CN108539727A - 一种应用于偏远地区可再生能源系统的混合储能电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种应用于偏远地区可再生能源系统的混合储能电源，它采用超级电容器通过DC‑DC变换器与燃料电池并联的半主动式结构。本发明由太阳能光伏发电、风力发电、燃料电池和超级电容器混合储能电源以及负载构成的偏远地区可再生能源系统，可充分利用大自然提供的能源；同时，混合储能电源能充分吸收由大自然提供的间歇性能量和功率输出，还能保证负载对能量和功率的双重需求。

Description

一种应用于偏远地区可再生能源系统的混合储能电源
技术领域
本发明涉及一种应用于偏远地区可再生能源系统的混合储能电 源，其中混合储能电源由比能量大的燃料电池和比功率大的超级电容 器以及DC-DC变换器组成。
背景技术
由于偏远地区用电量不稳定，可再生能源发电系统比传统供电系 统更具优势。但其缺点是间歇性的能量和功率输出均来源于大自然， 可再生能源发电系统难以控制。为了使间歇性的能量和功率输出规则 化，需要一种同时具有高能量密度和高功率密度，而且能持续几十分 钟或几小时的储能装置。传统抽水蓄能系统为偏远地区可再生能源的 收集提供了一个很好的解决方案，但其缺点是受场地和水位高度限 制，储能效率不高。
燃料电池因其发电效率高、比能量高、环境污染小和噪声低等优 点目前广泛应用于各种能量存储系统中，这对偏远地区可再生能源存 储是一个很好的解决方案。然而，燃料电池因其功率密度低，只对低 功率且稳定的负载供电情况颇具优势。偏远地区受天气影响，间歇性 能量和功率输出波动幅度大，燃料电池充电并不理想。使用期间很难 从快速的功率波动中恢复过来，电池的充电/放电速率有限。快速的 电源/负载波动使得电池承受巨大压力，导致电池长时间低电荷状态， 产生了更多的充电/放电周期，电池寿命从而显著地缩小。
为此，超级电容器(也被称为双电层电器)提供了一种解决方案。 超级电容器功率密度高，循环寿命长，与传统电池相比，它唯一的缺 点是低能量密度。由于超级电容器和燃料电池特性互补，合理结合起 来构成混合储能电源，必然为偏远地区可再生能源系统储能效率带来 很大的提高。
发明内容
为解决偏远地区可再生能源系统的储能部分能源利用效率低、难 以控制等问题，本发明提供一种应用于偏远地区可再生能源系统的混 合储能电源，该电源能充分吸收由大自然提供的间歇性能量和功率输 出，同时还能保证负载对能量和功率的双重需求。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种应用于偏远地区可再生能源系统的混合储能电源，该混合储 能电源采用超级电容器通过DC-DC变换器与燃料电池并联的半主动 式结构。
进一步地，DC-DC变换器采用高通滤波器功率分流控制策略，控 制燃料电池主要承担负载所需的平均功率，控制超级电容器主要承担 负载所需的间歇脉冲功率。
进一步地，该偏远地区可再生能源系统包括发电、储能和负载三 部分，其中发电部分由太阳能光伏发电和风力发电组成，储能部分由 燃料电池和超级电容器混合储能电源组成，负载由备直流备用负载和 经过逆变器后的交流家庭用户负载组成。
有益效果：
本发明由太阳能光伏发电、风力发电、燃料电池和超级电容器混 合储能电源以及负载构成的偏远地区可再生能源系统，可充分利用大 自然提供的能源；同时，混合储能电源能充分吸收由大自然提供的间 歇性能量和功率输出，还能保证负载对能量和功率的双重需求。
附图说明
图1是本发明的偏远地区可再生能源系统图；
图2是本发明的燃料电池和超级电容器混合储能电源等效模型 原理图；
图3是本发明的DC-DC变换器的高通滤波器功率分流控制策略 图；
图中：11-超级电容器、12-DC-DC变换器、13-燃料电池、21-太 阳能光伏发电、22-风力发电、31-备用负载、32-用户负载、33-逆变 器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，偏远地区可再生能源系统的发电部分由太阳能光伏 发电21和风力发电22组成，储能部分由燃料电池13和超级电容器 11混合储能电源组成，负载由备直流备用负载31和经过逆变器33 后的交流家庭用户负载32组成。其中，混合储能电源采用超级电容器11通过DC-DC变换器12与燃料电池13并联(超级电容器11与 DC-DC变换器12串联后再与燃料电池13连接)的半主动式结构，可 实现能量和功率的双向流动。
如图2所示，将燃料电池13和超级电容器11分别简化为理想电 压源与其等效内阻串联和理想电容器与其等效内阻串联的结构，主要 考虑混合储能电源的动态性能，并联内阻忽略不计。其中，Rb为燃料 电池13等效内阻，Rc为超级电容器11等效电阻，Ib为燃料电池13 支路的电流，Ic是超级电容器11支路的电流，Io间歇性负载的脉冲 电流。将图2(a)中的等效电路进行拉普拉斯变换，利用戴维宁定 理对其进行简化，可以得到图2(b)所示的等效电路。
其中，为理想电容器的初始电压，
基于此，将公式(1)进行拉普拉斯逆变换后得到：
设脉冲负载的周期为T，脉冲占空比为D，输出电流io(t)可以表 示为：
其中，Φ(t)为标准阶跃函数，将公式(4)进行拉普拉斯变换，得 到频域中的负载脉冲电流：
燃料电池13和超级电容器11并联后的等效内阻在脉冲电流作用 下的脉冲压降可表示为：
