CN108306280A - 一种混合储能自主分频能量管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合储能自主分频能量管理方法，通过在各储能单元的下垂控制中引入虚拟阻感和虚拟电容控制环，改变各变换器的等效输出阻抗值，通过合理的参数设计以减小系统参数及电压电流双环控制对变换器的等效输出阻抗值的影响，使其在低频域成阻感特性，在高频域成容性，从而使储能电容和储能电池优势互补，提高了混合储能的动态特性，实现能量的最有利用。在负荷突变时，超级电容迅速动作吸收系统瞬时功率的高频部分，提高系统的动态响应；蓄电池平衡功率波动的低频部分，延长了使用寿命，保证了系统的可靠运行。

Description

一种混合储能自主分频能量管理方法

技术领域

本发明涉及直流微电网储能控制技术领域，特别是关于一种由能量密度高的储能电池和功率密度大的储能电容构成的混合储能模块的自主分频能量管理方法。

背景技术

随着能源危机和环境污染的日益严重，可再生、无污染新能源受到了广泛的关注与研究。微电网作为将可再生分布式发电系统与储能装置及负载集成到可控子网络的关键技术，既能并网工作，也能孤岛运行。相比于交流微电网，直流微电网具有结构简单，能量转换次数少，无需考虑频率、相位和无功补偿设备，供电质量高等优势，促进了直流微电网的快速发展。

分布式发电装置功率输出的间歇性和负载的多变性可能会导致系统供需不平衡、直流母线电压波动、电能质量变差等问题，这使得储能成为直流微网不可或缺的重要环节。混合储能利用超级电容的功率密度高，响应速度快及锂电池的能量密度高的工作特性在负荷突变时削峰填谷，使得微网系统的稳定运行及供电可靠性得到了保障。而如何充分利用混合储能系统的优势实现的合理的功率调配，提高系统的动态响应速度，降低设备的运行成本，延长储能元件的使用寿命成为混合储能控制系统的研究焦点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种混合储能自主分频能量管理方法，对系统功率进行合理分配以提高系统的动态特性，保证系统的可靠稳定运行。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种混合储能自主分频能量管理方法，适用于直流微网混合储能控制系统；直流微网包括光伏模块、混合储能模块、电力电子变换器及负荷；所述光伏模块通过Boost电路与直流母线连接；所述混合储能模块包括超级电容和蓄电池，所述超级电容、蓄电池的输出均经Buck/Boost电路连接在直流母线上；所述Buck/Boost电路为双向DC/DC变换器；所述负荷由DC/DC变换器和阻性负载模拟；该方法包括以下步骤：

1)在每个采样周期的起始点，对直流母线电压U_dc、超级电容实际输出电压U_osc、蓄电池实际输出电压U_ob、光伏侧的输出电流i_res、超级电容输出电流i_osc、蓄电池输出电流i_ob、负载输出电流i_L1和i_L2进行采样，将经过AD转换器转换后的数据送给DSP控制器进行读取与存储；

2)将采样得到的负载电流i_L1与i_L2求和，再与光伏模块的输出电流i_res相减得到储能模块所要提供或吸收的电流i_o；

3)将步骤1)采样得到的蓄电池实际输出电流值i_ob与所引入的虚拟电感L_v及虚拟电阻R_v分别相乘后再求和，得到蓄电池输出侧电压修正值ΔU_ob：ΔU_ob＝(R_v+sL_v)i_ob；将步骤1)采样得到的超级电容输出电流值i_osc与所引入的虚拟电容C_v相乘后得到超级电容输出侧电压修正值ΔU_osc；其中，所述蓄电池侧引入的虚拟电感L_v取值为5mH，虚拟电阻R_v取值为1mΩ；超级电容侧引入的虚拟电容C_v的值取2mF；

4)利用下式计算得到蓄电池输出侧电压参考值U_ob ^*：其中，U_ref为与蓄电池输出端连接的Buck/Boost电路的输出电压参考值；ΔU_ob为蓄电池输出侧电压修正值；用与超级电容连接的Buck/Boost电路的输出电压参考值U^* _ref减去超级电容输出侧电压修正值ΔU_osc，得到超级电容输出侧电压参考值U_osc ^*；

5)将蓄电池输出侧电压参考值U_ob ^*与采样得到的蓄电池实际输出电压U_ob相减，得到电压误差信号ΔU_{ob_ref}；将超级电容输出侧电压参考值U_osc ^*与超级电容实际输出电压U_osc相减，得到电压误差信号ΔU_{osc_ref}；

6)将电压误差信号ΔU_{ob_ref}经PI控制器调节后，得到蓄电池所连接的Buck/Boost电路电感侧的电流参考值i_{b_ref}；将电压误差信号ΔU_{osc_ref}经PI控制器调节后，得到超级电容所连接的Buck/Boost电路电感侧的电流参考值i_{sc_ref}；

