CN113131462A - 交流负荷供电系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种交流负荷供电系统和方法，该系统包括：供电装置以及DC/AC转换器；所述DC/AC转换器的交流侧通过一交流总线耦接至交流电网及交流负荷；所述供电装置输出直流电能，经由一直流总线耦接至所述DC/AC转换器的直流侧；其中，所述供电装置包括储能模块和控制器；所述储能模块至少包括第一储能单元与第二储能单元，所述控制器被配置为控制所述第一储能单元的转换操作以输出低频分量至所述直流总线，所述控制器还被配置为控制所述第二储能单元的转换操作以输出高频功率至所述直流总线。

Description

交流负荷供电系统和方法
技术领域
本公开涉及供配电领域，尤其涉及一种交流负荷供电系统和方法。
背景技术
为缓解供电压力，由光伏、风力发电、储能装置等组成的直流微网系统逐渐受到重视。考虑到负荷波动的随机性，以及光伏、风力发电等可再生能源具有间歇性、分布式的特点，给直流微网的稳定带来了巨大挑战，而储能装置在保证能量平衡、电能质量及系统稳定运行上承担了重要角色。
大功率交流负荷，如电动汽车充电站、交流异步机，所需要的电能分为长期稳态电能和瞬间动态电能，单一的储能装置同时处理高频骤变负荷需求和低频长期负荷需求，会牺牲电池性能，增加电池成本。
在电网容量有限或电网故障时，大功率交流负荷要求电能供应无缝切换，而目前采用外接不间断电源(Uninterruptible Power System，UPS)方式，无法实现无缝切换，造成负荷断电。
发明内容
本公开实施例提供一种交流负荷供电系统和方法，进而至少在一定程度上克服由于现有技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。
根据本公开实施例的第一方面，提出一种交流负荷供电系统，该系统包括：供电装置以及DC/AC转换器；所述DC/AC转换器的交流侧通过一交流总线耦接至交流电网及交流负荷；所述供电装置输出直流电能，经由一直流总线耦接至所述DC/AC转换器的直流侧；其中，所述供电装置包括储能模块和控制器；所述储能模块至少包括第一储能单元与第二储能单元，所述控制器被配置为控制所述第一储能单元的转换操作以输出低频分量至所述直流总线，所述控制器还被配置为控制所述第二储能单元的转换操作以输出高频功率至所述直流总线。
在本公开的一种示例性实施例中，所述控制器被配置为控制所述第一储能单元运行在电流源模式输出所述低频分量；所述控制器还被配置为控制所述第二储能单元运行在电压源模式输出所述高频功率。
在本公开的一种示例性实施例中，所述第一储能单元包括低功率密度储能元件和第一DC/DC转换器，所述控制器被配置为控制所述第一DC/DC转换器的输出电流。
在本公开的一种示例性实施例中，所述第二储能单元包括高功率密度储能元件和第二DC/DC转换器，所述控制器被配置为控制所述第二DC/DC转换器的输出电压。
在本公开的一种示例性实施例中，所述第一储能单元或第二储能单元包括飞轮储能装置和AC/DC转换器,所述控制器被配置为控制所述AC/DC转换器的输出电流或输出电压。
在本公开的一种示例性实施例中，所述储能模块具有一输出端口耦接至所述直流总线，所述储能模块包括多个储能单元，所述多个储能单元的输出端并联后耦接至所述输出端口，所述储能模块总的转换电能通过所述输出端口传输至所述直流总线。
在本公开的一种示例性实施例中，所述供电装置为一直流微网系统，所述直流微网系统还包括光伏发电模块、风力发电模块和柴油发电机中的一种或多种。
在本公开的一种示例性实施例中，所述控制器包括：计算单元，用于根据所述直流总线的电压信号和所述储能模块的电流信号计算所述储能模块的输出功率；功率提取单元，耦接于所述计算单元，提取所述输出功率中的低频分量；电流源控制单元，耦接于所述功率提取单元，用于根据所述低频分量调节所述第一储能单元的输出功率；电压源控制单元，用于根据所述直流总线的电压参考值调节所述第二储能单元的输出电压以稳定所述直流总线的电压，同时所述第二储能单元自动输出所述高频功率。
在本公开的一种示例性实施例中，所述第一储能单元包括低功率密度电池，所述第二储能单元包括高功率密度电池，所述计算单元还用于计算所述高功率密度电池的第一荷电状态；以及所述低功率密度电池的第二荷电状态。
在本公开的一种示例性实施例中，所述功率提取单元包括：第一计算模块，用于根据所述输出功率计算其平均功率变化率；滤波模块，用于当所述平均功率变化率大于功率波动阈值时，对所述输出功率进行滤波，以获得所述输出功率中的所述低频分量。
在本公开的一种示例性实施例中，所述功率提取单元还包括：第二计算模块，用于根据所述第一荷电状态和所述第二荷电状态分别计算获得第一充放电平衡度和第二充放电平衡度；第一调整模块，用于根据所述第二充放电平衡度、所述输出功率及所述平均功率变化率确定窗口函数并发送至所述滤波模块，以根据所述窗口函数调整所述滤波模块的窗口宽度及窗口形状；第二调整模块，用于根据所述第一充放电平衡度调整所述滤波模块的截止频率，计算所述截止频率在时域下的响应函数并发送至所述滤波模块。
在本公开的一种示例性实施例中，所述滤波模块根据所述窗口函数、所述响应函数及所述输出功率，计算滤波函数，以根据所述滤波函数提取所述低频分量。
在本公开的一种示例性实施例中，当所述平均功率变化率小于等于功率波动阈值时，所述输出功率为所述低频分量，输出至所述电流源控制单元。
在本公开的一种示例性实施例中，所述交流负荷为交流异步电机，所述第二储能单元用于提供所述交流异步电机启动时的功率，所述第一储能单元用于提供所述交流异步电机稳定运行时的功率。
