CN113644726A - 分布式供电系统及基于其的能量调节方法 - Google Patents

分布式供电系统及基于其的能量调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分布式供电系统及基于其的能量调节方法，所述分布式供电系统包括多个能源模块、多个功率变换模块以及一母线电压控制器，多个能源模块经由对应的功率变换模块电连接到一直流母线，母线电压控制器与多个功率变换模块相连接，能量调节方法包括：功率变换模块获取对应的能源模块的至少一能源状态参数，并计算各功率变换模块的基数信号；母线电压控制器基于直流母线的母线电压生成归一化的控制信号，并将控制信号传递到各功率变换模块；功率变换模块根据控制信号与基数信号，得到各功率变换模块的控制给定量，并根据控制给定量对对应的能源模块进行调节。本发明能够在电压/电流控制的同时优化多组能源的功率分配。

Description

分布式供电系统及基于其的能量调节方法
技术领域
本发明涉及一种分布式供电系统及基于其的能量调节方法。
背景技术
燃料电池供电系统具有效率高，功率密度大，模块化，寿命长等优点，是未来能源发展的重要方向。例如，现有技术的SOFC(Solid Oxide Fuel Cell，固体氧化物燃料电池)可以实现80％～90％的综合效率。
但是，现有的燃料电池存在输出电压比较低，直流电压波动幅度大，以及对低频纹波适应性差的问题，因此需要用DC/DC变换器做前端升压和调压控制。然而，在大功率燃料电池供电系统运行过程中，DC/DC变换器主要控制直流母线电压(Bus voltage)，对燃料电池的电流控制和调节能力则较差。
一方面，为了让燃料电池供电系统中各燃料电池模块均分输出功率，DC/DC变换器通常采用集中通讯方式和下垂控制等方法。但是，集中通讯方式有响应速度慢和可靠性低的缺陷；而下垂控制中母线电压精度与各燃料电池模块间电流均衡程度常常需要折衷，为了实现较高的母线电压精度，各燃料电池模块间电流不均衡依然存在。
另一方面，多组燃料电池模块之间，由于制造工艺、使用年限、健康状态等因素，还存在发电效率的差异、输出电压的差异、电堆温度的差异等，需要设法有效地利用燃料电池的特性参数来优化燃料电池供电系统的运行。
发明内容
本发明的目的在于提供分布式供电系统及基于其的能量调节方法，能够在实现母线电压/电流控制的同时优化多组能源模块的功率均衡与能量调配。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于分布式供电系统的能量调节方法，其特点在于，所述分布式供电系统包括多个能源模块、多个功率变换模块以及一母线电压控制器，所述多个能源模块经由对应的所述功率变换模块电连接到一直流母线，所述母线电压控制器与所述多个功率变换模块相连接，所述能量调节方法包括：
所述功率变换模块获取对应的所述能源模块的至少一能源状态参数，并计算各所述功率变换模块的基数信号；
所述母线电压控制器基于所述直流母线的母线电压生成归一化的控制信号，并将所述控制信号传递到各所述功率变换模块；
所述功率变换模块根据所述控制信号与所述基数信号，得到各所述功率变换模块的控制给定量，并根据所述控制给定量对对应的所述能源模块进行调节。
在本发明的一实施例中，所述功率变换模块是以第一更新频率自对应的所述能源模块获取所述能源状态信息；所述母线电压控制器是以第二更新频率将所述归一化的控制信号传递到各所述功率变换模块，其中所述第二更新频率大于所述第一更新频率。
在本发明的一实施例中，所述功率变换模块是通过数字通讯、以所述第一更新频率获取所述能源状态信息，所述母线电压控制器是通过广播通讯、以所述第二更新频率将所述控制信号传递到各所述功率变换模块。
在本发明的一实施例中，所述功率变换模块还获取对应的所述能源模块的额定输出值，并根据所述额定输出值和所述能源状态参数计算各所述功率变换模块的基数信号。
在本发明的一实施例中，所述功率变换模块计算对应的所述能源模块的能源状态参数与所述多个能源模块的能源状态参数的均值之商，并与所述额定输出值相乘获得各所述功率变换模块的基数信号。
