CN113629741A - 一种新型混合储能装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种新型混合储能装置及控制方法，本装置由光伏阵列和风力发电机作为发电单元，超级电容器和蓄电池作为混合储能单元，超级电容和蓄电池分别通过超级电容DC/DC双向变换单元和蓄电池DC/DC双向变换单元稳定混合储能单元直流母线上的电压，超级电容和蓄电池通过AC/DC双向变流单元和VSC控制单元实现并网，并对太阳能光伏阵列和风力发电机输出功率的补偿。本发明同时兼顾了两种一次储能装置的优点，同时又弥补了两种一次储能系统各自的不足，又可以确保电力系统运行的稳定性和可靠性，弥补可再生能源输出功率不稳定的问题。

Description

一种新型混合储能装置及控制方法
技术领域
本发明专利涉及混合储能领域，尤其是涉及一种混合储能装置及控制方法。
技术背景
近年来，我国大力发展清洁的可再生能源电源，可再生能源需求的不断增长，以及可再生能源不断与电网的融合。由于可再生能源输出功率随着天气的变化而变化，不能制定出精确的发电计划，因此大规模可再生能源并网会影响电力系统运行的稳定性和可靠性。因此，储能技术的发展成为人们关注的焦点。
我们可将可再生能源产生的电能暂时存储在储能装置中。现有的储能介质可以分为能量型和功率型两类。以锂电池、钠硫电池、液流电池和铅酸电池等为代表的能量型储能介质，能量密度较大，功率密度较小；以超级电容、超导磁储能和飞轮储能等为代表的功率型储能介质，能量密度较小，功率密度较大，高倍率充放电不会损害其性能。在使用单一的储能装置时，由于多次充放电，对储能装置的损害非常大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混合储能装置及控制方法，确保在大规模使用可再生能源发电时不影响电力系统的稳定性和可靠性，在使用储能装置过程中减小对储能装置的损害。
本发明的技术方案是：
一种新型混合储能装置及控制方法，本装置由光伏阵列和风力发电机作为发电单元，超级电容器和蓄电池作为混合储能单元，超级电容和蓄电池分别通过超级电容DC/DC双向变换单元和蓄电池DC/DC双向变换单元稳定混合储能单元直流母线上的电压，超级电容和蓄电池通过AC/DC双向变流单元和VSC控制单元实现并网，并对太阳能光伏阵列和风力发电机输出功率的补偿。本发明同时兼顾了两种一次储能装置的优点，同时又弥补了两种一次储能系统各自的不足，又可以确保电力系统运行的稳定性和可靠性，弥补可再生能源输出功率不稳定的问题。
所述蓄电池和超级电容分别与蓄电池DC/DC双向变换单元和超级电容DC/DC双向变换单元的输入端口连接，蓄电池DC/DC双向变换单元和超级电容DC/DC双向变换单元输出端口与AC/DC双向变换单元直流侧连接，AC/DC双向变换单元的交流侧与交流总线连接；风力发电机输出端依次通过机侧变换器和网侧变换器与交流总线连接；光伏阵列的输出端通过 DC/AC变换器与交流总线连接；交流总线上汇聚的各个单元的电压电流信号输入到VSC控制单元，VSC控制单元的输出端与电网连接。
所述蓄电池DC/DC双向变换单元包括电感Lin、mos管Q8、mos管Q9、mos管Q10和 mos管Q11，蓄电池DC/DC双向变换单元有两种工作状态；
状态1：mos管Q8和mos管Q11处于导通状态，mos管Q9和mos管Q10处于断开状态，蓄电池端与容器C2连通，若蓄电池端电压高于电容C2电压，蓄电池向电容C2充电；若蓄电池端电压低于电容C2端电压；电容C2向蓄电池端充电；若两端电压相等，则处于平衡状态；
状态2：mos管Q9和mos管Q10处于导通状态，mos管Q8和mos管Q11处于断开状态，电感Lout与电容C2连通，若输出端电压高于电容C2两端电压，输出端向电容C2进行充电；若输出端两端电压低于电容C2两端电压，电容C2向输出端进行充电；若两端电压相等，则处于平衡状态。通过控制mos管Q8mos管Q9mos管Q10mos管Q11导通和断开来控制电流的流向，进而控制电源的充放电；超级电容DC/DC双向变换单元与蓄电池DC/DC双向变换单元相同，再次不在赘述。