7)用电流参考值i_{b_ref}与蓄电池所连接的Buck/Boost电路中的电感电流反馈值i_b相减，其差值经PI调节后，得到蓄电池所连接的Buck/Boost电路PWM调制波信号D₁ ^*，将其传送至驱动保护电路，产生驱动信号，用来驱动蓄电池所连接的Buck/Boost电路；用电流参考值i_{sc_ref}与超级电容所连接的Buck/Boost电路中的电感电流反馈值i_sc相减，其差值经PI调节后，得到超级电容所连接的Buck/Boost电路PWM调制波信号D₂ ^*，将其传送至驱动保护电路，产生驱动信号，用来驱动超级电容所连接的Buck/Boost电路。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明通过在蓄电池侧引入虚拟阻抗和在超级电容侧引入虚拟电容，改变各储能单元所接变换器的等效输出阻抗值。通过合理的参数设计以减小系统参数及电压电流双环控制对变换器的等效输出阻抗值的影响，使其在低频域成阻感特性，在高频域成容性，从而使储能电容和储能电池优势互补，提高了混合储能的动态特性，实现能量的最有效利用。在负荷突变时，超级电容迅速动作吸收系统瞬时功率的高频部分，提高系统的动态响应；蓄电池平衡功率波动的低频部分，延长了使用寿命，保证了系统的可靠运行。本发明实现了直流微网混合储能能量的自主分频，可广泛应用到微电网储能控制系统中。

附图说明

图1为直流微网系统结构图；

图2为混合储能电路及其控制图；

图3(a)为传统的下垂控制方法的各储能单元电流波形图；图3(b)为采用本发明方法的各储能单元电流波形图。

具体实施方式

图1为本发明一实施例直流微网系统结构示意图，包括光伏模块、混合储能模块、电力电子变换器及负荷组成；光伏模块输出通过Boost电路与直流母线连接；混合储能模块由超级电容和蓄电池构成，其输出经Buck/Boost电路连接在直流母线上；负荷则由DC/DC变换器和阻性负载模拟。

图2为混合储能电路及其控制图，所述蓄电池经双向DC/DC1变换器与负载相连，其中蓄电池两端的端电压为U_b，双向DC/DC1由电感L₁及开关管S₁、S₂,及其寄生二极管D₁、D₂构成；所述超级电容经双向DC/DC2变换器与负载相连，其中超级电容两端的端电压为U_sc，双向DC/DC2由电感L₂及开关管S₃、S₄及其寄生二极管D₃、D₄构成，具体的混合储能自主分频能量管理控制策略包括以下步骤：

1)在每个采样周期的起始点，对直流母线电压U_dc、超级电容实际输出电压U_osc、蓄电池实际输出电压U_ob、光伏侧的输出电流i_res、超级电容输出电流i_osc、蓄电池输出电流i_ob、负载输出电流i_L1和i_L2经行采样,将经过AD转换器转换后的数据送给DSP控制器；

2)将采样得到的负载电流i_L1和i_L2求和，再与光伏模块的输出电流i_res相减得到储能模块所要提供或吸收的电流i_o，其计算公式为：

3)将采样得到的蓄电池实际输出电流值i_ob与所引入的虚拟电容L_v及虚拟电阻R_v分别相乘后再求和，得到蓄电输出侧电压瞬时修正值ΔU_ob，其计算公式为：

ΔU_ob＝(R_v+sL_v)i_ob

4)用变换器DC/DC1的输出电压参考值U_ref减去蓄电池输出侧电压修正值ΔU_ob，得到蓄电池输出侧电压参考值U_ob ^*，其计算公式为：

5)用蓄电池输出侧电压参考值U_ob ^*与采样得到的蓄电池实际输出电压的反馈值U_ob相减，得到电压误差信号ΔU_{ob_ref}；

6)将电压误差信号ΔU_{ob_ref}经PI控制器调节后，得到蓄电池所连接的DC/DC1变换器电感侧的电流参考值i_{b_ref}；

7)用电流参考值i_{b_ref}与DC/DC1变换器中的电感电流反馈值i_b相减，其差值经PI调节后，得到DC/DC1变换器PWM调制波信号D₁ ^*，将其传送至驱动保护电路，产生驱动信号，用来驱动双向变换器DC/DC1；

8)将采样得到的超级电容实际输出电流值i_osc与所引入的虚拟电容C_v相乘后得到超级电容输出侧电压修正值ΔU_osc，其计算公式为：

9)用变换器DC/DC2的输出电压参考值U_ref减去超级电容输出侧电压修正值ΔU_osc，得到超级电容输出侧电压参考值U_osc ^*；

10)用超级电容输出侧电压参考值U_osc ^*与超级电容实际输出电压的反馈值U_osc相减，得到电压误差信号ΔU_{osc_ref}；

11)将电压误差信号ΔU_{osc_ref}经PI控制器调节后，得到超级电容所连接的DC/DC2变换器电感侧的电流参考值i_{sc_ref}；

12)用电流参考值i_{sc_ref}与DC/DC2变换器中的电感电流反馈值i_sc相减，其差值经PI调节后，得到DC/DC2变换器PWM调制波信号D₂ ^*，将其传送至驱动保护电路，产生驱动信号，用来双向DC/DC2变换器。

