CN113224743B - 一种混合储能的直流供电系统脱网暂态控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于供电控制技术领域，公开了一种混合储能的直流供电系统脱网暂态控制方法，本发明中，光伏发出直流形式的电能，直接通过直流的形式给直流负载供电，为实现电网停电时候的功率平衡，配置电动汽车退役电池和超导储能构成混合储能系统，典型的功率型+能量型混合储能配置，由超导储能对高频变化和阶跃变化的功率进行补偿，具备更大能量存储能力的动力梯次电池储能则应对缓慢变化的功率，从而保护电池寿命。

Description

一种混合储能的直流供电系统脱网暂态控制方法
技术领域
本发明属于供电控制技术领域，具体涉及一种混合储能的直流供电系统脱网暂态控制方法。
背景技术
光伏发出直流形式的电能，直接通过直流的形式给直流负载供电，当光伏出力不足，且电网停电时，所有的直流负荷立即切换由储能供电，其转换过程为在瞬间将负荷全部加在混合储能之上，如果不采取控制措施，这一暂态过程将引起直流母线电压波动并对电池造成较大的冲击。
因此，现阶段亟需研究一种混合储能的直流供电系统脱网暂态控制方法来解决上述问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种混合储能的直流供电系统脱网暂态控制方法，用于解决上述现有技术中存在的技术问题之一，如：光伏发出直流形式的电能，直接通过直流的形式给直流负载供电，当光伏出力不足，且电网停电时，所有的直流负荷立即切换由储能供电，其转换过程为在瞬间将负荷全部加在混合储能之上，如果不采取控制措施，这一暂态过程将引起直流母线电压波动并对电池造成较大的冲击。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种混合储能的直流供电系统脱网暂态控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：配置电动汽车退役的梯次动力电池、超导储能和光伏构成混合储能系统；
步骤S2：混合储能系统与电网并网运行时，并网的AC/DC变换器以整流模式运行，对梯次利用的梯次动力电池和超导储能进行充电，同时补充光伏对直流负荷供电不足的功率；
步骤S3：梯次动力电池充电达到SOC上限、超导储能充电完毕后，混合储能系统停止充电，进入备用模式；
步骤S4：当光伏出力不足且电网停电时，所有的直流负荷立即切换由储能供电；
对于超导储能的放电，超导储能检测直流母线电压，以维持直流母线电压值不变为控制目标，输出大电流进行稳压；控制方式为通过PI调节器，控制放电电路的开关占空比控制超导储能放电电流，若直流母线电压偏低则加大超导放电电流，若直流母线电压稳定则保持或适当减小超导放电电流；
与此同时，对于梯次动力电池的放电，则根据超导储能剩余能量确定梯次动力电池输出功率，超导储能剩余能量越大，梯次动力电池输出功率越小，超导储能剩余能量越小，梯次动力电池输出功率越大，实现电池缓慢放电，逐渐达到与负载平衡；
步骤S5：步骤S4结束后，超导储能放电完毕，由梯次动力电池完全接替超导储能对负载进行供电，并维持直流母线电压。
进一步的，步骤S4中，超导储能的放电具体如下：
通过检测直流母线电压与额定值的差异，通过PI调节器和PWM控制超导储能放电开关的占空比，从而控制超导线圈注入直流母线的电流；通过瞬态大电流的注入维持母线电压平衡；
VDCbus为直流母线的实际电压，在电网突然断开时，负载对储能系统产生冲击，直流母线的实际电压VDCbus会发生波动；
Figure BDA0003024656440000021
为控制的参考电压，即通过超导储能放电电流控制将母线电压VDCbus稳定在
Figure BDA0003024656440000022
将实际值VDCbus与目标值
Figure BDA0003024656440000023
进行比较，二者的差值作为“比例-积分调节器”，即PI控制器的输入，PI控制器中P表示比例调节，按比例反应系统的偏差；PI控制器中I表示积分调节，使系统消除稳态误差；电压偏差经过PI调节器后，指挥PWM产生超导充放电电路开关的开通和关断时间比例，从而调节超导线圈注入电流ISMES的大小；如果VDCbus降低幅度大，距离
Figure BDA0003024656440000024
