CN112751376B - 一种混合电源系统的能量管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及能量管理技术领域，尤其是针对包含多种混合发电电源系统的能量管理技术，具体的说是一种针对燃料电池、锂电池、超级电容构成的混合发电电源系统的能量管理方法。本发明通过对负载需求电流及超级电容实时电压状况进行比较判断，给定各电源输出跟踪电流指令、各电源对应DC/DC变换器的工作模式指令、直流母线稳压电源指令。当负载需求电流大于0时，能量管理进行各电源放电控制，优先使用燃料电池进行放电。当负载需求电流小于0时，能量管理进行各电源充电控制，优先对超级电容进行充电。本发明设计的混合电源系统能量管理方法在保证直流母线稳定的同时，使混合电源系统快速跟踪负载变化，实现整个发电系统的快速、稳定运行。

Description

一种混合电源系统的能量管理方法
技术领域
本发明涉及能量管理技术领域，尤其是针对包含多种混合发电电源系统的能量管理技术，具体的说是一种针对燃料电池、锂电池、超级电容构成的混合发电电源系统的能量管理方法。
背景技术
各类电子及电力设备的正常运行，需要电源提供稳定的电能。由于化石能源价格的不断上涨以及衍生出的诸多环境问题，人们越来越倾向于使用可再生能源。燃料电池有着能量密度高、清洁、能量转换率高等优点，被广泛使用。但单纯由燃料电池构成的发电系统不具备良好的负载跟随特性，因此需要引入储能设备，如超级电容或锂电池作为辅助电源，与燃料电池构成混合发电系统，弥补燃料电池动态性能的不足。由燃料电池、超级电容、锂电池相互组合构成的混合电源系统可以有效提高各个电源的使用寿命和综合性能，在飞机、汽车、船舶、航空等诸多动力装备的电源系统中都得到了广泛应用。
发明内容
混合电源的能量管理系统的控制，是针对不同的负载工作状况，对不同电源之间的功率如何分配进行控制，同时还需要保证整个系统的电压稳定，能量管理方法的设计直接影响混合电源系统的工作性能。现有技术中，针对燃料电池和单储能设备的混合电源系统，如燃料电池和超级电容，或是燃料电池和锂电池组成的混合电源系统的能量管理方法研究较多，但缺少对同时包含燃料电池、锂电池和超级电容三种能源的混合电源系统能量管理方法的研究。对于混合电源系统，各组电源需要连接单向DC/DC或双向DC/DC变换器再并联于直流母线上，能量管理方法需要控制直流母线电压的稳定。本发明提出一种针对燃料电池、超级电容、锂电池构成的混合电源系统的能量管理方法，通过给定各电源对应变换器的工作模式指令及跟踪电流指令，调控三种电源的功率输出，在保证直流母线稳定的同时，使混合电源系统快速跟踪负载变化，实现整个发电系统的快速、稳定运行。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种混合电源系统的能量管理方法，包括以下步骤：
判断负载需求电流Idemand是否大于0，当负载需求电流Idemand大于0时，表明负载消耗电能，此时混合电源系统放电，能量管理控制器进行电源放电控制，优先使用燃料电池进行放电；当负载需求电流Idemand小于0时，表明负载反馈电能给混合电源系统，此时混合电源系统向锂电池和超级电容充电，能量管理控制器进行电源充电控制，优先使用超级电容进行充电；
能量管理控制器进行放电控制的过程为：
2-1)判断负载需求电流Idemand是否大于燃料电池最大放电电流，如果负载需求电流Idemand小于或等于燃料电池最大放电电流，此时，燃料电池输出指令电流Ifc为Idemand；锂电池和超级电容分别输出指令电流Ibat和Isc均为0；
2-2)如果负载需求电流Idemand大于燃料电池最大放电电流，则比较超级电容实时电压Usc与超级电容最小放电电压极限值Usc_min，若Usc大于Usc_min，此时燃料电池按照最大电流放电，输出指令电流Ifc为Ifc_max即燃料电池允许的最大放电电流值，锂电池按照设置的限定电流Ibat_set放电，输出指令电流Ibat为Ibat_set，超级电容按照剩下所需的电流输出，输出指令电流Isc为负载需求电流与燃料电池和锂电池输出电流的差值Idemand-Ifc-Ibat；