VSC控制单元包括电流控制器，电流控制器从交流总线上获取瞬时频率测量值fref、瞬时电压测量值Vref、频率期望值f和电压期望值V，瞬时频率测量值fref、瞬时电压测量值Vref、频率期望值f和电压期望值V经过电流控制器的运算，在电流控制器的输出端输出两相参考电流Id_ref和Iq_ref，进一步，电流控制器输出端与参考电流发生器连接，Id_ref和Iq_ref被转移到参考电流发生器中，参考电流发生器从AC/DC双向变换单元交流侧获得两相电流Id和 Iq和两相参考电压Vd和Vq；AC/DC双向变换单元交流侧的三相电流Iabc通过第一abc/dq转换器输出两相电流Id和Iq；AC/DC双向变换单元交流侧的三相电压Vabc通过第二abc/dq转换器输出两相电压Vd和Vq；两相参考电流Id_ref和Iq_ref、两相电流Id和Iq、两相电压Vd和Vq经参考电流发生器运算生成电压Vd_ref和Vq_ref，Vd_ref和Vq_ref通过第三dq/abc变换器变换为三相参考电压；第三dq/abc变换器输出端与PWM单元连接，PWM单元输入端与锁相环PLL输出端连接；第三dq/abc变换器为PWM单元提供三相参考电压，锁相环PLL为PWM 单元提供参考相位角，PWM单元将设定的三相电压值与从第三dq/abc变换器采样获取的三相电压值进行比较，以生成控制AC/DC双向变换单元的PWM信号，PWM信号用过控制 AC/DC转换器。
在参考电流发生器中，频率瞬时测量值fref减去频率期望值f，所得频率误差通过第一PI 控制器传输，第一PI控制器输出端与第一限幅器连接，第一限幅器的输出端输出Id_ref；瞬时电压测量值Vref减去电压期望值V，所得电压误差通过第二PI控制器传输，第二PI控制器输出端与第二限幅器连接，第二限幅器的输出端输出Iq_ref；Id_ref减去两相电流Id，所得电流误差通过第三PI控制器传输，第三PI控制器输出结果与Vd、Iq运算后，所得结果经第三限幅器输出为Vd_ref；Iq_ref减去Iq，所得误差结果输入到第四PI控制器，第四PI控制器输出结果与Vd、Iq运算后，所得结果经第四限幅器输出为Vq_ref。
蓄电池DC/DC双向变换单元和超级电容DC/DC双向变换单元的控制方法为，超级电容 DC/DC双向变换单元从发电单元获取瞬时发电功率PG(t)，从电网端获取瞬时消耗功率PL(t)，可以得到瞬时净功率：Pnet(t)＝PG(t)-PL(t)，超级电容将根据净功率值采取行动：如果瞬时净功率Pnet(t)≥0，表示发电单元的发电量大于消耗电量，发电单元对超级电容将进行充电，否则超级电容将进行放电；假设超级电容能够充放电最大的功率为PS(t)，则得到需要蓄电池处理的功率Pd(t)为，Pd(t)＝Pnet(t)-PS(t)；如果Pd(t)≥0，则表示发电单元的发电量大于消耗电量的需求，蓄电池将进行充电，否则蓄电池将进行放电，进行下一次循环。超级电容可以起到对蓄电池的缓冲。
蓄电池DC/DC双向变换单元和超级电容DC/DC双向变换单元利用DSP芯片TMS320F28335将混合储能单元的控制算法植入蓄电池DC/DC双向变换单元和超级电容 DC/DC双向变换单元电路。
本发明的特点：
采用蓄电池和超级电容对发电单元功率进行发电单元的功率进行补偿。
对蓄电池和超级电容充放电次序的控制，兼顾了两种一次储能装置的优点，同时又弥补了两种一次储能系统各自的不足，能够减小对对储能元器件的损害，提高储能元器件的寿命。
通过VSC控制单元对AC/DC的控制，是系统能够更有效的获取信号，及时对发电单元的输出功率进行补偿，减少系统的不稳定性。
附图说明
图1为结构框图；
图2为DC/DC双向变换单元和AC/DC双向变换单元电路图；
图3为VSC控制单元结构框图；
图4为参考电流发生器和电流控制器内部控制图；
图5为超级电容和蓄电池充放电流程图。
图中1.蓄电池DC/DC双向变换单元、2.超级电容DC/DC双向变换单元、3.AC/DC双向变换单元、4.蓄电池、5.超级电容、6.网侧变换器、7.机侧变换器、8.风力发电机、9.光伏阵列、 10.DC/AC变换器、11.VSC控制单元、12.电网、13.参考电流发生器、14.电流控制器，15.1. 第一abc/dq转换器，15.2第二abc/dq转换器，15.3第三abc/dq转换器，16.1第一PI控制器， 16.2第二PI控制器，16.3第三PI控制器，16.4第四PI控制器，17.1第一限幅器，17.2第二限幅器，17.3第三限幅器，17.4第四限幅器。
