CN109378814A - 一种直流电力弹簧系统及其内部储能系统的能量管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对直流电力弹簧内部储能系统的能量管理方法，直流电力弹簧由直流三端口变换器、直流母线电容、储能系统和控制系统组成，直流三端口变换器的输入接新能源发电系统，而输出为非关键负载和关键负载，储能系统由双向DC/DC变换器和蓄电池组构成，与直流母线处关键负载并联，控制系统根据蓄电池的剩余能量和充放电方式，采用电压外环和电流内环两个环路分别对被控量进行控制。本发明的能量管理方法根据检测和计算得到的蓄电池组剩余电量，控制双向DC/DC变换器的工作模式，改变蓄电池的工作状态，实现快速充电、恒流充电、恒压充电和恒流放电等控制，维持直流母线电压在较小范围波动，维持蓄电池组剩余电量始终处于10％‑100％，从而提高大功率蓄电池组的使用寿命，确保储能设备的安全可靠运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种直流微电网储能系统的能量管理方法，属于新能源发电及电力电子技术领域。
背景技术
当前，我国已进入能源低碳转型的关键时期，风能、太阳能等新能源发展矛盾凸显，弃风、弃光等现象突出，并网消纳的瓶颈问题仍未解决。包括风能、太阳能在内的新能源发电具有随机性、间歇性和能流密度低的缺点，导致直流微电网的功率不稳定。为保证新能源发电系统的供电可靠性，提高供电电能质量，通常采用的措施是为直流微电网配备储能系统。
在众多储能方式中，直流电力弹簧作为一种新型储能技术，它根据直流微网中的负载所能承受电压波动的范围，将他们分为关键负载和非关键负载，其中关键负载对电压稳定的要求更高。直流电力弹簧将微网中的一部分能量波动转移到非关键负载，而将剩余的能量波动由蓄电池储能系统承担，实现快速灵活的能量存储方式，减少蓄电池的使用，势必成为新一代智能电网的关键性技术。储能系统中的蓄电池组作为储能设备最基本的储能单元，对储能设备的性能起决定作用，如何延长储能设备的使用寿命，确保储能设备的安全可靠运行，最关键的是蓄电池组能量管理技术。
电池使用过程中内部变化复杂，不同类型的电池特性亦相差很大。电池能量管理系统(BatteryManagementSystem,BMS)是电池组与用户之间的纽带，其主要目的就是为了能够提高电池的利用率，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命和监控电池的状态。
直流电力弹簧内部储能系统由蓄电池组和双向DC/DC变换器构成，蓄电池组通过双向DC/DC变换器与直流母线的关键负载并联，采用这种拓扑的储能系统电池组配置更灵活，充放电管理更加准确、可靠，适合于配合新能源大规模的接入。双向DC/DC变换器在拓扑选择、容量配置、控制策略，蓄电池的能量管理、充放电控制和剩余能量检测等方面将是研究的重点。
发明内容
针对新能源发电系统的随机性、间歇性和不稳定性等问题，直流电力弹簧通过移相控制将部分能量波动转移到非关键负载，剩余能量波动由蓄电池储能系统承担以维持关键负载的电压稳定，直流电力弹簧内部储能系统由双向DC/DC变换器和蓄电池组构成的，储能系统的能量管理方法要实现的功能是，当直流母线电压升高时，能量从电网经双向DC/DC变换器流入蓄电池组充电，当直流母线电压降低时，能量从蓄电池组经双向DC/DC变换器流入直流母线，从而保证直流母线侧电压恒定，确保关键负载的安全稳定运行。能量管理系统的控制策略主要是根据蓄电池剩余电量，控制双向DC/DC变换器的工作模式，实现蓄电池的充放电控制，提高电池的利用率，防止电池出现过充电和过放电，实现延长电池的使用寿命，监控电池状态等功能。