2-3)若负载需求电流Idemand大于燃料电池最大放电电流，并且Usc小于或等于Usc_min，此时燃料电池按照最大电流放电，输出指令电流Ifc为Ifc_max；锂电池按照剩下所需的电流输出，输出指令电流Ibat为负载需求电流与燃料电池输出电流的差值Idemand-Ifc；超级电容输出指令电流Isc为0；
能量管理控制器进行充电控制的过程为：
3-1)判断超级电容实时电压Usc是否小于超级电容最大充电电压极限值Usc_max，若Usc小于Usc_max，此时超级电容按照负载需求电流Idemand充电，输出充电指令电流Isc为Idemand；燃料电池和锂电池不充电，分别输出指令电流Ifc为0，Ibat为0；
3-2)若Usc大于或等于Usc_max，此时反馈电能只能向锂电池充电，锂电池按照负载需求电流Idemand充电，输出充电指令电流Ibat为Idemand；燃料电池和超级电容不充电，分别输出指令电流Ifc为0，Isc为0。
步骤2-1)中，直流母线电压由锂电池维持控制，燃料电池DC/DC变换器工作于恒流放电模式，锂电池DC/DC变换器工作于恒压恒流模式，超级电容DC/DC变换器工作于恒流放电模式。
步骤2-2)中，直流母线电压由超级电容维持控制，燃料电池DC/DC变换器工作于恒流放电模式，锂电池DC/DC变换器工作于恒流放电模式、超级电容DC/DC变换器工作于恒压恒流模式。
步骤2-3)中，直流母线电压由锂电池维持控制，燃料电池DC/DC变换器工作于恒流放电模式，锂电池DC/DC变换器工作于恒压恒流模式，超级电容DC/DC变换器工作于恒流放电模式。
步骤3-1)中，直流母线电压由锂电池维持控制，燃料电池DC/DC变换器工作于恒流放电模式，锂电池DC/DC变换器工作于恒压恒流模式，超级电容DC/DC变换器工作于恒流充电模式。
步骤3-2)中，直流母线电压由超级电容维持控制，燃料电池DC/DC变换器工作于恒流放电模式，锂电池DC/DC变换器工作于恒流充电模式、超级电容DC/DC变换器工作于恒压恒流模式。
一种混合电源系统的能量管理系统，包括：燃料电池通过单向DC/DC变换器接于直流母线，锂电池通过双向DC/DC变换器接于直流母线，超级电容通过双向DC/DC变换器接于直流母线，负载直接接于直流母线。
所述负载为可制动型负载，既可以消耗电能，也可以回馈电能，电能在直流母线与负载间双向流动。
还包括能量管理控制器用于采集燃料电池、锂电池和超级电容三种电源以及负载的状态信息，并通过执行能量管理方法，向各电源及对应DC/DC控制器发送指令信息。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明的能量管理方法通过对燃料电池、锂电池、超级电容三种混合电源构成的能源系统进行稳定、高效的能量管理，实现了不同电源之间、电源与负载之间的能量协调，解决了燃料电池不能吸收反馈功率和动态响应慢的缺点，并且能够稳定系统直流母线电压不波动，系统输出功率快速跟踪负载功率变化，提升了各电源的使用效率。
2.能量管理能够使燃料电池最大化出力，同时保证超级电容储能电源不会出现过充或过放现象，保证电源安全，提升储能电源的使用寿命。
3.本发明中的能量管理也适用于光伏、风电、舰船等新能源与锂电池、超级电容组成的混合电源系统。
附图说明
图1是由燃料电池、锂电池、超级电容构成的混合电源系统结构图；
其中，1是燃料电池，2是锂电池，3是超级电容，4是燃料电池配合使用的单向DC/DC变换器，5是锂电池配合使用的双向DC/DC变换器，6是超级电容配合使用的双向DC/DC变换器，7是系统所接负载，8是系统直流母线，9是能量管理控制器；
图2是混合电源系统的能量管理控制流程图；
图3是DC/DC变换器恒流控制模式原理图；
图4是DC/DC变换器恒压恒流控制模式原理图。
具体实施方式