在本公开的一种示例性实施例中，所述交流负荷为电动汽车充电站。
根据本公开实施例的第二方面，提出一种交流负荷供电方法，用于交流负荷供电系统，所述交流负荷供电系统包括供电装置以及DC/AC转换器，所述DC/AC转换器的交流侧通过一交流总线耦接至交流电网及交流负荷；所述供电装置输出直流电能，经由一直流总线耦接至所述DC/AC转换器的直流侧；其中，所述供电装置包括储能模块和控制器；所述储能模块至少包括第一储能单元与第二储能单元，所述控制器被配置为控制所述第一储能单元的转换操作以输出低频分量至所述直流总线，所述控制器还被配置为控制所述第二储能单元的转换操作以输出高频功率至所述直流总线，其特征在于，所述供电方法包括：
步骤1，采集所述直流总线的电压和储能模块的输出电流以计算所述储能模块的输出功率；
步骤2，对所述输出功率进行提取获得低频分量；
步骤3，根据所述低频分量调节所述第一储能单元的输出功率，使其输出所述交流负荷所需的低频分量；
步骤4，根据所述直流总线的电压参考值调节所述第二储能单元的输出电压以稳定所述直流总线的电压，使其输出所述交流负荷所需的高频功率。
在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：计算所述高功率储能设备中第二储能单元的第一荷电状态；计算所述第一储能单元中低功率储能设备的第二荷电状态。
在本公开的一种示例性实施例中，所述步骤2包括：
步骤21，根据所述输出功率计算其平均功率变化率；
当所述平均功率变化率大于功率波动阈值时，对所述输出功率进行滤波，以获得所述输出功率中的低频分量，当所述平均功率变化率小于等于功率波动阈值时，所述输出功率即为所述低频分量。
在本公开的一种示例性实施例中，所述步骤2还包括：
步骤22，根据所述第一荷电状态和所述第二荷电状态分别计算第一充放电平衡度和第二充放电平衡度；
步骤23，根据所述第二充放电平衡度、所述输出功率及所述功率变化率确定窗口函数，以根据所述窗口函数调整所述滤波模块的窗口宽度及窗口形状；
步骤24，根据所述第一充放电平衡度调整预设的截止频率以获得最终的截止频率，计算最终的截止频率在时域下的响应函数；
步骤25，根据所述窗口函数、所述响应函数及所述输出功率，计算滤波函数。
本公开提供的交流负荷供电系统和方法，采用分频控制机制，例如低功率密度储能单元运行在电流源模式，提供低频功率；高功率密度储能单元运行在电压源模式，自动提供高频功率，即自动提供功率差额。供电系统可运行在并网模式，同时为电网和交流负荷供电，此时DC/AC转换器可运行在交流电流源或虚拟同步机；供电系统还可以作为后备电源，运行于离网模式单独为交流负荷供电，此时DC/AC转换器可运行在交流电压源或虚拟同步机，本公开的交流负荷供电系统可实现并离网的无缝切换。当交流负荷为充电站时，本公开的交流负荷供电系统能够在不改变现有充电站结构的基础上实现对充电站的并网和离网供电。
于一些实施例中，根据直流总线的电压和储能模块的输出电流确定其输出功率，能够不依赖通讯获取供电系统其他节点和交流负荷的功率信号。
于一些实施例中，根据高功率密度储能元件的荷电状态、低功率密度储能元件的荷电状态及储能模块的输出功率自适应地调整滤波模块的参数，能够及时准确地检测到混合储能模块需要输出的低频分量，保证混合储能模块在满足控制效果的前提下尽可能长的工作时间，避免因电池过充或过放造成系统停止运行。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。下面描述的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出根据本发明一示例实施方式的一种交流负荷供电系统的示意图。
图2示出根据本发明另一示例实施方式的一种交流负荷供电系统的示意图。
图3A和图3B分别示出根据本公开又一示例实施方式的交流负荷供电系统的示意图。
图4示出图1中的交流负荷供电系统的电路示意图。
图5示出图4中的电流源控制单元1123的控制框图。
图6示出图4中的电压源控制单元1124的控制框图。
图7是根据本公开一示例实施方式的功率提取单元的示意图。
图8示出根据本发明一示例实施方式中交流负荷为电动汽车充电站的示意图。
图9示出根据本发明一示例实施方式中交流负荷为交流异步电机的示意图。
图10示出根据本发明一示例实施方式的交流负荷供电方法的流程图。
图11示出根据图10中步骤2在一示例实施方式中的流程图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本发明将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的系统、组元、方法、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知系统、方法、实现或者操作以避免模糊本发明的各方面。
附图仅为本发明的示意性图解，图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器方法和/或微控制器方法中实现这些功能实体。
附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的步骤还可以分解，而有的步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