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种直流电力弹簧系统(1.2)：所述系统包括直流三端口变换器(1.3)、直流母线电容(1.6)、储能系统(1.7)和控制系统(1.10)；所述储能系统包括双向DC/DC变换器(1.8)和蓄电池组(1.9)；所述控制系统从直流三端口变换器、直流母线电容和储能系统中获取电压电流信号，产生控制信号作用在直流三端口变换器和储能系统；所述双向DC/DC变换器高压侧连接直流母线且与关键负载(1.5)并联，低压侧连接蓄电池组(1.9)；所述双向DC/DC变换器由低压侧电容(2.1)、低压侧电感(2.2)和两个开关管(2.3，2.4)组成，其中低压侧电感作为Buck或Boost模式下时的储能元件，低压侧电容用于滤除高频谐波，控制两个开关管的导通和关断改变双向DC/DC变换器的工作模式，该方案中，所述直流电力弹簧用于直流微电网，通过移相控制可以实现将微网中的功率波动转移到非关键负载，而维持关键负载的电压和功率稳定。而储能系统主要用于协助维持直流母线侧电压功率稳定和关键负载的稳定运行，当直流母线电压波动超过直流电力弹簧调节范围时，储能系统才参与调节。
一种直流电力弹簧系统中储能系统的能量管理方法：所述能量管理方法是针对直流电力弹簧内部的储能系统的能量管理方法，实现维持直流母线电压在较小范围波动，维持蓄电池组剩余电量始终处于10％-100％，从而提高大功率蓄电池组的使用寿命，确保储能设备的安全可靠运行，所述方法包括以下步骤：
(1)检测和计算蓄电池组剩余电量SOC(stateof charge)；
(2)根据检测和计算得到的每个蓄电池SOC，对蓄电池系统进行分组；
(3)根据检测得到的直流母线电压，控制双向DC/DC变换器的工作模式；
(4)根据检测和计算得到的每组蓄电池SOC，以及双向DC/DC变换器的工作模式，改变蓄电池的工作状态，实现快速充电、恒流充电、恒压充电和恒流放电等控制。
作为本发明的一种改进，所述步骤(1)中，协调配合使用开路电压法和安时积分法，使用开路电压法获取蓄电池的初始荷电量SOC0与开路电压的关系，使用安时积分法求取蓄电池的实时荷电量SOC。
作为本发明的一种改进，所述步骤(2)中，蓄电池系统由多个蓄电池串并联组成，对蓄电池分组进行能量管理，控制系统根据测量和计算得到的每个蓄电池的SOC，对蓄电池分组，分别控制每组蓄电池的充放电。
作为本发明的一种改进，所述步骤(3)中，由于Buck和Boost工作模式之间需要缓冲，避免两个开关管同时导通，所以设定当直流母线电压高于参考值时即Vc>1.005Vcref时，启动双向DC/DC变换器工作在Buck模式，能量从直流母线向储能系统流动，蓄电池处于充电状态，储能系统吸收能量；当Vc<0.995Vcref时，启动双向DC/DC变换器工作在Boost模式，能量储能系统向直流母线流动，蓄电池处于放电状态，储能系统释放能量。当0.995Vcref<Vc<1.005Vcref时，双向DC/DC变换器高压侧和低压侧相互隔离，储能系统保持备用状态。
作为本发明的一种改进，所述步骤(4)中，根据蓄电池的SOC值做出变化，当双向DC/DC变换器工作在Buck模式下，蓄电池工作在充电状态时，当SOC小于80％，使用恒流充电，当SOC大于80％时，改为恒压充电，在SOC接近100％时逐渐停止充电。当双向DC/DC变换器工作在Boost状态下，蓄电池工作在放电状态时，采用恒流放电，如果SOC<10％时，应当停止放电，准备进入充电模式。
相对于现有技术，本发明的效果如下：
1)该方案实现直流母线侧电压稳定，保证了关键负载的供电稳定。
新能源发电的不稳定性导致直流母线电压的波动，当直流母线侧电压Vdc超过参考电压Vdcref的1.005倍，则启动双向DC/DC变换器的Buck工作模式，给蓄电池充电，能量从直流母线流向蓄电池，直至母线电压0.995Vdcref<Vdc<1.005Vdcref，当直流母线侧电压Vdc小于参考电压Vdcref的0.995倍，则启动双向DC/DC变换器的Boost工作模式，蓄电池提供的能量流向直流母线，直至母线电压0.995Vdcref<Vdc<1.005Vdcref，从而保证了直流母线侧电压在一定范围的稳定。