具体实施方式
一种新型混合储能装置及控制方法，包括发电单元和混合储能单元，其中发电单元包括风力发电机8和光伏阵列9，混合储能单元包括蓄电池4和超级电容5，蓄电池4和超级电容 5分别与蓄电池DC/DC双向变换单元1和超级电容DC/DC双向变换单元2的输入端口连接，蓄电池DC/DC双向变换单元1和超级电容DC/DC双向变换单元2输出端口与AC/DC双向变换单元3直流侧连接，AC/DC双向变换单元3的交流侧与交流总线连接；风力发电机8输出端依次通过机侧变换器7和网侧变换器6与交流总线连接；
机侧变换器7和网侧变换器6是发电机的PWM变流器，在当电网12电压跌落时，网侧变换器6同时采集来自网侧电压的扰动，机侧变换器7用于采集风力发电机8的信号，交流总线上电量的波动与风力发电机8发出电量的突变有直接的关系。机侧变换器7和网侧变换器6用于风力发电机8输出电压的基本稳定。
光伏阵列9的输出端通过DC/AC变换器10与交流总线连接。
交流总线上汇聚的各个单元的电压电流信号输入到VSC控制单元11，VSC控制单元11 的输出端与电网12连接。
VSC控制单元11包括电流控制器14，电流控制器14从交流总线上获取瞬时频率测量值 fref、瞬时电压测量值Vref、频率期望值f和电压期望值V，瞬时频率测量值fref、瞬时电压测量值Vref、频率期望值f和电压期望值V经过电流控制器14的运算，在电流控制器14的输出端输出两相参考电流Id_ref和Iq_ref，进一步，电流控制器14输出端与参考电流发生器13连接，Id_ref和Iq_ref被转移到参考电流发生器13中，参考电流发生器13从AC/DC双向变换单元3交流侧获得两相电流Id和Iq和两相参考电压Vd和Vq；AC/DC双向变换单元3交流侧的三相电流Iabc通过第一abc/dq转换器15.1输出两相电流Id和Iq；AC/DC双向变换单元3 交流侧的三相电压Vabc通过第二abc/dq转换器15.2输出两相电压Vd和Vq；两相参考电流 Id_ref和Iq_ref、两相电流Id和Iq、两相电压Vd和Vq经参考电流发生器13运算生成电压Vd_ref和Vq_ref，Vd_ref和Vq_ref通过第三abc/dq变换15.3器变换为三相参考电压；第三abc/dq变换器15.3输出端与PWM单元连接，PWM单元输入端与锁相环PLL输出端连接；第三abc/dq 变换器15.3为PWM单元提供三相参考电压，锁相环PLL为PWM单元提供参考相位角，PWM 单元将设定的三相电压值与从第三dq/abc变换器采样获取的三相电压值进行比较，以生成控制AC/DC双向变换单元3的PWM信号，PWM信号用过控制AC/DC转换器。VSC控制单元11通过采集信号，用于控制发电单元向混合储能单元充电，以及发电单元向电网12补偿电能。
在参考电流发生器中，频率瞬时测量值fref减去频率期望值f，所得频率误差通过第一 PI控制器16.1传输，第一PI控制器16.1输出端与第一限幅器17.1连接，第一限幅器17.1的输出端输出Id_ref；瞬时电压测量值Vref减去电压期望值V，所得电压误差通过第二PI控制器 16.2传输，第二PI控制器16.2输出端与第二限幅器17.2连接，第二限幅器17.2的输出端输出Iq_ref；Id_ref减去两相电流Id，所得电流误差通过第三PI控制器16.3传输，第三P1控制器16.3输出结果与Vd、Iq运算后，所得结果经第三限幅器17.3输出为Vd_ref；Iq_ref减去Iq，所得误差结果输入到第四PI控制器16.4，第四PI控制器16.4输出结果与Vd、Iq运算后，所得结果经第四限幅器17.4输出为Vq_ref。PI控制器主要适用于基本上线性，且动态特性不随时间变化的系统。
PI控制器主要用于消除目前的误差，平均过去的误差，和透过误差的改变来预测将来的误差。限幅器指能按限定的范围削平信号电压波幅的电路，又称削波器。限幅电路的作用是把输出信号幅度限定在一定的范围内，亦即当输入电压超过或低于某一参考值后，输出电压将被限制在某一电平(称作限幅电平)，且再不随输入电压变化。