图1示出根据本发明一示例实施方式的一种交流负荷供电系统的示意图。如图1所示，交流负荷供电系统1包括：供电装置11和DC/AC转换器12。DC/AC转换器12的交流侧通过交流总线8耦接至交流电网9及交流负荷10；供电装置11输出直流电能，经由直流总线13耦接至DC/AC转换器12的直流侧。供电装置11包括储能模块111和控制器112，其中储能模块111至少包括第一储能单元1111和第二储能单元1112。控制器112被配置为控制第一储能单元1111的转换操作以输出低频功率至直流总线13；控制器112还被配置为控制第二储能单元1112的转换操作以输出高频功率至直流总线13。
交流负荷10所需功率包含高频功率与低频功率，控制器112可对交流负荷的功率信号进行分解，提取出低频分量，并依据该低频分量控制第一储能单元1111提供低频功率，以及通过控制第二储能单元1112的输出电压，使第二储能单元自动提供所需的高频功率。
本公开的交流负荷供电系统通过交流总线同时与交流电网和交流负荷相连，当交流电网出现故障跳网或者接收调度命令转为孤岛运行时，供电系统1可实现无缝切换持续为交流负荷供电。当交流电网容量不足时无法满足交流负荷的供电需求，供电系统1输出能量至交流电网；或因受限于交流电网开关容量，电网无法满足交流负荷的供电需求，供电系统1配合交流电网共同为负荷供电。因此，只需增加备用的供电系统1，无需改变原有电网的结构和配置，即可实现离网和并网供电，同时还能有效应对交流负荷供电需求的变化。
DC/AC转换器12接收供电装置输出的直流电能，并转换成交流电能馈送到交流电网或交流负荷。优选地，DC/AC转换器12为双向的DC/AC转换器，实现能量双向流动，既可以将供电装置输出的电能馈送到电网，也可以转换电网中多余的电能，以存储到储能模块。在一些实施例中，DC/AC转换器12为中央功率调节器(PCS)，进行电能转换并调节电能质量，中央PCS可采用多种控制策略，例如并网时大功率PCS可运行在交流电流源模式或对PCS进行虚拟同步机控制；离网时大功率PCS可运行在交流电压源模式或对PCS进行虚拟同步机控制。本公开中的储能模块与功率调节器还可整合为一套完整的储能系统，其具备高可靠度、高功率输出与快速反应的特性，可在电网中发挥负载移转、尖峰用电调节、需量调节的功能。
进一步地，在DC/AC转换器与交流电网之间设置有变压装置；同样地，在DC/AC转换器与交流负荷之间设置变压装置。在交流总线8上还设置有交流断路器等保护装置，此处不再赘述。
控制器112被配置为控制第一储能单元1111运行在电流源模式输出所需低频功率。具体地，控制器112计算得到储能模块的输出功率PESS并提取输出功率中的低频分量PL，所述低频分量PL作为指令值，控制器112根据PL调节第一储能单元1111的输出电流，以提供所需的低频功率。控制器112还被配置为控制第二储能单元1112运行在电压源模式输出所需高频功率。具体地，控制器112获取直流总线13的电压参考值Uref作为指令值，根据Uref调节第二储能单元1112的输出电压Udc，以稳定直流总线13的电压，同时自动输出所需的高频功率。
第一储能单元1111包括低功率密度储能元件和第一DC/DC转换器，控制器112配置为控制第一DC/DC转换器的输出电流。第二储能单元1112包括高功率密度储能元件和第二DC/DC转换器，控制器112配置为控制第二DC/DC转换器的输出电压。优选地，第一DC/DC转换器和第二DC/DC转换器为双向DC/DC转换器。
储能元件按其出力特性可分为高功率密度和低功率密度两大类。低功率密度储能元件，其能量密度大，但功率密度小、响应时间长，适用于低频出力；高功率密度储能元件，其功率密度大、响应时间短，但能量密度小，适用于高频出力。为了应对交流负荷功率波动，稳定直流总线电压，储能模块需要频繁的吸收或发出较大功率，频繁的大功率充放电会严重影响电池寿命，而单一储能装置很难同时满足功率和能量两方面的需求。本案第一储能单元1111为低功率密度储能单元，采用低功率密度储能元件，第二储能单元1112为高功率密度储能单元，采用高功率密度储能元件，构成混合储能模块111，低功率密度储能元件和高功率密度储能元件配合出力，优势互补，既满足负荷功率调度曲线，又提高混合储能模块111的动态性能，延长各储能元件的使用寿命。
本实施例的混合储能模块，第一储能单元运行在电流源模式提供低频功率，第二储能单元运行在电压源模式稳定直流总线13上的电压，同时自动提供功率缺额。相对于第一储能单元和第二储能单元均运行在电流源模式的方案，能更快抑制直流总线电压波动，确保直流总线电压稳定，动态响应好，延长储能元件使用寿命。第一储能单元运行电流源模式，第二储能单元运行电压源模式，第一储能单元提供所需低频功率，第二储能单元自动提供功率差额，输出所需的高频功率，因此两者的功率给定无需分频做差得到，高频功率的跟踪性能较佳。
如图1所示，储能模块111还具有一输出端口1113，输出端口1113耦接至直流总线13，第一储能单元1111和第二储能单元1112的输出端并联后耦接至输出端口1113，储能模块111总的输出电能通过输出端口1113传输至直流总线13。
在另一些实施例中，储能模块111包含多个储能单元，其中多个储能单元中的一部分包含低功率密度储能元件，多个储能单元中的另一部分包含高功率密度储能元件。进一步地，包含低功率密度储能元件的该些储能单元提供低频功率，该些储能单元为第一储能单元。类似地，包含高功率密度储能元件的该些储能单元提供高频功率，该些储能单元为第二储能单元。控制器112采集直流总线的电压Udc和混合储能模块的输出端口1113处的电流Idc，计算混合储能模块的输出功率PESS，也就是交流负荷所需的功率。一般而言，供电装置和交流负荷的距离较远，控制器依赖通讯系统获取交流负荷所需的功率信号，导致高频功率的跟踪性能不佳。本案中控制器采集输出端口1113处的直流电压和直流电流，计算得到储能模块的输出功率，即交流负荷需要的功率，控制器不依赖通讯，直接获取交流负荷的功率信号。
