统中超级电容和蓄电池的实际荷电量，控制混合储能系统的充电和放电过程的充入功率和放出功率，实现混合储能系统充放电过程的有效控制。

本发明的技术构思为：先通过混合储能系统充放电过程的能量守恒定理建立蓄电池和超级电容充放电模型，再通过给定数据，求得共同李雅普诺夫正定对称矩阵，进一步求得混合储能系统充放电过程的切换控制器，进一步将其代入蓄电池和超级电容混合储能充放电模型，用于其充放电切换控制。该控制器设计方法简洁、易用，可用于指导实际的蓄电池和超级电容混合储能系统的充放电过程的切换控制。

本发明的有益效果主要表现在：运算量较小、技术简单、使用方便、实用性良好。

附图说明

图1是实施例蓄电池和超级电容混合储能系统充放电过程的剩余荷电量变化曲线图。

图2是实施例蓄电池和超级电容混合储能系统充放电过程的功率输入与输出函数曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1和图2，一种蓄电池与超级电容混合储能系统充放电过程切换控制方法，包括如下步骤：

步骤一、根据蓄电池和超级电容充放电过程能量守恒定理，建立蓄电池和超级电容混合储能系统充放电过程动态切换模型，以储能系统中储能器件的剩余荷电量的变化表示充放电过程，应用能量守恒定理，建立混合储能系统中储能器件的充放电过程的动态数学模型，见式(1)、(2)、(3)和(4)

其中，式(1)表示超级电容的充电过程动态模型，式(2)表示蓄电池的充电过程动态模型，式(3)表示超级电容的放电过程动态模型，式(4)表示蓄电池的放电过程动态模型，t表示充放电的时间(min)，Q₁表示超级电容的剩余荷电量(MW)，P₁表示超级电容的充放电功率(MW/min)，σ_c1表示超级电容的充电过程的自放电率(％/min)，η_c1表示超级电容的充电效率(％)，σ_d1表示超级电容的放电过程的自放电率(％/min)，η_d1表示超级电容的放电效率(％)，Q₂表示蓄电池的剩余荷电量(MW)，P₂表示蓄电池的充放电功率(MW/min)，σ_c2表示蓄电池的充电过程的自放电率(％/min)，η_c2表示蓄电池的充电效率(％)，σ_d2表示蓄电池的放电过程的自放电率(％/min)，η_d2表示蓄电池的放电效率(％)。

步骤二、考虑实际蓄电池和超级电容的充放电的情况，对混合储能系统充放电过程动态模型进行变换设计，定义变量x₁＝Q₁、x₂＝Q₂、u₁＝P₁和u₂＝P₂，定义向量和根据公式(1)、(2)、(3)和(4)，分别定义蓄电池和超级电容混合的充放电过程的动态数学模型，见式(5)和(6)

其中，式(5)表示蓄电池和超级电容混合储能系统充电过程动态模型，式(6)表示蓄电池和超级电容混合储能系统放电过程动态模型，t表示充放电的时间(min)，x表示储能系统中储能器件的荷电量(MW)，u表示充放电功率(MW/min)。

步骤三、考虑超级电容充放电变换模型式(5)和(6)，定义矩阵

求解不等式方程组，见式(7)

其中P是未知变量。利用一元二次不等式方程组求解式(7)的未知变量P，得到式(7)的解，见式(8)

再构造充电过程输入函数u_c(t)，见式(9)

和放电过程输入函数u_d(t)，见式(10)

其中，θ₁、θ₂、θ₃和θ₄是参数。

步骤四、在蓄电池和超级电容混合储能系统充放电过程切换控制计算机上运行实施，可以大致分为3个阶段：

4.1参数设置：包括模型参数和充放电过程目标参数；在模型导入界面中，分别输入超级电容充电和放电过程自放电率σ_c1和σ_d1，蓄电池充电和放电过程自放电率σ_c2和σ_d2，超级电容充电效率η_c1，超级电容放电效率η_d1，蓄电池充电效率η_c2，蓄电池放电效率η_d2，在控制参数设置界面中，输入蓄电池的初始荷电量和超级电容的初始荷电量；输入参数确认后，由控制计算机将设置数据送入计算机存储单元RAM中保存；