差距大，超导储能充放电电路在一个周期中开通的时间越长，关断时间越短，ISMES越大，从而保证直流母线注入大电流来稳定直流母线电压，使得VDCbus接近
Figure BDA0003024656440000025
若VDCbus接近
Figure BDA0003024656440000026
则输入PI控制器的偏差为零，使得无偏差控制目标。
进一步的，步骤S4中，梯次动力电池的放电具体如下：
首先读取超导线圈放电电流ISMES，并通过公式
Figure BDA0003024656440000027
计算超导储能还剩下的电能，其中LSMES为超导线圈电感；
然后读取负荷功率Pload，计算梯次动力电池需要的放电功率PBESS；
接下来，用PBESS除以电池出口电压VHESS获得所需要的电池放电电流目标值
Figure BDA0003024656440000031
并读取实际的电池放电电流IHESS，将二者的偏差通过PI控制器后，指挥PWM脉宽调制器输出开关动作指令，控制电池充放电电路DC-DC变换器的开关通态和断态时间比，从而控制梯次电池的放电电流IHESS随着超导放电电流的ISMES的逐渐减小而逐步增大，系统逐步实现超导储能放电完毕，梯次动力电池对负载进行供电。
进一步的，梯次动力电池的放电功率为：
Figure BDA0003024656440000032
其中，PBESS为梯次动力电池储能的输出功率；ESMES_rated为超导储能的最大能量；ESMES为超导储能的剩余能量；k为功率输出下垂控制系数；Pload为直流母线上所有的负载总和。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
本方案的一个创新点在于，光伏发出直流形式的电能，直接通过直流的形式给直流负载供电，为实现电网停电时候的功率平衡，配置电动汽车退役电池和超导储能构成混合储能系统，典型的功率型+能量型混合储能配置，由超导储能对高频变化和阶跃变化的功率进行补偿，具备更大能量存储能力的动力梯次电池储能则应对缓慢变化的功率，从而保护电池寿命。
附图说明
图1是本发明具体实施方式的混合储能系统示意图。
图2是本发明具体实施方式的超导储能放电示意图。
图3是本发明具体实施方式的梯次动力电池放电示意图。
图4是本发明具体实施方式的步骤流程示意图。
具体实施方式
下面结合本发明的附图1-4，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
当光伏出力不足，且电网停电时，所有的直流负荷立即切换由储能供电，其转换过程为在瞬间将负荷全部加在混合储能之上，如果不采取控制措施，这一暂态过程将引起直流母线电压波动并对电池造成较大的冲击。
针对这一现象，本发明提出了一种含“梯次动力电池-超导”混合储能的直流供电系统脱网暂态控制方法，当光伏出力不足，且电网停电时，所有的直流负荷立即切换由储能供电的瞬态，先由超导储能提供瞬态大电流稳定直流母线电压，而梯次动力电池(电动汽车退役的梯次动力电池，与一般的锂电池相比，其储能电量有了一定的衰减，寿命次数更短，提供瞬时大电流的能力也更弱。)则按照设定的功率变化率逐渐增大输出功率，超导储能放电完毕后梯次动力电池储能对所有负载进行供电并对直流母线进行稳压，混合储能系统如图1所示。具体步骤及控制策略如下所示。
(1)当系统与电网并网运行时，并网的AC/DC变换器以整流模式运行，对梯次利用的动力电池和超导储能进行充电，同时补充光伏对直流负荷供电不足的功率。
(2)动力梯次电池储能充电达到SOC上限、超导储能充电完毕后，混合储能停止充电，进入备用模式。
(3)当光伏出力不足，且电网停电时，所有的直流负荷立即切换由储能供电。超导储能检测直流母线电压，以维持直流母线电压值不变为控制目标，输出大电流进行稳压。控制方式为通过PI调节器，控制放电电路的开关占空比控制超导储能放电电流，若直流母线电压偏低则加大超导放电电流，若直流母线电压稳定则保持或适当减小超导放电电流。
(4)与此同时，对梯次动力电池的放电，则按照下垂+PI控制的方法，根据超导储能剩余能量确定电池输出功率，超导剩余能量越大，电池输出功率就越小，超导剩余能量越小，电池输出功率就越大，从而实现电池缓慢放电，逐渐达到与负载平衡。电池放电功率按照以下方式确定：
Figure BDA0003024656440000051