图2示出根据本发明另一示例实施方式的一种交流负荷供电系统的示意图。于本实施例中，交流负荷供电系统2与图1所示供电系统1相似，且相同的元件标号代表相同的元件、结构与功能，于此不再赘述。于本实施例中，交流负荷供电系统2包括供电装置21和DC/AC转换器22。DC/AC转换器22的交流侧通过交流总线8耦接至交流电网9及交流负荷10；供电装置21输出直流电能，经由直流总线23耦接至DC/AC转换器的直流侧。供电装置21包括储能模块211和控制器212，其中储能模块211至少包括第一储能单元2111和第二储能单元2112。第一储能单元2111包括低功率密度储能元件，第二储能单元2112包括高功率密度储能元件。与第一实施例中供电系统1的不同之处在于，第一储能单元2111或第二储能单元2112中的任一个包括飞轮储能装置和AC/DC转换器。飞轮储能装置连接于AC/DC转换器的交流侧，AC/DC转换器的直流侧耦接至输出端口2113。
飞轮储能是一种新兴的电能存储技术，飞轮储能装置具有储能密度高，功率密度大，寿命长，工作温度范围宽，损耗小，环保无污染和维护费用低等特点，在提高电力品质，适应负荷变化等方面具有极大优势。飞轮储能装置即可用作低功率密度储能元件，又可用作高功率密度储能元件。如图2所示，储能模块211采用飞轮储能装置作为高功率密度储能元件，采用蓄电池作为低功率密度储能元件，蓄电池与飞轮储能相互配合构成混合储能模块211。蓄电池提供低频功率，飞轮储能提供高频功率同时维持直流总线电压稳定。
图3A和图3B分别示出根据本公开又一示例实施方式的交流负荷供电系统的示意图。如图3A所示，交流负荷供电系统3包括：供电装置31A以及DC/AC转换器32。供电装置包括储能模块311、控制器312及光伏发电模块313，其中储能模块311至少包括第一储能单元3111和第二储能单元3112。本实施例中，控制器计算的输出功率PESS为光伏发电模块与交流负荷的总功率。如图3B所示，供电装置31B包含光伏发电模块，燃气轮机发电模块，储能模块，通过直流总线向外输送能量，形成直流微网系统，其中燃气轮机发出的电能通过AC/DC变换器转换为直流电能输送至直流总线。
在一些实施例中，供电装置为直流微网，直流微网中的电源有多种形式，例如包括但不限于：光伏发电模块、风力发电模块、混合储能模块、微型燃气轮机或柴油发电机等。直流微网与中央PCS组成交流负荷供电系统，可运行于并网与孤岛两种模式。当交流电网发生故障时，交流负荷供电系统迅速与交流电网脱离，独立为交流负荷供电；当交流电网故障消失恢复正常后，交流负荷供电系统通过并网控制再次与交流电网连接，重新进入并网运行。直流微网中各微源之间协调控制，维持供电系统的功率平衡，稳定直流总线电压。
图4示出图1中的交流负荷供电系统的电路示意图。如图4所示，第一储能单元1111包括低功率密度储能元件和第一DC/DC变换器，第二储能单元1112包括高功率密度储能元件和第二DC/DC变换器。控制器112包括计算单元1121、功率提取单元1122、电流源控制单元1123以及电压源控制单元1124。
计算单元1121，用于根据直流总线13的电压信号Udc和储能模块输出端口1113的电流信号Idc计算储能模块111的输出功率PESS；功率提取单元1122，耦接于计算单元1121，提取输出功率PESS中的低频分量PL；电流源控制单元1123，耦接于功率提取单元1122，用于根据低频分量PL调节第一储能单元的输出功率；电压源控制单元1124，根据直流总线13的电压参考值调节第二储能单元的输出电压以稳定直流总线13的电压Udc，同时第二储能单元1112自动输出高频功率，提供功率缺额。
本实施例中，当交流负荷供电系统系统4独立为交流负荷供电时，储能模块111的输出功率为负荷所需功率，无需依赖通讯即可获得交流负荷10的功率信号。在一些实施例中，供电装置11还包含光伏发电模块，当交流负荷供电系统系统4独立为交流负荷10供电时，储能模块111的输出功率为光伏发电模块与交流负荷10的总功率，无需分别采集光伏发电模块的电力信号和交流负荷的电力信号，不依赖通讯直接获得交流负荷的功率信号。在另一些实施例中，交流负荷供电系统4包含多种发电模块，通过计算储能模块的输出功率直接获取发电模块与交流负荷10的总功率。
根据本发明的一示例实施方式，第一储能单元1111包括低功率密度电池，第二储能单元1112包括高功率密度电池，计算单元1121还用于计算高功率密度电池的荷电状态，记为第一荷电状态SOC1；以及低功率密度电池的荷电状态，记为第二荷电状态SOC2。
根据本发明的一示例实施方式，电流源控制单元1123用于接收功率提取单元1122输出的低频分量PL、低功率密度储能元件的充放电电流I1与直流总线电压Udc，输出开关信号以控制第一DC/DC变换器的开关器件。电压源控制单元1124用于接收直流总线13的电压参考值Uref、直流总线电压Udc与高功率密度储能元件的充放电电流I2，输出开关信号以控制第二DC/DC变换器的开关器件。
图5示出图4中的电流源控制单元1123的控制框图。如图5所示，通过第一DC/DC变换器控制低功率密度储能元件的充放电电流，从而调整第一储能单元的输出功率。具体地，电流源控制单元1123接收低频分量PL作为其功率指令，除以直流总线电压Udc得到充放电电流的参考值I1r，实际的充放电电流I1与参考值I1r比较后经PI调节器产生控制信号，经PWM调制后输出驱动信号，驱动第一DC/DC变换器的开关器件，实现对低功率密度储能元件的充放电控制，从而调节第一储能单元的输出功率，以提供所需低频功率。
