CN113541287A - 一种直流微电网光伏发电混合储能系统及控制策略 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直流微电网光伏发电混合储能系统及控制策略，包括超级电容，锂电池和光伏阵列；超级电容通过DC/DC双向变换器与直流母线相连；锂电池通过另一个DC/DC双向变换器与直流母线相连；光伏阵列通过Boost变换器与直流母线相连；直流母线通过DC/AC逆变器和光伏逆变器与交流母线相连，本发明还公开了上述系统的控制策略。本发明利用元件间的性能互补能够通过外界负荷投切及母线电压变化进行充放电以维持其电网稳定，不仅提高了储能系统的储存容量，同时可以补偿电网波动造成的功率失衡。本发明能够有效针对系统能量变化调整能量分配，维持电网稳定运行。充分利用分布式电源能量，提高了储能系统使用寿命，具有良好的发展前景。

Description

一种直流微电网光伏发电混合储能系统及控制策略
技术领域
本发明涉及一种直流微电网光伏发电系统，还涉及一种直流微电网光伏发电混合储能系统的控制策略。
背景技术
能源是人类科技文明进步的基础条件，面对全球气候变暖、环境污染、能源危机等问题，努力推进清洁能源的建设与使用、共同推进能源的可持续发展已成趋势。
以风能、太阳能为代表的分布式电源(Distributed Generation，DG)以其清洁可再生性，逐渐走入大众视野。但由于可再生能源间歇性和随机性，极易导致电网的不规律波动，影响电网正常运行，尤其是随着发电能源容量的不断并入，电网质量和安全运行受到严重影响。所以储能作为直流微电网的重要环节，意义重大。
目前，很多学者对微电网的储能系统控制策略展开相关研究。其中，智泽英等在直流微电网中加入“蓄电池—超级电容—锂电池”构成的混合储能模块，通过对母线电压的监测、整理与归纳。针对不同的情况采用不同储能元件的配合，以维持直流侧母线电压的稳定。王虹富等采用蓄电池—超级电容构成的储能系统，两种储能元件根据自身的功能特性分别对高低频功率进行平抑，平滑并网的有功功率，提高电能质量。张国驹等提出将超级电容作为储能单元，建立互补PWM控制的小信号模型，同时采用双闭环控制和功率前馈环节实现母线电压稳定。张建成建立超级电容和光伏发电系统的广义动量模型，实时监测两个系统电压，计算光伏发电系统等效惯性参数和相对标准状态的动量增量并调节超容端电压使两者动量增量相同，能够对电网能量的不平衡迅速进行补偿。虽然利用储能元件一定程度能够满足对波动功率的平抑，但单一储能元件无法同时满足功率型与能量型要求。
发明内容
本发明克服了现有技术中功率型和能量型混合储能控制协调的不足，提供了一种直流微电网光伏发电混合储能系统及控制策略。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种直流微电网光伏发电混合储能系统，所述储能系统包括超级电容，锂电池和光伏阵列；所述超级电容通过DC/DC双向变换器与直流母线相连；所述锂电池通过另一个DC/DC双向变换器与直流母线相连；所述光伏阵列通过Boost变换器与直流母线相连；所述直流母线通过DC/AC逆变器和光伏逆变器与交流母线即电网相连。锂电池和超级电容分别通过DC/DC双向变换器与直流母线连接，允许能量双向流动，能够及时对电网电压进行补偿或利用；光伏阵列通过Boost变换器与直流母线连接，将产能放大利用。所述光伏微网储能系统，光伏阵列采用Boost变换器，放大产能，合理解决最大功率点跟踪(MaximumPowerPoint Tracking，MPPT)问题，为电网提供能量来源。电网负载影响光伏功率输出，变换器导通信号也发生变化。
本发明还公开了上述系统的控制策略，该系统根据所述光伏阵列的输出进行三次功率分配来降低功率波动对电网的冲击，所述三次功率分配通过所述光伏阵列，超级电容和锂电池共同控制，所述三次功率分配分别为：
第一次分配：超级电容和锂电池根据光伏输出功率PPV进行预分配；
第二次分配：超级电容和锂电池根据各自最优荷电状态SOC(State of Charge)值进行再分配；
第三次分配：超级电容和锂电池根据自身承受功率限值进行最终分配；
所述储能系统采用功率外环电流内环的双闭环控制策略，由所述三次功率分配最终得到的参考功率值与所述储能元件即超级电容和锂电池实际功率作差作为功率调节器的输入，经调制后得到各自的参考电流，再与实际电流作差，经由电流调节器与限幅、PWM调制得到控制开关管通断的控制信号；同时在控制系统引入比较器来预防所述储能系统频繁充放电导致功率值超过储能元件上限；导通信号VT随着外界系统变化而定，使能量在所述储能系统与电网之间双向流动，即电网能量不足时，所述储能系统放电；电网能量过剩时，所述储能系统进行充电。