在本发明的一实施例中，所述能源状态参数为能源模块的输出电压值、输出电压系统给定值、输出电流给定值、温度检测值、功率检测值、变换效率计算值、能源模块的荷电状态检测值、以及能源模块的健康水平检测值的至少其中之一；及/或所述控制信号为归一化的电流或功率值。
在本发明的一实施例中，所述功率变换模块为直流/直流变换模块；及/或，所述能源模块为燃料电池。
为了实现上述目的，本发明还另外提供了一种分布式供电系统，其特点在于，包括：
多个能源模块；
多个功率变换模块，分别将对应的所述能源模块电连接到一直流母线，以及
一母线电压控制器，与所述多个功率变换模块进行通讯；
其中，所述功率变换模块获取对应的所述能源模块的至少一能源状态参数，并形成各所述功率变换模块的基数信号；
所述母线电压控制器基于所述直流母线的母线电压生成归一化的控制信号，并将所述控制信号传递到各所述功率变换模块；
所述功率变换模块根据所述控制信号与所述基数信号，得到各所述功率变换模块的控制给定量，并根据所述控制给定量对对应的所述能源模块进行调节。
在本发明的另一实施例中，所述功率变换模块是以第一更新频率自对应的所述能源模块获取所述能源状态信息；所述母线电压控制器是以第二更新频率将所述控制信号传递到各所述功率变换模块，其中所述第二更新频率大于所述第一更新频率。
在本发明的另一实施例中，所述功率变换模块是通过数字通讯、以所述第一更新频率获取所述能源状态信息，所述母线电压控制器是通过广播通讯、以所述第二更新频率将所述控制信号传递到各所述功率变换模块。
在本发明的另一实施例中，所述能源状态参数为能源模块的输出电压值、输出电压系统给定值、输出电流给定值、温度检测值、功率检测值、变换效率计算值、能源模块的荷电状态检测值、以及能源模块的健康水平检测值的至少其中之一；及/或所述控制信号为归一化的电流或功率值。
在本发明的另一实施例中，所述功率变换模块为直流/直流变换模块；及/或，所述能源模块为燃料电池。
在本发明的另一实施例中，所述直流母线还通过一交流/直流变换模块与一电网相连接。
在本发明的另一实施例中，所述母线电压控制器是集成于所述交流/直流变换模块内，或是独立设置于所述交流/直流变换模块外。
本发明通过在各个功率变换模块的控制中引入基数因子，能源模块采用归一化的调节信号，并以数字广播方式发送给多个功率变换模块，使分布式供电系统具有良好的可扩展性、可维护性和快速响应性能。在满足公共母线电压控制和各个能源模块输出功率基本平衡的基础上，实现了基于各个能源模块的运行状况的能量/功率优化调节。
本发明的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本发明的实践而习得。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1为本发明的分布式供电系统的结构示意图；
图2为基于本发明的分布式供电系统的能量调节方法的流程示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式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方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
在介绍这里所描述和/或图示的要素/组成部分/等时，用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等。术语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。实施方式中可能使用相对性的用语，例如“上”或“下”以描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”侧的组件将会成为在“下”侧的组件。此外，权利要求书中的术语“第一”、“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数字限制。
如图1所示，本发明的分布式供电系统100主要包括多个能源模块10、多个功率变换模块20以及一母线电压控制器30。其中，所述多个功率变换模块20是分别将对应的能源模块10电连接到一直流母线40，例如，图1中示出了六个燃料电池能源模块11～16，其分别与对应的功率变换模块21～26电连接，且这些功率变换模块21～26电连接至直流母线40。所述母线电压控制器30是与所述多个功率变换模块20进行有线或无线通讯。