图6示出图4中的电压源控制单元1124的控制框图。如图6所示，通过第二DC/DC变换器控制高功率密度储能元件的充放电电流，从而调整第二储能单元的输出电压，以稳定直流总线电压，自动提供高频功率。电压源控制单元1124接收直流总线13电压参考值Uref作为电压指令，实际母线电压Udc与参考值Uref比较后经PI调节器产生充放电电流的参考值I2r，实际的充放电电流I2与参考值I2r比较后经PI调节器产生控制信号，经PWM调制后输出驱动信号，驱动第二DC/DC变换器的开关器件，实现对高功率密度储能元件的充放电控制，以稳定直流总线电压，自动提供功率缺额。
图7是根据本公开一示例实施方式的功率提取单元的示意图。如图7所示，功率提取单元包括第一计算模块，用于接收输出功率PESS，并根据输出功率PESS计算时间段t内的平均功率变化率Ft；滤波模块，用于当平均功率变化率Ft大于功率波动阈值时，接收输出功率PESS进行滤波，以获得输出功率PESS中的低频分量PL，启动分频控制机制。本实施例中功率波动阈值为1。其中，平均功率变化率Ft的计算公式如下所示：
Figure BDA0002362205860000131
其中ΔPt表示时间段t内的功率变化，即时间段t内的功率最大值减去功率最小值，t取值较小；Pn表示額定功率。
滤波模块通过FIR滤波算法对输出功率PESS进行滤波，以获得输出功率PESS中的低频分量PL。
根据本发明的一示例实施方式，功率提取单元还包括第二计算模块，用于根据第一荷电状态SOC1和第二荷电状态SOC2分别计算获得第一充放电平衡度RH和第二充放电平衡度RL；第一调整模块，用于根据第二充放电平衡度RL、输出功率PESS及平均功率变化率Ft确定窗口函数G(n)并发送至滤波模块，以根据窗口函数G(n)调整滤波模块的窗口宽度及窗口形状；第二调整模块，用于根据第一充放电平衡度RH调整滤波模块预设的截止频率ω0以获得最终的截止频率ωc，计算最终的截止频率ωc在时域下的响应函数Hf(n)并发送至滤波模块。其中，第二计算模块通过下式计算第一充放电平衡度RH：
Figure BDA0002362205860000132
第二充放电平衡度RL的计算方式与第一充放电平衡度RH类似。根据公式(2)，充放电平衡度取值范围为：[-1,1]。其中，充放电平衡度越接近0，说明充放电能力适中；充放电平衡度越接近-1，说明充电能力越强，放电能力越弱；充放电平衡度越接近1，说明放电能力越强，充电能力越弱。因此，充放电平衡度的期望值为0。
其中，第一调整模块根据第二充放电平衡度RL判断低功率密度储能元件是否接近过充过放，若是，则增大滤波模块中窗口函数G(n)的窗口宽度。进一步地，第一调整模块可以根据下式对窗口函数G(n)的窗口宽度N(t)进行调整：
Figure BDA0002362205860000141
其中，N0为预设的样本最小宽度；F0为预设的目标功率波动率；R(t-1)为t-1时刻的充放电平衡度。在充电能力较弱或放电能力较弱的情景下，混合储能系统在平滑波动时其出力均会受到限制，则需要减弱滤波效果；而功率波动大时，需要加强滤波效果。
进一步地，滤波模块的权重调整方式如下式所示：
Figure BDA0002362205860000142
其中，k为权重因子，根据样本数据选择；k越大表示越看重近期的输出功率，越早的输出功率的影响越小。
进一步地，可根据输出功率PESS调整权重α(n)，具体如下式所示：
Figure BDA0002362205860000143
其中，PN为设定值，输出功率的离散序列中PESS(n)与PESS(n-1)的差值较大，表示输出功率骤然变化很大，通过减小此拍数据的权重α(n)，使得滤波后的数据更平滑。
第一调整模块确定窗口函数G(n)表达式，如下所示：
Figure BDA0002362205860000144
第二调整模块根据下式调整滤波模块的截止频率ωc：
Figure BDA0002362205860000145
其中，ω0为预设的截止频率，DB为需启动截止频率自适应调节时，当前充放电平衡度距离±1之间的距离；ωH为叠加的基准频率。
当第一充放电平衡度RH的绝对值大于1-DB时，说明高功率密度储能元件接近过充或过放，需要启动截止频率增大计算，以减弱滤波效果，使得高功率储能元件的出力变小；当第一充放电平衡度RH的绝对值小于DB时，说明高功率密度储能元件荷电状态适中，需要启动截止频率减小计算，以增强滤波效果，使得高功率储能元件的出力变大；当第一充放电平衡度RH的绝对值位于DB＜|RH|≤(1-DB)时，则维持预设截止频率ω0。
第二调整模块根据下式获得响应函数Hf(n)：
Figure BDA0002362205860000151
根据本发明的一示例实施方式，滤波模块根据窗口函数G(n)、响应函数Hf(n)及输出功率PESS，计算滤波函数。其中，滤波函数的计算方式如下所示：
Figure BDA0002362205860000152
根据本发明的一示例实施方式，当平均功率变化率Ft小于等于功率波动阈值时，输出功率PESS即为低频分量PL。此时，无需启动分频控制机制，输出功率PESS为低频功率，输入至电流源控制单元，用于控制低功率密度储能元件的充放电运作。
上述实施例中的滤波方法采用的是开环控制策略，通过滤波模块获得的低频分量输入到电流源控制单元。本发明的滤波方法还可以采用闭环控制策略，通过滤波模块获得的低频分量PL，计算PL的功率波动率，若大于设定值，调整滤波参数，例如根据PL的功率波动率调整滤波参数，PL输入到滤波模块进行滤波获得新的低频放量，直到经过滤波后获得的低频分量小于设定值。