Vi(s)＝Z(s)·Io(s) (6)
将公式(6)进行拉普拉斯逆变换得到：
根据图2(b)，等效电流的输出电压可表示为：
Vo(s)＝V(s)-Vi(s) (8)
根据公式(3)、(7)，公式(8)在时域中的变换可表现为：
由此，可以推导出燃料电池13支路电流和超级电容器11支路电 流，分别见公式(10)、(11)：
Ic(t)＝Io(t)-Ib(t) (11)
当超级电容器11电压等于燃料电池13电压时，即时，电 路稳态。稳态时，燃料电池13支路电流和超级电容器11支路电流可 表示为：
当t＝(k+D)T时，燃料电池13支路达到峰值电流，将t＝(k+D)T 代入公式(12)中可得到燃料电池13支路的峰值电流，见公式(14)：
其中，ξc为燃料电池13支路电流达到峰值电流时，超级电容器 11的分配因子，ξc的表达式见公式(15)：
其中，γ为混合储能电源的功率增强因子[11]，γ的表达式见公 式(16)：
混合储能电源的输出功率可以表示为：
Ppeak＝IoVb＝γIratedVb＝γPrated (17)
其中，Irated为燃料电池13的额定电流，Io＝γIrated。由公式(14) 和(17)可以看出，单一燃料电池13作为脉冲负载的电源时， ξc＝0,γ＝1，Ibpeak＝Io，脉冲负载的电流将全部由燃料电池13承担，燃 料电池13放电压力较大。当燃料电池13和超级电容器11并联构成混合储能电源时，γ值恒大于1，燃料电池13支路的峰值电流小于脉 冲负载的电流幅值，超级电容器11支路承担了剩余部分脉冲负载电 流，燃料电池13放电压力得到缓解，混合储能电源的输出功率较单 一燃料电池13也有了很大的提高。
由公式(16)可以看出，γ越大，混合储能电源的功率输出能力 就越强。γ的取值大小不仅与燃料电池13内阻、超级电容器11内阻 及其各自容量有关，还跟脉冲负载的周期、占空比有关。脉冲负载的 周期、占空比越小，γ值就越大，当脉冲负载的周期T或占空比取极 限值0时，γ达到了最大值，γ的最大值由公式(18)可见：
燃料电池13和超级电容器11各自的内阻对混合储能电源的作用 不可忽略，燃料电池13内阻越大，超级电容器11内阻越小，混合储 能电源功率因子γ的值就越大，混合储能电源输出功率就越大，同时 燃料电池13承受的压力也就越小。因此选择合理容量和大小的燃料 电池13和超级电容器11混合储能电源在偏远地区可再生能源系统的 应用是可行的。
如图3所示，DC-DC变换器12采用高通滤波器功率分流控制策 略，其控制目标是使燃料电池13主要承担负载所需的平均功率，而 超级电容器11则主要承担负载所需的间歇脉冲功率。将负载电流 ILoad经过一个高通滤波器产生超级电容器11的理想电流即其真实值为超级电容器11的充电电流，也即 DC-DC变换器12的输出电流，G(s)为高通滤波器的传递函数。高通 滤波器单独使用并不能确保超级电容器11工作在安全的电压范围之 内。因此需要对高通滤波器控制进行改进，通过增加一个非线性电压控制，实时调整电压电流控制指令，可有效地保持超级电容器 11电压工作在稳定的范围之内。完整的控制算法为：
其中，为超级电容器11电压控制因子，a×(Vu-Vmid)线性 修正项，Vu为超级电容器11的电压，Iu为超级电容器11的电流。
如图3所示，通过超级电容器11电压控制因子f(0＜f＜1)衰 减负载电流，从而进一步控制超级电容器11电压。根据电流极性，f 有两种不同的作用：当超级电容器11电压接近其最大电压时，超级 电容器11充电电流需求减弱，放电电流需求相应增强；同理，当超级电容器11电压接近其最小电压时，超级电容器11放电电流需求减 弱，充电电流需求相应增强。为了确保超级电容器11电压不会偏离 其稳定电压范围，线性修正项a×(Vu-Vmid)会电压拉回到其额定电压 Vmid。
其中，n为一常数，定义电压控制因子的锐度，Vmax和Vmin分别为 超级电容器11的最大上限电压和最小下限电压。
对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发 明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可 做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (3)

1.一种应用于偏远地区可再生能源系统的混合储能电源，其特征在于：所述混合储能电源采用超级电容器(11)通过DC-DC变换器(12)与燃料电池(13)并联的半主动式结构。
2.根据权利要求1所述的应用于偏远地区可再生能源系统的混合储能电源，其特征在于：所述DC-DC变换器(12)采用高通滤波器功率分流控制策略，控制燃料电池(13)主要承担负载所需的平均功率，控制超级电容器(11)主要承担负载所需的间歇脉冲功率。
3.根据权利要求1或2所述的应用于偏远地区可再生能源系统的混合储能电源，其特征在于：所述偏远地区可再生能源系统包括发电、储能和负载三部分，其中发电部分由太阳能光伏发电(21)和风力发电(22)组成，储能部分由燃料电池(13)和超级电容器(11)混合储能电源组成，负载由备直流备用负载(31)和经过逆变器(33)后的交流家庭用户负载(32)组成。
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