CN107276064A - 一种基于adrc控制的锂电池与超级电容混合储能系统的工作方法 - Google Patents

一种基于adrc控制的锂电池与超级电容混合储能系统的工作方法 Download PDF

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杨沛麟
周雪松
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H02J7/34Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/345Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices

Abstract

一种基于ADRC控制的锂电池与超级电容混合储能系统的工作方法,将锂电池与超级电容分别通过双向半桥变换器连接到直流母线上构成混合储能系统,锂电池稳定直流母线电压以维持母线上能量供需平衡,超级电容立即供应负载波动功率高频分量,抑制负载突变对直流母线造成的影响。本发明分析解释了负载功率高频分量的检测方法,建立了双向半桥变换器的数学模型和四种模式下的控制策略。利用ADRC实现储能系统的精准综合控制,并易于分析系统的控制特性,特别是变换器系统的一些由开关切换引起的复杂特性。

Description

一种基于ADRC控制的锂电池与超级电容混合储能系统的工作 方法
技术领域
[0001] 本发明涉及微电网或分布式发电系统领域,特别涉及一种基于ADRC控制的锂电池 与超级电容混合储能系统及其工作方法。
背景技术
[0002] 近年,随着可再生能源的大量利用不仅能缓解能源危机,同时也能很大程度降低 有害物的排放,对环境起到了积极的作用。可再生能源发电也存在一定的缺点,比如发电受 外界影响比较大,发电不稳等,因此储能系统对于太阳能、风能等分布式发电系统的来说至 关重要。锂电池其轻便,体积小,能量密度大,符合分布式发电对能量密度的要求。锂电池的 缺点在于,受电化学反应速率的影响,其功率密度较小,当负载功率突变时,很难满足系统 的动态要求。超级电容充放电时内部发生的是物理变化,功率密度大是超级电容的一大特 点,可以瞬时提供较大功率,缺点在于其能量密度较低,因此锂电池与超级电容在性能上互 补性很强,自然可以考虑将两者结合构成混合储能系统,充分发挥两者优势,使系统性能大 大提尚。
[0003] 目前,围绕混合储能系统及其工作方法技术已开展大量研究。在充分考虑各个储 能元件的工作状态下,使混合储能系统的功率分配更合理,本发明采用ADRC控制进行混合 储能系统的功率优化分配。
发明内容
[0004] 本发明的目的是将锂电池与超级电容分别通过双向半桥变换器和直流母线相连 构成混合储能系统,锂电池维持直流母线上能量供需平衡通过稳定直流母线电压,超级电 容立刻供应负载波动功率高频分量,减小负载突变对直流母线造成的冲击。并且本发明建 立了双向半桥变换器的数学模型和四种模式下的控制策略。利用自抗扰(ADRC)实现储能系 统的综合控制。补充混合储能系统的控制基础理论,促使混合储能技术向更高的层次发展。
[0005] 本发明的技术方案:
[0006] 为了达到上述发明目的,本发明提供了一种基于ADRC控制的锂电池与超级电容混 合储能系统的工作方法,其特征在于,至少包括以下步骤:
[0007] 步骤A、将锂电池和超级电容分别通过双向半桥接到直流母线上构成混合储能系 统;
[0008] 步骤B、确定负载功率,并对负载功率进行高频分量的检测;
[0009] 步骤C、确定超级电容本身的充放电功率,当负载突然增高时,确定超级电容需要 释放的功率和放电电流,当负载突然减小时,确定超级电容需要吸收的功率和充电电流;
[0010] 步骤D、通过以上结果来控制超级电容的充放电电流来实现其对功率的控制;
[0011] 步骤E、确定控制原理图,采用ADRC实现对蓄电池和超级电容的工作控制。
[0012] 上述所说的混合储能系统包括:光伏发电阵列、负载、锂电池、超级电容、DC-DC变 换器,将锂电池和超级电容分别通过双向半桥接到直流母线上构成混合储能系统,直流母 线是光伏发电阵列、负载、储能系统三者的公共接点,分布式发电系统中的直流负载、独立 运行逆变器、并网运行逆变器为直流母线的负载。
[0013]上述所说的确定负载功率并检测是指:设?1。3(1、?^上。、?[„分别为负载、锂电池、超 级电容以及光伏电池的功率,则有
[0014] Pload = Pbat+Psc+Ppv