相关技术中，滤波器通常采用一阶或二阶数字低通滤波器对信号进行滤波实现分频处理，具有以下缺点：基于通讯交互被分频的功率信号；很难兼顾滤波延时和滤波衰减比，造成高频和低频分量耦合在一起，使得分频效果很差，影响储能模块的工作；以及未能合理将储能元件的荷电状态引入分频方法中，导致储能模块运作时间较短，工作模式不够优化。本公开实施例的交流负荷供电系统基于引入储能元件荷电状态的FIR(FiniteImpulse Response)滤波器分频方法，能够及时准确地检测到混合储能系统需要输出的低频功率，控制低功率密度储能单元工作，高频功率将自动被高功率密度储能单元处理。将混合储能系统的荷电状态、输出功率的波动大小、近期输出功率等变量引入滤波器的参数设计中，实时自适应地调整滤波器参数，优化配置，使得混合储能模块在满足控制效果的前提下，能够尽可能长时间地工作，避免因电池过充或过放造成供电系统停止运行。
图8示出根据本发明一示例实施方式中交流负荷为电动汽车充电站的示意图。于本实施例中，交流负荷供电系统4与图1所示供电系统1相似，且相同的元件标号代表相同的元件、结构与功能，于此不再赘述。于本实施例中，交流负荷供电系统4包括供电装置41和DC/AC转换器42。DC/AC转换器42的交流侧通过交流总线8耦接至交流电网9及交流负荷10；供电装置41输出直流电能，经由直流总线43耦接至DC/AC转换器的直流侧。供电装置41包括光伏发电模块、储能模块411和控制器412，其中储能模块411至少包括第一储能单元4111和第二储能单元4112。第一储能单元4111包括低功率密度储能元件，第二储能单元412包括高功率密度储能元件。在一具体实施方式中，第一储能单元4111或第二储能单元4112中的任一个也可包括飞轮储能装置和AC/DC转换器。本实施例中，交流负荷10包括电动汽车充电站1至电动汽车充电站n。
一般而言，电动汽车充电站中包括每天平均稳定车流量和波动车流量，因此受充电车辆数量的影响，电动汽车充电站所需要的电能分为长期稳态电能和瞬间动态电能。当供电系统4为电动汽车充电站供电时，储能模块需提供的功率为光伏发电模块与交流负荷功率之和，其包含低频分量和高频分量。其中，高频分量由高功率密度储能单元提供，且高功率密度储能单元运行在电压源模式，低频分量由低功率密度储能单元提供，且低功率密度储能单元运行在电流源模式。交流供电系统4通过大功率中央PCS和交流总线挂在电网上，可以作为后备电源在交流电网故障时为电动汽车充电站供电，也可以构成能量调节系统，例如当电网容量受限时配合电网为电动汽车充电站供电。本发明的供电系统在不改变现有充电站结构的基础上，实现对充电站的并网或离网供电，且通过DC/AC转换器42实现并离网的无缝切换。
根据本发明的一示例实施方式，交流负荷还可为交流异步电机，如图9所示，交流负荷10为交流异步电机。在大功率异步电机的负载应用场景中，大功率交流异步电机启动时，需要很大的启动电流，往往达到额定电流的6～7倍，从电网取电会受到断路器容量、变压器容量的限制，现有配网容量无法提供。而本实施例的交流负荷供电系统能够在大功率异步电机启动时提供启动电流，例如由高功率密度储能单元提供交流异步电机启动时的功率，由低功率密度储能单元提供交流异步电机稳定运行时的功率。
在一些实施例中，供电装置为直流微网，直流微网中的电源有多种形式，例如包括但不限于：光伏发电模块、风力发电模块、混合储能模块、微型燃气轮机或柴油发电机等。直流微网与中央PCS组成交流负荷供电系统，连接电网时可运行在交流电流源或虚拟同步机，为电网和充电站供电，或为交流异步电机供电；断开电网时可运行在交流电压源或虚拟同步机，为充电站或交流异步机供电。交流负荷供电系统与电网通过断路器连接，一旦电网出现故障跳网或者接收调度命令转为孤岛运行，可无缝切换持续为负荷供电。
本发明的供电系统中，储能模块需要提供的功率为发电模块(如光伏发电模块、风力发电模块等)与交流负荷的功率之和，即储能模块具有一功率调度曲线，混合储能模块按照该功率调度曲线出力。一般而言，功率调度曲线包含高频功率和低频功率，其中低频功率对应低频长期的负荷需求，高频功率对应高频骤变的负荷需求。例如，高频功率对应交流异步电机启动时所需的功率、交流充电站中短时接入大量充电车辆时产生的功率需求或动汽车充电站中波动的车流量；低频功率对应交流异步电机稳定运行时的功率或电动汽车充电站所需要的长期稳态电能由电动汽车充电站中每天的平均稳定车流量决定。控制器调节高功率密度储能单元的输出电压，以自动提供所需的高频功率。控制器调节低功率密度储能单元的输出功率，以提供所需的低频功率。
控制器包括功率提取单元，用于提取输出功率PESS中的低频分量，分频方法采用引入荷电状态的FIR滤波器实现，具有滤波衰减比大，截止频率附近的相位延迟小的优点，滤波后的低频分量可较为理想的实现与高频分量的解耦，根据荷电状态均衡地进行充放电控制，能够延长混合储能模块的运作时间，避免发生储能元件过充或过放的情况。
交流负荷供电系统采用分频控制机制，控制器控制低功率密度储能单元运行在电流源模式，提供低频功率；控制器控制高功率密度储能单元运行在电压源模式，自动提供高频功率，即自动提供功率差额。当供电装置仅包含储能模块时，储能模块的输出功率等于交流负荷需要的功率；当供电装置包含储能模块和发电模块时，储能模块的输出功率等于交流负荷和发电模块的功率之和。
供电装置和DC/AC转换器组成交流负荷供电系统，以耦接至交流总线。在并网时DC/AC转换器可运行在交流电流源或虚拟同步机，供电系统为电网和交流负荷供电；在离网时DC/AC转换器可运行在交流电压源或虚拟同步机，供电系统为交流负荷供电。当交流负荷为充电站时，本公开的交流负荷供电系统能够在不改变现有充电站结构的基础上实现对充电站的并网和离网供电。