其中，PBESS为梯次动力电池储能的输出功率；ESMES_rated为超导储能的最大能量；ESMES为超导储能的剩余能量；k为功率输出下垂控制系数；Pload为直流母线上所有的负载总和(含直流损耗功率，假设该暂态过渡过程中负载功率不变)。如图4所示。
(5)该过渡流程结束后，超导储能放电完毕，由梯次储能电池完全接替超导储能对负载进行供电，并维持直流母线电压。
整个暂态过程中超导放电电路的控制如图2所示。通过检测直流母线电压与额定值的差异，通过PI调节器和PWM(脉宽调制)控制超导放电开关的占空比，从而控制超导线圈注入直流母线的电流。通过瞬态大电流的注入维持母线电压平衡。
VDCbus为直流母线的实际电压，在于电网突然断开时，由于切换至储能系统对负载进行供电，负载对储能系统产生冲击，直流母线的实际电压VDCbus会发生波动；
Figure BDA0003024656440000052
为控制的参考电压(或目标电压)，即通过超导放电电流控制将母线电压VDCbus稳定在
Figure BDA0003024656440000053
这个目标值上。控制的方法就是：将实际值VDCbus与目标值
Figure BDA0003024656440000054
进行比较，二者的差值作为“比例-积分调节器”，即PI控制器的输入，PI控制器中P表示比例调节，按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差；PI控制器中I表示积分调节，使系统消除稳态误差，提高无误差度。电压偏差经过PI调节器后，指挥PWM(脉宽调制发生器)产生超导充放电电路(即H桥电路)开关的开通和关断时间比例，从而调节超导线圈注入电流ISMES的大小。如果VDCbus降低太多，距离
Figure BDA0003024656440000055
差距大，超导充放电电路(即H桥电路)在一个周期中开通的时间就越长，关断时间就越短，ISMES就越大，从而保证项直流母线注入大电流来稳定直流母线电压，使得VDCbus接近
Figure BDA0003024656440000056
若VDCbus接近
Figure BDA0003024656440000057
则输入PI控制器的偏差为零，无偏差控制目标得以实现。
如图3所示，整个暂态过程中梯次动力电池储能的放电控制(主要解决的核心问题是，对于性能已经衰减了的梯次动力电池，在遭遇冲击负荷急剧放电的时候用超导储能放出大电流予以补偿，从而使梯次动力电池放电功率从零逐渐增大，缓慢达到放电功率，从而避免电池急剧大电流放电引起电池进一步损伤，延长其使用寿命。如果常规锂电池不受超导保护随意急剧放电，其衰减也会较快，寿命也会很快变短。)如下图所示，首先根据超导放电电流计算超导储能剩余能量，得到超导储能剩余能量
Figure BDA0003024656440000061
再根据式(1)进行下垂控制，确定梯次动力电池储能的输出功率，然后根据该功率和电池端口电压确定输出电流的参考值，并与实际输出电流的参考值比较后进行PI控制，通过PI调节器和PWM(脉宽调制)控制电池DC-DC放电电路开关的占空比，从而控制梯次动力电池储能注入直流母线的电流。即，首先读取超导线圈放电电流ISMES，并通过公式
Figure BDA0003024656440000062
计算超导储能还剩下的电能，其中LSMES为超导线圈电感。然后读取负荷功率Pload，根据公式
Figure BDA0003024656440000063
计算梯次动力电池需要的放电功率PBESS，其中ESMES_rated为超导线圈充满电时的电能。接下来，用PBESS除以电池出口电压VHESS获得所需要的电池放电电流目标值
Figure BDA0003024656440000064
并读取实际的电池放电电流IHESS，将二者的偏差通过PI控制器后，指挥PWM脉宽调制器输出开关动作指令，控制电池充放电电路DC-DC变换器的开关通态和断态时间比，从而控制梯次电池的放电电流IHESS随着超导放电电流的ISMES的逐渐减小而逐步增大，系统逐步实现超导储能放电完毕，梯次动力电池对负载进行供电。整个过程IHESS从零逐渐增大，不会出现急剧大电流放电，用于稳压的大电流由超导储能承担，因此电池不会受到冲击损伤，延长了寿命。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种混合储能的直流供电系统脱网暂态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：配置电动汽车退役的梯次动力电池、超导储能和光伏构成混合储能系统；