进一步地，所述第一次分配过程中先使PPV经过一个截止频率较高的低通滤波器，可得到高频的PPV分量，作为超级电容的参考输出功率Psc-ref，再经过一个截止频率较低的低频滤波器后，去除掉中频功率分量，得到低频的PPV分量，作为锂电池的参考输出功率Pbat-ref。超级电容获得的预分配功率为：
Figure BDA0003162623760000021
锂电池获得的预分配功率为：
Figure BDA0003162623760000022
其中，两个截止频率不同的低通滤波器的时间常数分别为Tsc和Tbat。
进一步地，第二次分配过程中考虑到了不同储能元件自身最优工作状态，超级电容的最优SOC工作值为70％，锂电池的最优SOC工作值为60％，所以需要对当前的参考功率进行调整。第二次分配过程中超级电容的分配功率为：
Figure BDA0003162623760000031
锂电池的分配功率为：
Figure BDA0003162623760000032
进一步地，所述第三次分配过程中，为避免储能系统过充过放损伤元件，以储能元件的充放电限值作为参考对功率进行限制，所述超级电容和锂电池的参考分配功率分别为：
Figure BDA0003162623760000033
本发明保证直流微电网光伏发电混合储能系统在发生并网时能够快速追踪功率变化，消除由于负载功率变化对电网造成的影响。同时为确保光伏供电时太阳能得到最大限度的利用，Boost变换器将产能放大合理解决MPPT问题，电网系统维持稳定。同时，三次功率分配不仅考虑了储能元件的SOC，还参考了各自工作的功率限值，对其使用功率外环、电流内环的双闭环控制策略使能量双向流动，控制精确，储能系统能够根据高低频功率分量进行吸收或释放能量，实现优势互补，维持直流母线电压稳定和电网安全运行。
本发明的有益效果是：本发明的直流微电网光伏发电混合储能系统，利用元件间的性能互补能够通过外界负荷投切及母线电压变化进行充放电以维持其电网稳定。该系统具有一定的快速性和稳定性，不仅提高了系统的储存容量，同时可以补偿电网波动造成的功率失衡，延长系统的使用寿命。本发明提出的混合储能控制策略能够有效针对系统能量变化调整能量分配，维持电网稳定运行。充分利用分布式电源能量，提高了储能系统使用寿命，具有良好的发展前景。
附图说明
图1是本发明的直流微网光伏发电混合储能系统结构图；
图2是本发明的混合储能系统双向DC/DC变换器拓扑结构图；
图3是本发明的功率波动频谱分布图；
图4是本发明的基于储能元件SOC的二阶滤波算法功率分配策略框图；
图5是本发明的光伏系统控制图；
图6是本发明的超级电容变换器控制图；
图7是本发明的锂电池变换器控制图。
具体实施方式
为了使从事分布式发电和储能技术等相关领域人员更好地理解本发明方案，下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。由图1所示的直流微电网光伏发电混合储能系统超级电容和锂电池作为储能元件，分别经由DC/DC双向变换器与直流母线相连并经过DC/AC逆变器与母线连接；光伏阵列输出的能量借助Boost变换器升压，将能量传递给直流母线后通过光伏逆变器完成能量转化；汇聚到母线端的能量转接给负载和电网。
锂电池具有高能量密度、功率密度小、充放电功率低的特点，长期处于高输出环境下会有损伤，难以单独大规模应用。超级电容充放电功率大、使用周期长、循环充放电次数高的优势，适用于大功率充放电的场合。将两种储能元件混合使用不仅能够使两者进行功能性的优势互补，通过控制储能系统充放电过程，还能有效应对负载突变对直流母线造成的冲击。由图2所示，为提高储能系统充放电性能，采用有源并联模式，同时引入双向DC/DC变换器，使储能系统充放电集于一体，通过电路能量波动和相应的储能元件控制策略使VT1与VT3、VT2与VT4信号的导通，进而驱动电路工作在不同模式下，进行充电或放电，实现功率的双向传递，对电网电压进行补偿或利用。
图3所示为本发明中功率波动频谱分布图。由图可得，分布式电源能量增幅随着频率增加呈下降趋势。补偿高频分量所需能量较小，补充低频分量所需能量较大。因此，可以考虑发挥超级电容效应速度快的特性补偿高频波动分量，锂电池能量密度高弥补低频波动分量。
提出图4所示为本发明所述混合储能系统能量管理策略，为降低功率脉动对电网影响，保证光伏电网的电能质量，对该系统进行三次功率分配。
第一次分配：超级电容和锂电池根据光伏输出功率PPV进行预分配；
第二次分配：超级电容和锂电池根据各自最优荷电状态SOC(State Of Charge)状态进行再分配；
第三次分配：超级电容和锂电池根据自身承受功率限值进行最终分配。
作为能量管理的优化方式，第一次预分配过程中先使PPV经过一个截止频率较高的低通滤波器，可得到高频的PPV分量，作为超级电容的参考输出功率Psc-ref，再经过一个截止频率较低的低频滤波器后，去除掉中频功率分量，得到低频的PPV分量，作为锂电池的参考输出功率Pbat-ref。超级电容获得的预分配功率为：
Figure BDA0003162623760000051