所述蓄电池DC/DC双向变换单元1包括电感Lin、mos管Q8、mos管Q9、mos管Q10 和mos管Q11，蓄电池DC/DC双向变换单元1有两种工作状态。
状态1：mos管Q8和mos管Q11处于导通状态，mos管Q9和mos管Q10处于断开状态，蓄电池4端与容器C2连通，若蓄电池4端电压高于电容C2电压，蓄电池4向电容C2充电；若蓄电池4端电压低于电容C2端电压；电容C2向蓄电池4端充电；若两端电压相等，则处于平衡状态。
状态2：mos管Q9和mos管Q10处于导通状态，mos管Q8和mos管Q11处于断开状态，电感Lout与电容C2连通，若输出端电压高于电容C2两端电压，输出端向电容C2进行充电；若输出端两端电压低于电容C2两端电压，电容C2向输出端进行充电；若两端电压相等，则处于平衡状态。通过控制mos管Q8mos管Q9mos管Q10mos管Q11导通和断开来控制电流的流向，进而控制电源的充放电；超级电容DC/DC双向变换单元2与蓄电池DC/DC双向变换单元1相同，再次不在赘述。
蓄电池DC/DC双向变换单元1和超级电容5DC/DC双向变换单元2的控制方法为，超级电容DC/DC双向变换单元2从发电单元获取瞬时发电功率PG(t)，从电网12端获取瞬时消耗功率PL(t)，可以得到瞬时净功率：Pnet(t)＝PG(t)-PL(t)，超级电容5将根据净功率值采取行动：如果瞬时净功率Pnet(t)≥0，表示发电单元的发电量大于消耗电量，发电单元对超级电容5将进行充电，否则超级电容5将进行放电；假设超级电容5能够充放电最大的功率为PS(t)，则得到需要蓄电池4处理的功率Pd(t)为，Pd(t)＝Pnet(t)-PS(t)；如果Pd(t)≥0，则表示发电单元的发电量大于消耗电量，蓄电池4将进行充电，否则蓄电池4将进行放电，进行下一次循环。超级电容5可以起到对蓄电池4的缓冲。这种控制方法可以减少充放电过程中对蓄电池4和超级电容5损害，能够放蓄电池4和超级电容5充分的充放电。
蓄电池DC/DC双向变换单元1和超级电容DC/DC双向变换单元2利用DSP芯片TMS320F28335将混合储能单元的控制算法植入蓄电池DC/DC双向变换单元1和超级电容DC/DC双向变换单元2电路。
本发明工作过程：风力发电机8和光伏阵列9发电，风力发电机8通过机侧变换器7和机侧变换器7将电能接入交流总线上，光伏阵列9通过DC/AC变换器10接入交流总线，通过VSC控制单元11检测，若电网12需要的电量小于风力发电机8和光伏阵列9的发电量，风力发电机8和光伏阵列9向蓄电池4和超级电容5充电，充电的过程是先向超级电容5充电，超级电容5充电完成后再向蓄电池4充电；若风力发电机8和光伏阵列9发电量小于电网12需要的电量，超级电容5和蓄电池4对电网12电量进行补偿，超级电容5先进行放电，超级电容5放电完成后，蓄电池4再放电。

Claims (6)

1.一种新型混合储能装置及控制方法，包括发电单元和混合储能单元，其中发电单元包括风力发电机和光伏阵列，其特征在于：混合储能单元包括蓄电池和超级电容，蓄电池和超级电容分别与蓄电池DC/DC双向变换单元和超级电容DC/DC双向变换单元的输入端口连接，蓄电池DC/DC双向变换单元和超级电容DC/DC双向变换单元输出端口均与AC/DC双向变换单元的直流侧连接，AC/DC双向变换单元的交流侧与交流总线连接；
风力发电机输出端依次通过机侧变换器和网侧变换器与交流总线连接；
光伏阵列的输出端通过DC/AC变换器与交流总线连接；
交流总线上汇聚的各个单元的电压电流信号输入到VSC控制单元，VSC控制单元的输出端与电网连接。
2.根据权利要求1所述的一种新型混合储能装置及控制方法，其特征在于：所述蓄电池DC/DC双向变换单元包括电感Lin、mos管Q8、mos管Q9、mos管Q10和mos管Q11，蓄电池DC/DC双向变换单元有两种工作状态；
状态1：mos管Q8和mos管Q11处于导通状态，mos管Q9和mos管Q10处于断开状态，蓄电池端与容器C2连通，若蓄电池端电压高于电容C2电压，蓄电池向电容C2充电；若蓄电池端电压低于电容C2端电压；电容C2向蓄电池端充电；若两端电压相等，则处于平衡状态；