图3(a)和图3(b)为本发明一实施例采用混合储能自主分频能量管理策略和传统的下垂控制方法的蓄电池输出电流和超级电容输出电流波形图。蓄电池侧引入的虚拟电感L_v的值取5mH，虚拟电阻R_v的值取1mΩ，超级电容侧引入的虚拟电容C_v的值取2mF，通过两图的对比，明显可以看出，采用本发明所提出的混合储能自主分频能量管理策略之后，在负载突变时超级电容迅速动作，吸收功率波动的高频部分，蓄电池输出电流缓慢增加吸收功率波动的低频部分。当系统达到稳态时，超级电容输出电流值又基本趋向于零，由蓄电池提供系统功率缺额的部分，提高了混合储能的动态特性，延长了各储能单元的使用寿命，实现能量的最有利用。

Claims (3)

1.一种混合储能自主分频能量管理方法，适用于直流微网混合储能控制系统；直流微网包括光伏模块、混合储能模块、电力电子变换器及负荷；所述光伏模块通过Boost电路与直流母线连接；所述混合储能模块包括超级电容和蓄电池，所述超级电容、蓄电池的输出均经Buck/Boost电路连接在直流母线上；所述负荷由DC/DC变换器和阻性负载模拟；其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)在每个采样周期的起始点，对直流母线电压U_dc、超级电容实际输出电压U_osc、蓄电池实际输出电压U_ob、光伏侧的输出电流i_res、超级电容输出电流i_osc、蓄电池输出电流i_ob、负载输出电流i_L1和i_L2进行采样，将经过AD转换器转换后的数据送给DSP控制器进行读取与存储；

2)将采样得到的负载电流i_L1与i_L2求和，再与光伏模块的输出电流i_res相减得到储能模块所要提供或吸收的电流i_o；

3)将步骤1)采样得到的蓄电池实际输出电流值i_ob与所引入的虚拟电感L_v及虚拟电阻R_v分别相乘后再求和，得到蓄电池输出侧电压修正值ΔU_ob：

ΔU_ob＝(R_v+sL_v)i_ob；将步骤1)采样得到的超级电容输出电流值i_osc与所引入的虚拟电容C_v相乘后得到超级电容输出侧电压修正值ΔU_osc；

4)利用下式计算得到蓄电池输出侧电压参考值U_ob ^*：其中，U_ref为与蓄电池输出端连接的Buck/Boost电路的输出电压参考值；ΔU_ob为蓄电池输出侧电压修正值；用与超级电容连接的Buck/Boost电路的输出电压参考值U^* _ref减去超级电容输出侧电压修正值ΔU_osc，得到超级电容输出侧电压参考值U_osc ^*；

5)将蓄电池输出侧电压参考值U_ob ^*与采样得到的蓄电池实际输出电压U_ob相减，得到电压误差信号ΔU_{ob_ref}；将超级电容输出侧电压参考值U_osc ^*与超级电容实际输出电压U_osc相减，得到电压误差信号ΔU_{osc_ref}；

6)将电压误差信号ΔU_{ob_ref}经PI控制器调节后，得到蓄电池所连接的Buck/Boost电路电感侧的电流参考值i_{b_ref}；将电压误差信号ΔU_{osc_ref}经PI控制器调节后，得到超级电容所连接的Buck/Boost电路电感侧的电流参考值i_{sc_ref}；

7)用电流参考值i_{b_ref}与蓄电池所连接的Buck/Boost电路中的电感电流反馈值i_b相减，其差值经PI调节后，得到蓄电池所连接的Buck/Boost电路PWM调制波信号D₁ ^*，将其传送至驱动保护电路，产生驱动信号，用来驱动蓄电池所连接的Buck/Boost电路；用电流参考值i_{sc_ref}与超级电容所连接的Buck/Boost电路中的电感电流反馈值i_sc相减，其差值经PI调节后，得到超级电容所连接的Buck/Boost电路PWM调制波信号D₂ ^*，将其传送至驱动保护电路，产生驱动信号，用来驱动超级电容所连接的Buck/Boost电路。

2.根据权利要求1所述的混合储能自主分频能量管理方法，其特征在于，所述Buck/Boost电路为双向DC/DC变换器。

3.根据权利要求1所述的混合储能自主分频能量管理方法，其特征在于，所述虚拟电感L_v取值为5mH，虚拟电阻R_v取值为1mΩ；超级电容侧引入的虚拟电容C_v的值为2mF。