[0015] 对于负载功率高频分量的检测,采用单极点高通滤波器实现。设Psct为负载突变时 超级电容的高频功率给定量,则单极点高通滤波器的通用表达式为 Pur(S) Ks
[0016] -^TV = -— O
[0017] 上述所说的超级电容本身的充放电功率包括2个状态:设超级电容所连接的双向 变换器效率为Vs。和Is。分别为超级电容端电压和电流,对于超级电容本身的充放电功率Ps。 有
[0018] Psc = VscIsc
[0019]当负载突然增加时,经滤波得出的超级电容功率给定Pscr为正值,即此时超级电容 应该释放功率
[0020] P, =KJ, η
[0021] 此时超级电容放电电流应该为
[0022] Isc^jr~ 1 ) Kj?
[0023] 当负载突减时,经过滤波得出的Pscr为负值,即此时超级电容应该吸收功率
[0024] Psc = VscIsc = Pscrn
[0025] 则此时超级电容的充电电流大小为
[0026] Isc-ψ- (2)
[0027] 在负载突然增加或突然减小时,通过式⑴和式⑵计算结果来控制超级电容的充 放电电流来实现其功率的控制。
[0028] 上述所说的控制原理图:是在整个混合储能系统运行过程中。锂电池和超级电容 分别通过一个双向变换器连接到直流母线上,其中,混合储能系统的控制中包括四个控制 器。
[0029] 本发明的工作原理:
[0030] 本案所涉及的一种基于ADRC控制的锂电池与超级电容混合储能系统及其工作方 法的工作原理为:本发明将锂电池与超级电容分别通过双向半桥变换器连接到直流母线上 构成混合储能系统,锂电池稳定直流母线电压以维持母线上能量供需平衡,超级电容立即 供应负载波动功率高频分量,抑制负载突变对直流母线造成的影响。本发明分析解释了负 载功率高频分量的检测方法,建立了双向半桥变换器的数学模型和四种模式下的控制策 略。利用ADRC实现储能系统的综合控制。
[0031] 本发明的优越性和技术效果在于:利用ADRC实现储能系统的精准综合控制,并易 于分析系统的控制特性,特别是变换器系统的一些由开关切换引起的复杂特性。
附图说明
[0032] 附图1为本发明的简化的分布式发电系统结构图。
[0033] Pload——分布式发电系统负载的功率
[0034] Pbat--分布式发电系统裡电池的功率
[0035] Psc一一分布式发电系统超级电容的功率
[0036] Ppv--分布式发电系统光伏电池的功率
[0037] 附图2为本发明的混合储能系统控制原理图。
[0038] 锂电池和超级电容分别通过一个双向变换器连接到直流母线上,为了实现系统功 能,设计了四个控制器。
[0039] 附图3为本发明的双向半桥变换器电路结构图。
[0040] c--储能元件等效电容
[0041] R——串联内阻
[0042] U2--储能元件的端压
[0043] L——电感
[0044] S1,S2,C1一一开关管以及输出侧滤波电容构成双向半桥变换器
[0045] RL——等效负载
[0046] Ul——输出电压
[0047] 附图4为本发明的控制器1的控制框图。
[0048] 在变换器处于Boost单端稳压模式时,负载RL在数值上能取正负值,即变换器正向 工作时为正,反向时为负。双向变换器Boost型单端稳压模式采用电压电流双闭环调节,单 端稳压模式的控制框图如附图4所示。
[0049] 附图5为本发明的控制器2的控制框图。
[0050] 在超级电容正常工作时,超级电容供应负载高频功率,检测环节得到功率的高频 部分,计算得出超级电容充放电电流的参考值,再通过控制超级电容充放电电流来实现。通 过用ADRC控制器就可以使电感电流稳定,其控制框图如附图5所示。
[0051] 附图6为本发明的控制器3,4的控制框图。
[0052] 系统正常运行时,如果负载波动幅度小于设定的阈值,则需要对超级电容进行恒 压限流充电,使得超级电容的端电压回到给定值。另外,当锂电池端电压过低时,为了避免 锂电池过量放电,也需要对锂电池进行充电,此时变换器的控制目标是低压端输出电压,采 用电压外环电流双内环的双闭环的控制策略,控制框图如附图6所示。
[0053] 附图7为本发明的自抗扰控制的原理结构框图。
具体实施方式
[0054] 实施例:基于ADRC控制的锂电池与超级电容混合储能系统及其工作方法(见图2), 其特征在于,至少包括以下步骤:
[0055] 步骤A、将锂电池和超级电容分别通过双向半桥接到直流母线上构成混合储能系 统。
[0056] 步骤B、确定负载功率,并对负载功率进行高频分量的检测。