2)该方案保证蓄电池系统长期稳定运行，提高电池的利用率，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命。
该方案的蓄电池的充放电控制以双闭环控制方法为主，电压外环和电流内环分别控制电压和电流的稳定，实现恒流充电、恒压充电和恒流放电。恒流充放电是指保证蓄电池的充放电电流为稳定值，一般不超过蓄电池的电流额定值，恒压充电是指保证充电时蓄电池端电压为稳定值，一般稍大于蓄电池的电压额定值。蓄电池的工作状态是以检测剩余电量SOC后改变的，充放电控制保证蓄电池SOC在10％-100％之间，避免了蓄电池的过充和过放，从而延长蓄电池的使用寿命，保证蓄电池储能系统长期稳定运行。
附图说明
图1是直流电力弹簧结构图；
图2是直流电力弹簧内部储能系统结构图；
图3是直流电力弹簧内部储能系统的控制框图；
图4是蓄电池充电模式下测得的OCV-SOC曲线；
图5是仿真模型单独光伏发电系统输出的直流母线电压；
图6是仿真模型光伏发电系统经直流电力弹簧并联直流母线时的工作特性，三个子图从上到下分别是直流母线电压波形、蓄电池电流波形(放电时记为正)和蓄电池端电压波形。
图中：1.1为光伏发电系统，1.2为直流电力弹簧，1.3为直流三端口变换器，1.4为非关键负载，1.5为关键负载，1.6为直流母线电容，1.7为储能系统，1.8为双向DC/DC变换器，1.9为蓄电池组，1.10为控制单元；
2.1为低压侧电容，2.2为低压侧电感，2.3和2.4为MOSFET开关管；
3.1为直流母线电压参考值，3.2为直流母线电压，3.3和3.7为减法器，3.4为电压环PI环节，3.5为电池电流参考值，3.6为电池电流，3.8为电流环PI环节，3.9为限幅环节，3.10为调制波信号，3.11为三角载波，3.12为SPWM波发生器，3.13为控制信号。
具体实施方式：
为了加深对本发明的认识和理解，下面结合附图和实施方式进一步介绍本发明的技术方案。
实施例1：参见图1，一种直流电力弹簧系统1.2，所述系统包括直流三端口变换器1.3、直流母线电容1.6、储能系统1.7和控制系统1.10；所述储能系统包括双向DC/DC变换器1.8和蓄电池组1.9；所述控制系统从直流三端口变换器、直流母线电容和储能系统中获取电压电流信号，产生控制信号作用在直流三端口变换器和储能系统；所述双向DC/DC变换器高压侧连接直流母线且与关键负载1.5并联，低压侧连接蓄电池组1.9；所述双向DC/DC变换器由低压侧电容2.1、低压侧电感2.2和两个开关管2.3，2.4组成，其中低压侧电感作为Buck或Boost模式下时的储能元件，低压侧电容用于滤除高频谐波，控制两个开关管的导通和关断改变双向DC/DC变换器的工作模式，该方案中，所述直流电力弹簧用于直流微电网，通过移相控制可以实现将微网中的功率波动转移到非关键负载，而维持关键负载的电压和功率稳定。而储能系统主要用于协助维持直流母线侧电压功率稳定和关键负载的稳定运行，当直流母线电压波动超过直流电力弹簧调节范围时，储能系统才参与调节。
实施例2：参见图1-图6，一种直流电力弹簧系统中储能系统的能量管理方法：所述能量管理方法是针对直流电力弹簧内部的储能系统的能量管理方法，实现维持直流母线电压在较小范围波动，维持蓄电池组剩余电量始终处于10％-100％，从而提高大功率蓄电池组的使用寿命，确保储能设备的安全可靠运行，所述方法包括以下步骤：
(1)检测和计算蓄电池组剩余电量SOC(stateof charge)；
(2)根据检测和计算得到的每个蓄电池SOC，对蓄电池系统进行分组；
(3)根据检测得到的直流母线电压，控制双向DC/DC变换器的工作模式；