4.2离线调试，点击组态界面中的“调试”按钮，混合储能充放电控制系统进入控制器调试阶段，调整组态界面中的控制器参数θ₁、θ₂、θ₃和θ₄，观测混合储能系统的荷电量和功率输入的控制效果，由此确定一组能良好控制混合储能系统充放电过程的控制器参数值，参数θ₁、θ₂、θ₃和θ₄的取值规则：θ₁、θ₂、θ₃和θ₄为正实数，即θ₁＞0、θ₂＞0、θ₃＞0和θ₄＞0，参数θ₁、θ₂、θ₃和θ₄的调整规则：增大θ₁和θ₂的值将缩短充电过程的过渡时间，但增大充电过程的电容荷电量变化和功率值，增加对充电过程扰动的敏感性，增大θ₃和θ₄的值将缩短放电过程的过渡时间，但增大放电过程的电容荷电量变化和功率值，增加对放电过程扰动的敏感性；相反，减小θ₁和θ₂的值将延长充电过程的过渡时间，但减小充电过程的电容荷电量变化和功率值，降低对充电过程扰动的敏感性，减小θ₃和θ₄的值将延长放电过程的过渡时间，但减小放电过程的电容荷电量变化和功率值，降低对放电过程扰动的敏感性。因此，实际调试控制器参数θ₁、θ₂、θ₃和θ₄时，应在充放电过程的过渡时间、电容荷电量变化和功率值容许的范围内综合权衡；

4.3在线运行，点击组态界面“运行”按钮，启动混合储能系统充放电过程切换控制计算机的CPU读取混合储能系统充放电过程模型参数和最佳控制器参数，并执行“混合储能系统放电过程控制程序”，通过在线测量混合储能系统中超级电容和蓄电池的实际荷电量，控制混合储能系统的充电和放电过程的充入功率和放出功率，实现混合储能系统充放电过程的有效控制。

为了验证所建模型的性能，需要对模型进行拟合和校验。选取超级电容最大荷电量Q_1max＝0.75(MW)，超级电容充电过程自放电率σ_c1＝0.01(％/min)，超级电容放电过程自放电率σ_d1＝0.01(％/min)，超级电容充电效率为η_c1＝0.95和放电效率η_d1＝0.95；蓄电池最大荷电量Q_2max＝1.5(MW)，蓄电池充电过程自放电率σ_c2＝0.01(％/min)，蓄电池放电过程自放电率σ_d2＝0.01(％/min)，蓄电池充电效率为η₂＝0.90和放电效率η_d2＝0.90。在混合储能系统处于充电过程中，超级电容的充电过程控制目标是贮能电量Q_ce1＝0.95Q_1max和蓄电池的充电过程控制目标是贮能电量Q_ce2＝0.9Q_2max；在混合储能系统处于放电过程中，超级电容的放电过程控制目标是贮能电量Q_de1＝0.25Q_1max和蓄电池的放电过程控制目标是贮能电量Q_de2＝0.2Q_2max。设置混合储能系统的初始剩余荷电量，超级电容为0.6Q_1max和蓄电池为0.55Q_2max，混合储能系统充电过程结束后将切换到放电过程。

通过离线调试，设置参数θ₁＝0.5、θ₂＝1、θ₃＝0.5和θ₄＝1，将其带入式(9)和式(10)，求得混合储能系统充电过程和放电过程的功率输入输出函数，得到如图2所示。之后将该函数带入公式(5)和公式(6)，得到如图1所示，混合储能系统中超级电容和蓄电池的充放电过程的剩余荷电量的变化结果。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改，都落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种蓄电池与超级电容混合储能系统充放电过程切换控制方法，其特征在于：所述切换控制方法包括如下步骤：

步骤一、根据蓄电池和超级电容充放电过程能量守恒定理，建立蓄电池和超级电容混合储能系统充放电过程动态切换模型，以储能系统中储能器件的剩余荷电量的变化表示充放电过程，应用能量守恒定理，建立混合储能系统中储能器件的充放电过程的动态数学模型，见式(1)、(2)、(3)和(4)