[0057] 步骤C、确定超级电容本身的充放电功率。当负载突然增高时,确定超级电容需要 释放的功率和放电电流。当负载突然减小时,确定超级电容需要吸收的功率和充电电流。
[0058] 步骤D、通过以上结果来控制超级电容的充放电电流来实现其对功率的控制。
[0059] 步骤E、确定控制原理图,采用ADRC实现对蓄电池和超级电容的工作控制。该系统 及其工作方法反映了混合储能系统通过锂电池稳定直流母线电压、超级电容提供负载突变 功率高频分量的运行方式,能够充分利用两种储能元件的优点,使整个储能系统具有高能 量密度和高功率密度的特点。另外恒压限流充电环节能在负载突变后对超级电容自动充放 电,使其端电压回到给定值,为下一次负载突变做准备,极大地提高了超级电容的利用率, 减小了系统对超级电容的容量要求。
[0060] 上述所说的混合储能系统包括:光伏发电阵列、负载、锂电池和超级电容,DC-DC变 换器。将锂电池和超级电容分别通过双向半桥接到直流母线上构成混合储能系统。结构如 附图1所示,直流母线可认为是光伏发电阵列、负载、储能系统三者的公共接点,把分布式发 电系统中的直流负载、独立运行逆变器、并网运行逆变器统称为直流母线的负载。
[0061] 上述所说的确定负载功率并检测是指:设Piciad、Pbat、Ps。、Ppv分别为负载、锂电池、超 级电容以及光伏电池的功率,则有
[0062] Pload = Pbat+Psc+Ppv
[0063] 锂电池在系统中的作用一般是维持母线上能量的功率平衡,在负载功率突变时, 光伏电池的功率可认为是不变的,这要求锂电池迅速的改变其充放电功率以供应负载。但 是锂电池功率密度小,所以锂电池很难满足实际情况。此时假如超级电容来提供负载功率 突变的部分,这样锂电池就只需提供负载功率变化的低频分量。这样可以大大地减小负载 突变对锂电池产生的影响,从而降低了对锂电池功率密度的要求,并提高了系统的动态响 应。同时锂电池能更好的平衡直流母线电压,并且降低了充放电电流的变化速率,这样能减 小对锂电池的伤害,延长蓄电池的使用寿命。
[0064] 对于负载功率高频分量的检测,采用单极点高通滤波器即可以实现,且控制简便 易行,数字化实现方便。设Psc^为负载突变时超级电容的高频功率给定量,则单极点高通滤 波器的通用表达式为
Figure CN107276064AD00071
[0066] 上述所说的超级电容本身的充放电功率包括2个状态:设超级电容所连接的双向 变换器效率为Vs。和Is。分别为超级电容端电压和电流,对于超级电容本身的充放电功率Ps。 有
[0067] Psc = VscIsc
[0068] 当负载突然增加时,经滤波得出的超级电容功率给定Pscr为正值,即此时超级电容 应该释放功率
Figure CN107276064AD00072
[0070] 此时超级电容放电电流应该为
Figure CN107276064AD00081
[0072] 当负载突减时,经过滤波得出的Pscr为负值,即此时超级电容应该吸收功率
[0073] Psc = VscIsc = Pscrn
[0074] 则此时超级电容的充电电流大小为
Figure CN107276064AD00082
[0076] 在负载突然增加或突然减小时,通过式⑴和式⑵计算结果来控制超级电容的充 放电电流来实现其功率的控制。
[0077] 控制器1采集锂电池充放电电流和直流母线电压,并根据给定的直流母线电压值 控制双向变换器工作于单端稳压模式,稳定直流母线的电压。控制器2采集超级电容端压和 充放电电流,根据负载功率高频分量检测环节的高频功率信号,得出超级电容实时充放电 电流值的大小,以实现超级电容充放电功率的控制,提供或吸收突变功率的高频部分,给锂 电池提供缓冲。控制器3工作在负载功率波动值小于设定阈值时,采集超级电容电流和端 压,根据设定的超级电容端压参考值Vscref进行恒压限流充电,这能使超级电容的电压时 刻维持在设定值,为下一次负载突变做准备。控制器4运行在锂电池过放时,锂电池已经不 能在维持母线电压稳定,应断开负载,对蓄电池进行充电,采集蓄电池电压和电流,进行恒 压限流充电。
[0078] 上述所说的双向半桥变换器包括两种模式的数学模型:当变换器运行于Boost单 端稳压模式时,设d为Sl的开关函数,可以得到其小信号模型为
Figure CN107276064AD00083
[0082]当变换器运行于Buck模式时,设d为S2的开关函数,可以得到其小信号模型为
Figure CN107276064AD00084