步骤S2：混合储能系统与电网并网运行时，并网的AC/DC变换器以整流模式运行，对梯次利用的梯次动力电池和超导储能进行充电，同时补充光伏对直流负荷供电不足的功率；
步骤S3：梯次动力电池充电达到SOC上限、超导储能充电完毕后，混合储能系统停止充电，进入备用模式；
步骤S4：当光伏出力不足且电网停电时，所有的直流负荷立即切换由储能供电；
对于超导储能的放电，超导储能检测直流母线电压，以维持直流母线电压值不变为控制目标，输出大电流进行稳压；控制方式为通过PI调节器，控制放电电路的开关占空比控制超导储能放电电流，若直流母线电压偏低则加大超导放电电流，若直流母线电压稳定则保持或适当减小超导放电电流；
与此同时，对于梯次动力电池的放电，则根据超导储能剩余能量确定梯次动力电池输出功率，超导储能剩余能量越大，梯次动力电池输出功率越小，超导储能剩余能量越小，梯次动力电池输出功率越大，实现电池缓慢放电，逐渐达到与负载平衡；
步骤S5：步骤S4结束后，超导储能放电完毕，由梯次动力电池完全接替超导储能对负载进行供电，并维持直流母线电压；
步骤S4中，超导储能的放电具体如下：
通过检测直流母线电压与额定值的差异，通过PI调节器和PWM控制超导储能放电开关的占空比，从而控制超导线圈注入直流母线的电流；通过瞬态大电流的注入维持母线电压平衡；
VDCbus为直流母线的实际电压，在电网突然断开时，负载对储能系统产生冲击，直流母线的实际电压VDCbus会发生波动；
Figure FDA0003378385760000011
为控制的参考电压，即通过超导储能放电电流控制将母线电压VDCbus稳定在
Figure FDA0003378385760000012
将实际值VDCbus与目标值
Figure FDA0003378385760000013
进行比较，二者的差值作为“比例-积分调节器”，即PI控制器的输入，PI控制器中P表示比例调节，按比例反应系统的偏差；PI控制器中I表示积分调节，使系统消除稳态误差；电压偏差经过PI调节器后，指挥PWM产生超导充放电电路开关的开通和关断时间比例，从而调节超导线圈注入电流ISMES的大小；如果VDCbus降低幅度大，距离
Figure FDA0003378385760000021
差距大，超导储能充放电电路在一个周期中开通的时间越长，关断时间越短，ISMES越大，从而保证直流母线注入大电流来稳定直流母线电压，使得VDCbus接近
Figure FDA0003378385760000022
若VDCbus接近
Figure FDA0003378385760000023
则输入PI控制器的偏差为零，使得无偏差控制目标；
步骤S4中，梯次动力电池的放电具体如下：
首先读取超导线圈放电电流ISMES，并通过公式
Figure FDA0003378385760000024
计算超导储能还剩下的电能，其中LSMES为超导线圈电感；
然后读取负荷功率Pload，计算梯次动力电池需要的放电功率PBESS；
接下来，用PBESS除以电池出口电压VHESS获得所需要的电池放电电流目标值
Figure FDA0003378385760000025
并读取实际的电池放电电流IHESS，将二者的偏差通过PI控制器后，指挥PWM脉宽调制器输出开关动作指令，控制电池充放电电路DC-DC变换器的开关通态和断态时间比，从而控制梯次电池的放电电流IHESS随着超导放电电流的ISMES的逐渐减小而逐步增大，系统逐步实现超导储能放电完毕，梯次动力电池对负载进行供电。
2.如权利要求1所述的一种混合储能的直流供电系统脱网暂态控制方法，其特征在于，梯次动力电池的放电功率为：
Figure FDA0003378385760000026
其中，PBESS为梯次动力电池储能的输出功率；ESMES_rated为超导储能的最大能量；ESMES为超导储能的剩余能量；k为功率输出下垂控制系数；Pload为直流母线上所有的负载总和。
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