其中，式(1)表示超级电容的充电过程动态模型，式(2)表示蓄电池的充电过程动态模型，式(3)表示超级电容的放电过程动态模型，式(4)表示蓄电池的放电过程动态模型，t表示充放电的时间，单位min，Q₁表示超级电容的剩余荷电量，单位MW，P₁表示超级电容的充放电功率，单位MW/min，σ_c1表示超级电容的充电过程的自放电率，单位％/min，η_c1表示超级电容的充电效率，单位％，σ_d1表示超级电容的放电过程的自放电率，单位％/min，η_d1表示超级电容的放电效率，单位％，Q₂表示蓄电池的剩余荷电量，单位MW，P₂表示蓄电池的充放电功率，单位MW/min，σ_c2表示蓄电池的充电过程的自放电率，单位％/min，η_c2表示蓄电池的充电效率，单位％，σ_d2表示蓄电池的放电过程的自放电率，单位％/min，η_d2表示蓄电池的放电效率，单位％；

步骤二、考虑实际蓄电池和超级电容的充放电的情况，对混合储能系统充放电过程动态模型进行变换设计，定义变量x₁＝Q₁、x₂＝Q₂、u₁＝P₁和u₂＝P₂，定义向量和根据公式(1)、(2)、(3)和(4)，分别定义蓄电池和超级电容混合的充放电过程的动态数学模型，见式(5)和(6)

其中，式(5)表示蓄电池和超级电容混合储能系统充电过程动态模型，式(6)表示蓄电池和超级电容混合储能系统放电过程动态模型，t表示充放电的时间，单位min，x表示储能系统中储能器件的荷电量(MW)，u表示充放电功率，单位MW/min；

步骤三、考虑超级电容充放电变换模型式(5)和(6)，定义矩阵

求解不等式方程组，见式(7)

其中P是未知变量，利用一元二次不等式方程组求解式(7)的未知变量P，得到式(7)的解，见式(8)

再构造充电过程输入函数u_c(t)，见式(9)

和放电过程输入函数u_d(t)，见式(10)

其中，θ₁、θ₂、θ₃和θ₄是参数。

2.如权利要求1所述的蓄电池与超级电容混合储能系统充放电过程切换控制方法，其特征在于：所述切换控制方法还包括如下步骤：

步骤四、在蓄电池和超级电容混合储能系统充放电过程切换控制计算机上运行实施，过程如下：

4.1参数设置：包括模型参数和充放电过程目标参数；在模型导入界面中，分别输入超级电容充电和放电过程自放电率σ_c1和σ_d1，蓄电池充电和放电过程自放电率σ_c2和σ_d2，超级电容充电效率η_c1，超级电容放电效率η_d1，蓄电池充电效率η_c2，蓄电池放电效率η_d2，在控制参数设置界面中，输入蓄电池的初始荷电量和超级电容的初始荷电量；输入参数确认后，由控制计算机将设置数据送入计算机存储单元RAM中保存；

4.2离线调试：混合储能充放电控制系统进入控制器调试阶段，调整组态界面中的控制器参数θ₁、θ₂、θ₃和θ₄，观测混合储能系统的荷电量和功率输入的控制效果，由此确定一组能良好控制混合储能系统充放电过程的控制器参数值，参数θ₁、θ₂、θ₃和θ₄的取值规则：θ₁、θ₂、θ₃和θ₄为正实数，即θ₁＞0、θ₂＞0、θ₃＞0和θ₄＞0，参数θ₁、θ₂、θ₃和θ₄的调整规则：增大θ₁和θ₂的值将缩短充电过程的过渡时间，但增大充电过程的电容荷电量变化和功率值，增加对充电过程扰动的敏感性，增大θ₃和θ₄的值将缩短放电过程的过渡时间，但增大放电过程的电容荷电量变化和功率值，增加对放电过程扰动的敏感性；相反，减小θ₁和θ₂的值将延长充电过程的过渡时间，但减小充电过程的电容荷电量变化和功率值，降低对充电过程扰动的敏感性，减小θ₃和θ₄的值将延长放电过程的过渡时间，但减小放电过程的电容荷电量变化和功率值，降低对放电过程扰动的敏感性；实际调试控制器参数θ₁、θ₂、θ₃和θ₄时，应在充放电过程的过渡时间、电容荷电量变化和功率值容许的范围内综合权衡；

4.3在线运行：启动混合储能系统充放电过程切换控制计算机的CPU读取混合储能系统充放电过程模型参数和最佳控制器参数，通过在线测量混合储能系统中超级电容和蓄电池的实际荷电量，控制混合储能系统的充电和放电过程的充入功率和放出功率，实现混合储能系统充放电过程的有效控制。