于一些实施方式，根据直流总线的电压和混合储能系统的输出电流确定其输出功率，能够不依赖通讯获取直流微网其他节点和交流负荷的功率信号。
于一些实施方式，根据高功率密度储能元件的荷电状态、低功率密度储能元件的荷电状态及混合储能模块的输出功率自适应地调整滤波模块的参数，能够及时准确地检测到混合储能模块需要输出的低频分量，保证混合储能模块在满足控制效果的前提下具有尽可能长的工作时间，避免因电池过充或过放造成系统停止运行。
图10示出根据本发明一示例实施方式的交流负荷供电方法的流程图。如图10所示，交流负荷供电方法用于图1或图4或图8或图9中所示的交流负荷供电系统，交流负荷供电方法至少包括步骤1至步骤4。
步骤1，根据直流总线的电压和储能模块的输出电流计算储能模块的输出功率PESS。
步骤2，提取输出功率PESS中的低频分量PL。
步骤3，调节第一储能单元的输出功率，使其输出低频分量。
步骤4，调节第二储能单元的输出电压，使其主动输出输出功率中的功率缺额。
其中，通过FIR滤波器获取输出功率PESS中的低频分量PL，对应储能模块需要提供的低频出力；功率缺额指输出功率中滤除低频分量后剩余的功率分量，对应储能模块需要提供的高频出力。
根据本发明的一示例实施方式，第一储能单元包括低功率密度电池，第二储能单元包括高功率密度电池，交流负荷供电方法还包括：计算高功率密度电池荷电状态，记为第一荷电状态SOC1；计算低功率密度电池的荷电状态，记为第二荷电状态SOC2。
图11示出根据图10中步骤2在一示例实施方式中的流程图。如图11所示，上述步骤2进一步包括步骤21至25。
步骤21，根据输出功率PESS计算时间段t内的平均功率变化率Ft。其中可根据公式(1)计算平均功率变化率Ft。当平均功率变化率Ft大于功率波动阈值时，对输出功率PESS进行滤波，以获得输出功率PESS中的低频分量PL，输出至第一储能单元作为第一储能单元的功率指令；当平均功率变化率Ft小于等于功率波动阈值时，输出功率PESS仅包含低频功率波动，无需对输出功率PESS进行滤波，直接输出至第一储能单元作为第一储能单元的功率指令。
步骤22，根据第一荷电状态SOC1和第二荷电状态SOC2分别计算第一充放电平衡度RH和第二充放电平衡度RL。其中可根据公式(2)计算充放电平衡度。
步骤23，根据第二充放电平衡度RL、输出功率PESS及功率变化率Ft确定窗口函数G(n)，以根据窗口函数G(n)调整滤波模块的窗口宽度及窗口形状。其中可根据公式(3)调整窗口宽度，根据公式(4)和公式(5)调整权重值以调整窗口形状。窗口函数的表达式可根据公式(6)计算获得。
步骤24，根据第一充放电平衡度RH调整预设的截止频率ω0以获得最终的截止频率ωc，计算最终的截止频率ωc在时域下的响应函数Hf(n)。其中可根据公式(7)计算截止频率ωc，根据公式(8)计算响应函数Hf(n)。
步骤25，根据窗口函数G(n)、响应函数Hf(n)及输出功率PESS，计算滤波函数，并根据滤波函数提取低频分量。其中可根据公式(9)计算滤波函数。
本领域技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤被实现为由中央处理器(Central Processing Unit，CPU)执行的计算机程序。在该计算机程序被中央处理器CPU执行时，执行本公开提供的上述系统所限定的上述功能。所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
此外，需要注意的是，上述附图仅是根据本公开示例性实施例的系统所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。
本领域技术人员可以理解上述各模块可以按照实施例的描述分布于方法中，也可以进行相应变化唯一不同于本实施例的一个或多个方法中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
通过以上的实施例的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施例可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本公开实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、移动终端、或者网络设备等)执行根据本公开实施例的系统。
以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施例。应可理解的是，本公开不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现系统；相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (19)

1.一种交流负荷供电系统，其特征在于，包括：供电装置以及DC/AC转换器；
所述DC/AC转换器的交流侧通过一交流总线耦接至交流电网及交流负荷；
所述供电装置输出直流电能，经由一直流总线耦接至所述DC/AC转换器的直流侧；
其中，所述供电装置包括储能模块和控制器；
所述储能模块包括第一储能单元与第二储能单元，所述控制器被配置为控制所述第一储能单元的转换操作以输出低频功率至所述直流总线，所述控制器还被配置为控制所述第二储能单元的转换操作以输出高频功率至所述直流总线。