锂电池获得的预分配功率为：
Figure BDA0003162623760000052
其中，两个截止频率不同的低通滤波器的时间常数分别为Tsc和Tbat。
第二次再分配过程中考虑到了不同储能元件自身最优工作状态，超级电容的最优SOC工作值为70％，锂电池的最优SOC工作值为60％，所以需要对当前的参考功率进行新的调整。再分配过程超级电容的分配功率为：
Figure BDA0003162623760000053
锂电池的分配功率为：
Figure BDA0003162623760000054
第三次终分配过程中，为避免储能系统过充过放损伤元件，以储能元件的充放电限值作为参考对其进行限制。
Figure BDA0003162623760000055
图5所示为光伏阵列的Boost电路导通信号控制方式，光伏系统受多种因素的影响，随着电路Pload的变化而改变。与此同时，由计时器控制的PV信号能够处于高低电平，控制器的信号受负载功率控制，只有当PV与控制器同时保持高电平，才能输出该状态下光伏电池的实际的电压。在此程度上得到的PPV，能够满足该状态下的最大输出,通过限幅与脉宽调制产生互补的PWM控制信号驱动Boost电路运行。
图6、7所示为储能系统的导通信号的控制方式，双向DC/DC变换器采用功率外环、电流内环的双闭环控制，由三次功率分配得到的Pref与实际功率P作差作为功率调节器的输入，经调制后得到参考电流Iref，同时与实际电流作差，经由电流调节器与限幅、PWM调制得到控制开关管通断的控制信号。同时，为了保证功率流动维持在Pmin和Pmax之间，在控制框图中设置了逻辑门与比较器，即当超级电容器处于放电模块时，能量释放到直流母线，此时的Pref增加，当滞回比较器中的输出值高于上限Pmax时，输出的逻辑值为0，则VT1导通，使变换器由Boost模式转为Buck模式，能量由电网进入到超级电容中，否则VT2导通，变换器处于Boost模式，能量由超级电容进入到电网。
以上内容仅用以说明本发明的技术方案，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (5)

1.一种直流微电网光伏发电混合储能系统，其特征在于：所述储能系统包括超级电容，锂电池和光伏阵列；所述超级电容通过DC/DC双向变换器与直流母线相连；所述锂电池通过另一个DC/DC双向变换器与直流母线相连；所述光伏阵列通过Boost变换器与直流母线相连；所述直流母线通过DC/AC逆变器和光伏逆变器与交流母线即电网相连。
2.根据权利要求1所述的直流微电网光伏发电混合储能系统的控制策略，其特征在于：该系统根据所述光伏阵列的输出进行三次功率分配来降低功率波动对电网的冲击，所述三次功率分配通过所述光伏阵列，超级电容和锂电池共同控制，所述三次功率分配分别为：
第一次分配：超级电容和锂电池根据光伏输出功率PPV进行预分配；
第二次分配：超级电容和锂电池根据各自最优荷电状态SOC值进行再分配；
第三次分配：超级电容和锂电池根据自身承受功率限值进行最终分配；
所述储能系统采用功率外环电流内环的双闭环控制策略，由所述三次功率分配最终得到的参考功率值与所述储能元件即超级电容和锂电池实际功率作差作为功率调节器的输入，经调制后得到各自的参考电流，再与实际电流作差，经由电流调节器与限幅、PWM调制得到控制开关管通断的控制信号；同时在控制系统引入比较器来预防所述储能系统频繁充放电导致功率值超过储能元件上限；导通信号VT随着外界系统变化而定，使能量在所述储能系统与电网之间双向流动，即电网能量不足时，所述储能系统放电；电网能量过剩时，所述储能系统进行充电。
3.根据权利要求2所述的控制策略，其特征在于：所述第一次分配过程中先使PPV经过一个截止频率较高的低通滤波器，可得到高频的PPV分量，作为超级电容的参考输出功率Psc-ref，再经过一个截止频率较低的低频滤波器后，去除掉中频功率分量，得到低频的PPV分量，作为锂电池的参考输出功率Pbat-ref；超级电容获得的预分配功率为：
Figure FDA0003162623750000011
锂电池获得的预分配功率为：
Figure FDA0003162623750000012
其中，两个截止频率不同的低通滤波器的时间常数分别为Tsc和Tbat。
4.根据权利要求3所述的控制策略，其特征在于：所述第二次分配过程中超级电容的分配功率为：
Figure FDA0003162623750000013
锂电池的分配功率为：
Figure FDA0003162623750000021
5.根据权利要求4所述的控制策略，其特征在于：所述第三次分配过程中，以储能元件的充放电限值作为参考对功率进行限制，所述超级电容和锂电池的参考分配功率分别为：
Figure FDA0003162623750000022
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