一种混合电源系统的能量管理方法根据系统负载需求电流Idemand及超级电容实时电压Usc状况进行判断，确定各电源输出电流指令、各电源对应DC/DC变换器的工作模式、直流母线稳压电源。当负载需求电流Idemand大于0时，能量管理进行各电源放电控制，优先使用燃料电池进行放电。当负载需求电流Idemand小于0时，能量管理进行各电源充电控制，优先对超级电容进行充电。
负载需求电流Idemand，通过采集负载支路电流获取；
超级电容实时电压Usc，通过采集超级电容输出端电压获取；
各电源输出电流指令，包括燃料电池输出电流指令Ifc、锂电池输出电流指令Ibat、超级电容输出电流指令Isc；
直流母线稳压电源，指由超级电容或锂电池组充当，负责维持直流母线电压在参考值，恒定不变。
各电源对应DC/DC变换器的工作模式，包括燃料电池连接的单向DC/DC变换器工作于恒压恒流模式或恒流放电模式，锂电池连接的双向DC/DC变换器工作于恒压恒流模式、恒流放电模式或恒流充电模式，超级电容连接的双向DC/DC变换器工作于恒压恒流模式、恒流放电模式或恒流充电模式。
能量管理放电控制，指判断负载需求电流大小，当负载电流值大于0时，表明负载消耗电能，此时需要混合电源系统放电，能量管理进行各电源放电控制。
能量管理充电控制，指判断负载需求电流大小，当负载电流值小于0时，表明负载反馈电能给混合电源系统，此时需要混合电源系统需向储能电源充电，能量管理进行各电源充电控制。
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，混合电源系统中包含三种电源，分别为1组燃料电池，1组锂电池，1组超级电容。
其中燃料电池只能释放电能，不能吸收电能，电能由燃料电池向直流母线单向流动，燃料电池经过单向DC/DC变换器，实现电压电流变换，并接于系统直流母线上，Pfc为燃料电池输出功率，单向流动。
锂电池作为储能电源既能够释放电能，也能吸收电能，电能在直流母线与锂电池间双向流动，锂电池经过双向DC/DC变换器，实现电压电流变换，并接于直流母线上，Pbat为锂电池输出功率，可双向流动。
超级电容作为储能电源既能够释放电能，也能吸收电能，电能在直流母线与超级电容间双向流动，超级电容经过双向DC/DC变换器，实现电压电流变换，并接于直流母线上，Psc为超级电容输出功率，可双向流动。
负载并接于直流母线上，负载为可制动型负载，如旋转电机等，既可以消耗电能，也可以回馈电能，电能在直流母线与负载间双向流动，Pdemand为负载需求功率，可双向流动。
为保证系统稳定，直流母线电压需要维持在一个恒定值，由能量管理控制器输出指令确定由哪组电源担当直流稳压电源，稳定直流母线恒定。
能量管理控制器采集三种电源以及负载的状态信息，包括电流信息、电压信息、功率信息等，然后通过执行本发明的能量管理方法，向各电源及对应DC/DC控制器发送电流指令、工作模式指令、直流母线稳压指令等指令信息，实现系统能量统一管理。
如图2所示，为混合电源系统能量管理控制的流程图。能量管理控制器首先判断负载需求电流大小，当负载电流值大于0时，表明负载消耗电能，此时需要混合电源系统放电，能量管理进行各电源放电控制。当负载电流值小于0时，表明负载反馈电能给混合电源系统，此时需要混合电源系统需向储能电源充电，能量管理进行各电源充电控制。
能量管理控制器进行放电控制，能量管理方法确定优先使用燃料电池进行放电。因此对负载需求电流Idemand与燃料电池允许的最大放电电流值Ifc_max做比较。1)如果负载需求电流小于或等于燃料电池最大放电电流，此时，系统所有负载需求电流由燃料电池放电提供，燃料电池输出指令电流Ifc为Idemand；锂电池和超级电容输出指令电流Ibat和Isc为0。直流母线电压由锂电池维持控制，燃料电池DC/DC变换器工作于恒流放电模式，锂电池DC/DC变换器工作于恒压恒流模式，超级电容DC/DC变换器工作于恒流放电模式。