Claims (5)

1. 一种基于ADRC控制的锂电池与超级电容混合储能系统的工作方法,其特征在于,至 少包括以下步骤: 步骤A、将锂电池和超级电容分别通过双向半桥接到直流母线上构成混合储能系统; 步骤B、确定负载功率,并对负载功率进行高频分量的检测; 步骤C、确定超级电容本身的充放电功率,当负载突然增高时,确定超级电容需要释放 的功率和放电电流,当负载突然减小时,确定超级电容需要吸收的功率和充电电流; 步骤D、通过以上结果来控制超级电容的充放电电流来实现其对功率的控制; 步骤E、确定控制原理图,采用ADRC实现对蓄电池和超级电容的工作控制。
2. 根据权利要求1所述的基于ADRC控制的锂电池与超级电容混合储能系统的工作方 法,其特征在于:混合储能系统包括:光伏发电阵列、负载、锂电池、超级电容、DC-DC变换器, 将锂电池和超级电容分别通过双向半桥接到直流母线上构成混合储能系统,直流母线是光 伏发电阵列、负载、储能系统三者的公共接点,分布式发电系统中的直流负载、独立运行逆 变器、并网运行逆变器为直流母线的负载。
3. 根据权利要求1所述的基于ADRC控制的锂电池与超级电容混合储能系统的工作方 法,其特征在于:确定负载功率并检测是指:设?1。3(1、?^上。、?[^分别为负载、锂电池、超级电 容以及光伏电池的功率,则有 Pload _ Pbat+Psc+Ppv 对于负载功率高频分量的检测,采用单极点高通滤波器实现,设Psct为负载突变时超级 电容的高频功率给定量,则单极点高通滤波器的通用表达式为
Figure CN107276064AC00021
4. 根据权利要求1所述的基于ADRC控制的锂电池与超级电容混合储能系统的工作方 法,其特征在于:超级电容本身的充放电功率包括2个状态:设超级电容所连接的双向变换 器效率为1。和Is。分别为超级电容端电压和电流,对于超级电容本身的充放电功率Ps。有 P sc VscIsc 当负载突然增加时,经滤波得出的超级电容功率给定Pscr为正值,即此时超级电容应该 释放功率
Figure CN107276064AC00022
此时超级电容放电电流应该为
Figure CN107276064AC00023
当负载突减时,经过滤波得出的Pscr为负值,即此时超级电容应该吸收功率
Figure CN107276064AC00024
则此时超级电容的充电电流大小为
Figure CN107276064AC00025
在负载突然增加或突然减小时,通过式(1)和式(2)计算结果来控制超级电容的充放电 电流来实现其功率的控制。
5.根据权利要求1所述的基于ADRC控制的锂电池与超级电容混合储能系统的工作方 法,其特征在于:控制原理图是在整个混合储能系统运行过程中,锂电池和超级电容分别通 过一个双向变换器连接到直流母线上,其中,混合储能系统的控制中包括四个控制器。
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