2.如权利要求1所述的交流负荷供电系统，其特征在于，所述控制器被配置为控制所述第一储能单元运行在电流源模式输出所述低频功率；所述控制器还被配置为控制所述第二储能单元运行在电压源模式输出所述高频功率。
3.如权利要求1-2任一项所述的交流负荷供电系统，其特征在于，所述第一储能单元包括低功率密度储能元件和第一DC/DC转换器，所述控制器被配置为控制所述第一DC/DC转换器的输出电流。
4.如权利要求1-2任一项所述的交流负荷供电系统，其特征在于，所述第二储能单元包括高功率密度储能元件和第二DC/DC转换器，所述控制器被配置为控制所述第二DC/DC转换器的输出电压。
5.如权利要求1-2任一项所述的交流负荷供电系统，其特征在于，所述第一储能单元或所述第二储能单元包括飞轮储能装置和AC/DC转换器,所述控制器被配置为控制所述AC/DC转换器的输出电流或输出电压。
6.如权利要求1-2任一项所述的交流负荷供电系统，其特征在于，所述储能模块具有一输出端口耦接至所述直流总线，所述储能模块包括多个储能单元，所述多个储能单元的输出端并联后耦接至所述输出端口，所述储能模块总的输出电能通过所述输出端口传输至所述直流总线。
7.如权利要求1-2任一项所述的交流负荷供电系统，其特征在于，所述供电装置为一直流微网系统，所述直流微网系统还包括光伏发电模块、风力发电模块和柴油发电机中的一种或多种。
8.如权利要求1-2任一项所述的交流负荷供电系统，其特征在于，所述控制器包括：
计算单元，用于根据直流总线的电压信号和储能模块的电流信号计算储能模块的输出功率；
功率提取单元，耦接于所述计算单元，提取所述输出功率中的低频分量；
电流源控制单元，耦接于所述功率提取单元，用于根据所述低频分量调节第一储能单元的输出功率；
电压源控制单元，用于根据直流总线的电压参考值调节所述第二储能单元的输出电压，同时所述第二储能单元自动输出所述高频功率。
9.如权利要求8所述的交流负荷供电系统，其特征在于，所述第一储能单元包括低功率密度电池，所述第二储能单元包括高功率密度电池，所述计算单元还用于计算第一荷电状态以及第二荷电状态。
10.如权利要求9所述的交流负荷供电系统，其特征在于，所述功率提取单元包括：
第一计算模块，用于根据所述输出功率计算一时间段内的平均功率变化率；
滤波模块，用于当所述平均功率变化率大于功率波动阈值时，对所述输出功率进行滤波，以获得所述输出功率中的所述低频分量。
11.如权利要求10所述的交流负荷供电系统，其特征在于，所述功率提取单元还包括：
第二计算模块，用于根据所述第一荷电状态和所述第二荷电状态分别计算获得第一充放电平衡度和第二充放电平衡度；
第一调整模块，用于根据所述第二充放电平衡度、所述输出功率及所述平均功率变化率确定窗口函数并发送至所述滤波模块，以根据所述窗口函数调整所述滤波模块的窗口宽度及窗口形状；
第二调整模块，用于根据所述第一充放电平衡度调整所述滤波模块的截止频率，计算所述截止频率在时域下的响应函数并发送至所述滤波模块。
12.如权利要求11所述的供电系统，其特征在于，所述滤波模块根据所述窗口函数、所述响应函数及所述输出功率，计算滤波函数，并根据所述滤波函数提取所述低频分量。
13.如权利要求10所述的供电系统，其特征在于，当所述平均功率变化率小于等于功率波动阈值时，所述输出功率为所述低频分量，输出至所述电流源控制单元。
14.如权利要求1-2任一项所述的供电系统，其特征在于，所述交流负荷为交流异步电机，所述第二储能单元用于提供所述交流异步电机启动时的功率，所述第一储能单元用于提供所述交流异步电机稳定运行时的功率。
15.如权利要求1-2任一项所述的供电系统，其特征在于，所述交流负荷为电动汽车充电站。
16.一种交流负荷供电方法，用于交流负荷供电系统，所述交流负荷供电系统包括供电装置以及DC/AC转换器，所述DC/AC转换器的交流侧通过一交流总线耦接至交流电网及交流负荷；所述供电装置输出直流电能，经由一直流总线耦接至所述DC/AC转换器的直流侧；其中，所述供电装置包括储能模块和控制器；所述储能模块包括第一储能单元与第二储能单元；其特征在于，所述供电方法包括：
步骤1，根据直流总线的电压和储能模块的输出电流计算储能模块的输出功率；
步骤2，提取所述输出功率中的低频分量；
步骤3，调节第一储能单元的输出功率，使其输出所述低频分量；
步骤4，调节第二储能单元的输出电压，使其输出高频功率。
17.如权利要求16所述的供电方法，其特征在于，所述第一储能单元包括低功率密度电池，所述第二储能单元包括高功率密度电池，所述供电方法还包括：
计算第一荷电状态以及第二荷电状态。
18.如权利要求17所述的供电系统，其特征在于，所述步骤2包括：
步骤21，根据所述输出功率计算一时间段内的平均功率变化率；
当所述平均功率变化率大于功率波动阈值时，对所述输出功率进行滤波，以获得所述输出功率中的低频分量并输出至所述电流源控制单元；当所述平均功率变化率小于等于功率波动阈值时，所述输出功率为所述低频分量输出至所述电流源控制单元。
19.如权利要求18所述的供电系统，其特征在于，所述步骤2还包括：
步骤22，根据所述第一荷电状态和所述第二荷电状态分别计算第一充放电平衡度和第二充放电平衡度；
步骤23，根据所述第二充放电平衡度、所述输出功率及所述功率变化率确定窗口函数，以根据所述窗口函数调整所述滤波模块的窗口宽度及窗口形状；
步骤24，根据所述第一充放电平衡度调整预设的截止频率以获得最终的截止频率，计算最终的截止频率在时域下的响应函数；
步骤25，根据所述窗口函数、所述响应函数及所述输出功率，计算滤波函数。
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