2)如果负载需求电流大于燃料电池最大放电电流，需要进一步比较超级电容实时电压Usc与超级电容最小放电电压极限值Usc_min，若Usc大于Usc_min，则能量管理允许超级电容放电，负载需求电流由燃料电池、锂电池、超级电容三者放电满足。此时燃料电池按照最大电流放电，输出指令电流Ifc为Ifc_max；锂电池按照设置的限定电流Ibat_set放电，输出指令电流Ibat为Ibat_set；超级电容按照剩下所需的电流输出，输出指令电流Isc为负载需求电流与燃料电池和锂电池输出电流的差值Idemand-Ifc-Ibat。直流母线电压由超级电容维持控制，燃料电池DC/DC变换器工作于恒流放电模式，锂电池DC/DC变换器工作于恒流放电模式、超级电容DC/DC变换器工作于恒压恒流模式。3)如果负载需求电流大于燃料电池最大放电电流，并且若Usc小于或等于Usc_min，则能量管理不允许超级电容放电，只由燃料电池和锂电池放电。此时燃料电池按照最大电流放电，输出指令电流Ifc为Ifc_max；锂电池按照剩下所需的电流输出，输出指令电流Ibat为负载需求电流与燃料电池输出电流的差值Idemand-Ifc；超级电容输出指令电流Isc为0。直流母线电压由锂电池维持控制，燃料电池DC/DC变换器工作于恒流放电模式，锂电池DC/DC变换器工作于恒压恒流模式，超级电容DC/DC变换器工作于恒流放电模式。
能量管理控制器进行充电控制，能量管理方法确定优先向超级电容进行充电。对超级电容实时电压Usc与超级电容最大充电电压极限值Usc_max做比较。1)若Usc小于Usc_max，则能量管理允许向超级电容充电，此时超级电容按照负载需求电流Idemand充电，输出充电指令电流Isc为Idemand；燃料电池和锂电池不充电，分别输出指令电流Ifc为0，Ibat为0。此时直流母线电压由锂电池维持控制。燃料电池DC/DC变换器工作于恒流放电模式，锂电池DC/DC变换器工作于恒压恒流模式，超级电容DC/DC变换器工作于恒流充电模式。2)若Usc大于或等于Usc_max，则能量管理不允许向超级电容充电，此时反馈电能只能向锂电池充电，锂电池按照负载需求电流Idemand充电，输出充电指令电流Ibat为Idemand；燃料电池和超级电容不充电，分别输出指令电流Ifc为0，Isc为0。此时直流母线电压由超级电容维持控制。燃料电池DC/DC变换器工作于恒流放电模式，锂电池DC/DC变换器工作于恒流充电模式、超级电容DC/DC变换器工作于恒压恒流模式。
如图3所示，为DC/DC变换器恒流控制模式原理图。其中，Uin为DC/DC变换器的输入电压，Uout为DC/DC变换器的输出电压，Iout为DC/DC变换器的输出电流，Iref为电流控制器的电流指令值。恒流控制的主要目的是保持DC/DC变换器输出电流稳定跟踪指令电流。通过采集DC/DC变换器实际输出电流，与电流指令值做比较，产生误差信号，经过电流比较器后作为调制波，通过和三角载波比较获得驱动变换器开关导通和关断的PWM触发脉冲信号。
如图4所示，为DC/DC变换器恒压恒流控制模式原理图。其中，Udcref为电压控制器的电压指令值。恒压恒流控制主要是维持直流侧的电压恒定。恒压恒流控制采用双闭环控制，与恒流模式相比，是在电流内环外，增加一个电压外环。将变换器的输出电压作为电压控制器的输入，与给定直流电压指令值作差，得到电流控制器的电流指令值，它与变换器的输出电流作差，然后经过电流控制器调节产生比较器的控制信号，采用PWM调制方法，通过和三角载波比较获得驱动变换器开关导通和关断的PWM触发脉冲信号。

Claims (4)

1.一种混合电源系统的能量管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
判断负载需求电流Idemand是否大于0，当负载需求电流Idemand大于0时，表明负载消耗电能，此时混合电源系统放电，能量管理控制器进行电源放电控制，优先使用燃料电池进行放电；当负载需求电流Idemand小于0时，表明负载反馈电能给混合电源系统，此时混合电源系统向锂电池和超级电容充电，能量管理控制器进行电源充电控制，优先使用超级电容进行充电；