(4)根据检测和计算得到的每组蓄电池SOC，以及双向DC/DC变换器的工作模式，改变蓄电池的工作状态，实现快速充电、恒流充电、恒压充电和恒流放电等控制。
所述步骤(1)中，利用开路电压法和安时积分法相结合的方法来检测和计算蓄电池的剩余电量SOC。开路电压法获取蓄电池的初始荷电量SOC0，安时积分法求取蓄电池的实时荷电量SOC，SOC定义为其中SOC(t)表示t时刻蓄电池的荷电状态；C为蓄电池的额定容量；ηi表示充放电倍率系数；i(t)表示t时刻的电流值，并且规定充电时记为负，放电时记为正
所述步骤(2)中，蓄电池储能系统由多个蓄电池串并联组成，对蓄电池分组进行能量管理。蓄电池储能系统根据测量和计算得到的每个蓄电池的SOC，来对蓄电池分组，分别控制每组蓄电池的充放电。
所述步骤(3)中，由于Buck和Boost工作模式之间需要缓冲，避免两个开关管同时导通，所以设定当直流母线电压高于参考值时即Vc>1.005Vcref时，启动双向DC/DC变换器工作在Buck模式，能量从直流母线向储能系统流动，蓄电池处于充电状态，储能系统吸收能量；当Vc<0.995Vcref时，启动双向DC/DC变换器工作在Boost模式，能量储能系统向直流母线流动，蓄电池处于放电状态，储能系统释放能量。当0.995Vcref<Vc<1.005Vcref时，双向DC/DC变换器高压侧和低压侧相互隔离，储能系统保持备用状态。
所述步骤(4)中，根据蓄电池的SOC值做出变化，当双向DC/DC变换器工作在Buck模式下，蓄电池工作在充电状态时，当SOC小于80％，使用恒流充电，当SOC大于80％时，改为恒压充电，在SOC接近100％时逐渐停止充电。当双向DC/DC变换器工作在Boost状态下，蓄电池工作在放电状态时，采用恒流放电，如果SOC<10％时，应当停止放电，准备进入充电模式。
控制系统的恒压充电、恒流充电和恒流放电的控制方法从控制目标入手，采用电压外环和电流内环两个环路分别对被控量进行控制，对控制器进行理论建模，提出控制器参数的设计方法等。
具体应用实施例：
实施例1：蓄电池的SOC检测：
以放电过程为例，测量蓄电池的SOC得到开路电压-荷电状态曲线(OCV-SOC)。初始SOC为100％，额定容量为24Ah的铅酸蓄电池，以2.4A的电流放电，即ηi＝0.1C，每隔半小时断开放电电路，测量开路电压Vo，直到端电压为使用说明书中规定的放电截止电压时认为SOC为0，利用安时积分法计算得到对应的SOC，可以做出放电过程的OCV-SOC曲线，如图3所示。同样通过充电方式也可以得到充电过程的OCV-SOC曲线。
图3拟合得到的OCV-SOC曲线的表达式：
SOC＝0.3371Vo 2-7.9368Vo+46.739 (1)
利用上述公式可以计算得到蓄电池初始荷电状态SOC0，其中开路电压Vo的范围Vo∈(11.5,13.5)。然后根据安时积分法，利用公式可以计算充放电过程中的实时SOC。
实施例2：双向DC/DC变换器的充放电控制：
搭建直流微网下的光伏发电系统和直流电力弹簧储能系统的仿真模型。光伏发电系统输出连接到直流母线，给定光照发生变化，最大功率点跟踪(MPPT)控制其输出功率达到最大值。直流电力弹簧及其内部储能系统，通过控制双向DC/DC变换器实现直流母线侧电压稳定、蓄电池恒流充放电和蓄电池剩余电量SOC保持在10％-100％之间。
如图4所示，模拟了独立的光伏发电系统接入直流母线时的母线电压波形。当光照强度发生变化时，MPPT控制下的输出直流母线电压也发生变化。0-0.4s光照强度为1000W/m2，稳定时的输出电压为105V左右，0.4s-0.7s变化为500W/m2，输出电压为75V左右，0.7s-1s变化为750W/m2，输出电压为90V左右。