状态2：mos管Q9和mos管Q10处于导通状态，mos管Q8和mos管Q11处于断开状态，电感Lout与电容C2连通，若输出端电压高于电容C2两端电压，输出端向电容C2进行充电；若输出端两端电压低于电容C2两端电压，电容C2向输出端进行充电；若两端电压相等，则处于平衡状态；通过控制mos管Q8、mos管Q9、mos管Q10、mos管Q11导通和断开来控制电流的流向，进而控制电源的充放电；超级电容DC/DC双向变换单元与蓄电池DC/DC双向变换单元相同，再次不在赘述。
3.根据权利要求1所述的一种新型混合储能装置及控制方法，其特征在于：VSC控制单元包括电流控制器，电流控制器从交流母线上获取瞬时频率测量值fref、瞬时电压测量值Vref、频率期望值f和电压期望值V，瞬时频率测量值fref、瞬时电压测量值Vref、频率期望值f和电压期望值V经过电流控制器的运算，在电流控制器的输出端输出两相参考电流Id_ref和Iq_ref，进一步，电流控制器输出端与参考电流发生器连接，Id_ref和Iq_ref被转移到参考电流发生器中，参考电流发生器从AC/DC双向转换器单元交流侧获得两相电流Id和Iq和两相参考电压Vd和Vq；AC/DC双向转换器单元交流侧的三相电流Iabc通过第一abc/dq转换器输出两相电流Id和Iq；AC/DC双向转换器单元交流侧的三相电压Vabc通过第二abc/dq转换器输出两相电压Vd和Vq；两相参考电流Id_ref和Iq_ref、两相电流Id和Iq、两相电压Vd和Vq经参考电流发生器运算生成电压Vd_ref和Vq_ref，Vd_ref和Vq_ref通过第三dq/abc变换器变换为三相参考电压；第三dq/abc变换器输出端与PWM单元连接，PWM单元输入端与锁相环PLL输出端连接；第三dq/abc变换器为PWM单元提供三相参考电压，锁相环PLL为PWM单元提供参考相位角，PWM单元将设定的三相电压值与从第三dq/abc变换器采样获取的三相电压值进行比较，以生成控制AC/DC双向转换器单元的PWM信号，PWM信号用过控制AC/DC转换器。
4.根据权利要求3所述的一种新型混合储能装置及控制方法，其特征在于：频率瞬时测量值fref减去频率期望值f，所得频率误差通过第一PI控制器传输，第一PI控制器输出端与第一限幅器连接，第一限幅器的输出端输出Id_ref；瞬时电压测量值Vref减去电压期望值V，所得电压误差通过第二PI控制器传输，第二PI控制器输出端与第二限幅器连接，第二限幅器的输出端输出Iq_ref；Id_ref减去两相电流Id，所得电流误差通过第三PI控制器传输，第三PI控制器输出结果与Vd、Iq运算后，所得结果经第三限幅器输出为Vd_ref；Iq_ref减去Iq，所得误差结果输入到第四PI控制器，第四PI控制器输出结果与Vd、Iq运算后，所得结果经第四限幅器输出为Vq_ref。
5.根据权利要求1所述的一种新型混合储能装置及控制方法，其特征在于：蓄电池DC/DC双向变换单元和超级电容DC/DC双向变换单元的控制方法为，超级电容DC/DC双向变换单元从发电单元获取瞬时发电功率PG(t)，从电网端获取瞬时消耗功率PL(t)，可以得到瞬时净功率：Pnet(t)＝PG(t)-PL(t)，超级电容将根据净功率值采取行动：如果瞬时净功率Pnet(t)≥0，表示发电单元的发电量大于消耗电量，发电单元对超级电容将进行充电，否则超级电容将进行放电；假设超级电容能够充放电最大的功率为Ps(t)，则得到需要蓄电池处理的功率Pd(t)为，Pd(t)＝PDet(t)-Ps(t)；如果Pd(t)≥0，则表示发电单元的发电量大于消耗电量，蓄电池将进行充电，否则蓄电池将进行放电。
6.根据权利要求1所述的一种新型混合储能装置及控制方法，其特征在于：蓄电池DC/DC双向变换单元和超级电容DC/DC双向变换单元利用DSP芯片TMS320F28335将混合储能单元的控制算法植入蓄电池DC/DC双向变换单元和超级电容DC/DC双向变换单元电路。
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CN114884116A (zh) * 2022-06-07 2022-08-09 国网湖北综合能源服务有限公司 电源电路、新能源控制系统及能源协调方法

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