能量管理控制器进行放电控制的过程为：
2-1)判断负载需求电流Idemand是否大于燃料电池最大放电电流，如果负载需求电流Idemand小于或等于燃料电池最大放电电流，此时，燃料电池输出指令电流Ifc为Idemand；锂电池和超级电容分别输出指令电流Ibat和Isc均为0；
2-2)如果负载需求电流Idemand大于燃料电池最大放电电流，则比较超级电容实时电压Usc与超级电容最小放电电压极限值Usc_min，若Usc大于Usc_min，此时燃料电池按照最大电流放电，输出指令电流Ifc为Ifc_max即燃料电池允许的最大放电电流值，锂电池按照设置的限定电流Ibat_set放电，输出指令电流Ibat为Ibat_set，超级电容按照剩下所需的电流输出，输出指令电流Isc为负载需求电流与燃料电池和锂电池输出电流的差值Idemand-Ifc-Ibat；
2-3)若负载需求电流Idemand大于燃料电池最大放电电流，并且Usc小于或等于Usc_min，此时燃料电池按照最大电流放电，输出指令电流Ifc为Ifc_max；锂电池按照剩下所需的电流输出，输出指令电流Ibat为负载需求电流与燃料电池输出电流的差值Idemand-Ifc；超级电容输出指令电流Isc为0；
能量管理控制器进行充电控制的过程为：
3-1)判断超级电容实时电压Usc是否小于超级电容最大充电电压极限值Usc_max，若Usc小于Usc_max，此时超级电容按照负载需求电流Idemand充电，输出充电指令电流Isc为Idemand；燃料电池和锂电池不充电，分别输出指令电流Ifc为0，Ibat为0；
3-2)若Usc大于或等于Usc_max，此时反馈电能只能向锂电池充电，锂电池按照负载需求电流Idemand充电，输出充电指令电流Ibat为Idemand；燃料电池和超级电容不充电，分别输出指令电流Ifc为0，Isc为0；
步骤2-1)中，直流母线电压由锂电池维持控制，燃料电池DC/DC变换器工作于恒流放电模式，锂电池DC/DC变换器工作于恒压恒流模式，超级电容DC/DC变换器工作于恒流放电模式；
步骤2-2)中，直流母线电压由超级电容维持控制，燃料电池DC/DC变换器工作于恒流放电模式，锂电池DC/DC变换器工作于恒流放电模式、超级电容DC/DC变换器工作于恒压恒流模式；
步骤2-3)中，直流母线电压由锂电池维持控制，燃料电池DC/DC变换器工作于恒流放电模式，锂电池DC/DC变换器工作于恒压恒流模式，超级电容DC/DC变换器工作于恒流放电模式；
步骤3-1)中，直流母线电压由锂电池维持控制，燃料电池DC/DC变换器工作于恒流放电模式，锂电池DC/DC变换器工作于恒压恒流模式，超级电容DC/DC变换器工作于恒流充电模式；
步骤3-2)中，直流母线电压由超级电容维持控制，燃料电池DC/DC变换器工作于恒流放电模式，锂电池DC/DC变换器工作于恒流充电模式、超级电容DC/DC变换器工作于恒压恒流模式。
2.一种混合电源系统的能量管理系统，其特征在于，包括：燃料电池(1)通过单向DC/DC变换器(4)接于直流母线(8)，锂电池(2)通过双向DC/DC变换器(5)接于直流母线(8)，超级电容(3)通过双向DC/DC变换器(6)接于直流母线(8)，负载(7)直接接于直流母线(8)，所述一种混合电源系统的能量管理系统用于执行权利要求1所述的一种混合电源系统的能量管理方法。
3.根据权利要求2所述的一种混合电源系统的能量管理系统，其特征在于，所述负载(7)为可制动型负载，既可以消耗电能，也可以回馈电能，电能在直流母线(8)与负载(7)间双向流动。
4.根据权利要求2所述的一种混合电源系统的能量管理系统，其特征在于，还包括能量管理控制器(9)用于采集燃料电池、锂电池和超级电容三种电源以及负载的状态信息，并通过执行能量管理方法，向各电源及对应DC/DC控制器发送指令信息。
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