如图5所示，模拟了光伏发电系统经过直流电力弹簧接入直流母线时的工作特性。直流电力弹簧及其内部储能系统此时发挥作用。光伏发电系统的输入光照变化仍然与图4系统相同，直流母线电压、蓄电池电流和端电压分别如图5三个通道所示。直流母线侧电压基本维持在给定值80V的0.995-1.005倍之间，0.1-0.4s时蓄电池工作在充电模式，0.4-0.7s时蓄电池工作在放电模式，0.7-1s时蓄电池工作在充电模式，这样能够保证直流母线侧多余功率可以流入蓄电池，不足功率可以由蓄电池组补充。
需要说明的是上述实施例仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案基础上做出的等同替换或者替代，均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种直流电力弹簧系统(1.2)，其特征在于：所述系统包括直流三端口变换器(1.3)、直流母线电容(1.6)、储能系统(1.7)和控制系统(1.10)；所述储能系统包括双向DC/DC变换器(1.8)和蓄电池组(1.9)；所述控制系统从直流三端口变换器、直流母线电容和储能系统中获取电压电流信号，产生控制信号作用在直流三端口变换器和储能系统；所述双向DC/DC变换器高压侧连接直流母线且与关键负载(1.5)并联，低压侧连接蓄电池组(1.9)；所述双向DC/DC变换器由低压侧电容(2.1)、低压侧电感(2.2)和两个开关管(2.3，2.4)组成，其中低压侧电感作为Buck或Boost模式下时的储能元件，低压侧电容用于滤除高频谐波，控制两个开关管的导通和关断改变双向DC/DC变换器的工作模式。
2.一种直流电力弹簧系统中储能系统的能量管理方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
(1)检测和计算蓄电池组剩余电量SOC(stateof charge)；
(2)根据检测和计算得到的每个蓄电池SOC，对蓄电池系统进行分组；
(3)根据检测得到的直流母线电压，控制双向DC/DC变换器的工作模式；
(4)根据检测和计算得到的每组蓄电池SOC，以及双向DC/DC变换器的工作模式，
改变蓄电池的工作状态，实现快速充电、恒流充电、恒压充电和恒流放电等控制。
3.根据权利要求2所述的储能系统的能量管理方法，特征在于：所述步骤(1)中，协调配合使用开路电压法和安时积分法，使用开路电压法获取蓄电池的初始荷电量SOC0与开路电压的关系，使用安时积分法求取蓄电池的实时荷电量SOC。
4.根据权利要求2所述的储能系统的能量管理方法，其特征在于：所述步骤(2)中，蓄电池系统由多个蓄电池串并联组成，对蓄电池分组进行能量管理，控制系统根据测量和计算得到的每个蓄电池的SOC，对蓄电池分组，分别控制每组蓄电池的充放电。
5.根据权利要求3所述的储能系统的能量管理方法，其特征在于，所述步骤(3)中，由于Buck和Boost工作模式之间需要缓冲，避免两个开关管同时导通，所以设定当直流母线电压高于参考值时即Vc>1.005Vcref时，启动双向DC/DC变换器工作在Buck模式，能量从直流母线向储能系统流动，蓄电池处于充电状态，储能系统吸收能量；当Vc<0.995Vcref时，启动双向DC/DC变换器工作在Boost模式，能量储能系统向直流母线流动，蓄电池处于放电状态，储能系统释放能量；当0.995Vcref<Vc<1.005Vcref时，双向DC/DC变换器高压侧和低压侧相互隔离，储能系统保持备用状态。
6.根据权利要求2所述的储能系统的能量管理方法，其特征在于，所述步骤(4)中，根据蓄电池的SOC值做出变化，当双向DC/DC变换器工作在Buck模式下，蓄电池工作在充电状态时，当SOC小于80％，使用恒流充电，当SOC大于80％时，改为恒压充电，在SOC接近100％时逐渐停止充电。当双向DC/DC变换器工作在Boost状态下，蓄电池工作在放电状态时，采用恒流放电，如果SOC<10％时，应当停止放电，准备进入充电模式。
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