优选地，这些功率变换模块21～26可为直流/直流变换模块，并可经由所述直流母线40通过一交流/直流变换模块31进一步与一电网50相连接。这些能源模块11～16可为燃料电池，例如包括但不限于锂电池(Lithium Battery)。所述母线电压控制器30可集成于所述交流/直流变换模块31内，或是独立设置于所述交流/直流变换模块31外。
结合图1，如图2所示，本发明的分布式供电系统的能量调节方法包括：
在步骤S201中，所述功率变换模块20获取对应的所述能源模块10的至少一能源状态参数，并计算各所述功率变换模块10的基数信号；
在步骤S202中，所述母线电压控制器30基于所述直流母线40的母线电压生成归一化的控制信号，并将所述控制信号发送到各所述功率变换模块20；
在步骤S203中，所述功率变换模块20根据所述控制信号与所述基数信号，得到各所述功率变换模块20的控制给定量，并根据所述控制给定量对对应的所述能源模块10进行调节。
在本发明中，所述步骤S202和所述步骤S203可以不同时进行，也可以同时进行。所述功率变换模块20可通过数字通讯，以第一更新频率自对应的所述能源模块10获取所述能源状态信息。所述母线电压控制器30可通过广播通讯，以第二更新频率将所述归一化的控制信号发送到各所述功率变换模块20，优选的，其中所述第二更新频率可大于所述第一更新频率。
在本发明的一优选实施例中，第一更新频率可以为例如10Hz，通常由能源状态产生明显变化的时间间隔决定；第二更新频率可以为例如1kHz，通常由母线电压的控制响应时间需求所决定。由于直流母线存储能量远小于能源模块，因而其电压状态的变化比能源模块的能源状态参数变化更加灵敏快捷，相适应的选择更新频率，可以提高分布式供电系统的整体性能。
在一个实施例中，所述功率变换模块20还可获取对应的能源模块10的额定输出值，并根据所述额定输出值和所述能源状态参数计算各功率变换模块20的基数信号。例如，所述功率变换模块20可计算对应的能源模块10的能源状态参数与所述多个能源模块10的能源状态参数的均值之商，并与所述额定输出值相乘获得各功率变换模块20的基数信号。其中，所述基数信号是与各自连接的能源状态相关，并可通过能源状态信息采集和通讯传递到各功率变换模块，其中信息采集和通讯单元可以在能源装置(即能源模块)内或在能源装置外的设备内。所述能源状态参数包括但不限于为能源模块的输出电压值、输出电压系统给定值、输出电流给定值、温度检测值、功率检测值、变换效率计算值、能源模块的荷电状态(SOC)检测值、以及能源模块的健康水平检测值的至少其中之一，即可为对能源(即能源模块)的正常输入或输出功率有限制或优化需求的一个或多个因素，可由各功率变换模块通过通讯计算从各能源装置(即能源模块)和系统装置中获取。各功率变换模块20例如可通过采用RS485串行通讯标准与其他部件进行通讯。所述控制信号为归一化的电流或功率值，其可经由母线电压控制器30对直流母线40的母线电压的检测和误差运算而得到，其数值在-1到1之间，并经由广播通讯同时传递给每个功率变换模块20。
本发明采用集中母线电压控制模式，在各功率变换模块的电压/电流或功率的输出控制中，每个功率变换模块的输出给定值的计算，由两个输入变量(即归一化的控制信号和基数信号)的乘积来确定。能源模块
以下将以一具体实施例详细说明本发明的能量调节方法及其优点。
具体实施例1：
连接直流母线40和多个能源模块10(例如锂电池组)的多个功率变换模块20，母线电压控制器30测量母线电压，并生成电流或功率控制信号，通过数字通讯并行发送给全部的功率变换模块20。母线电压控制器30可以集成在一PCS(Power Conversion System，储能变流器)模块31内，也可以为独立的外部控制器)为实现快速通讯控制，PCS下发的电流指令为归一化的电流值(-1到1)；同时功率变换模块20根据对应连接的能源模块10的电流参数和SOC(State of charge,荷电状态)参数而确定基数信号。作为一个特例，该基数信号可以为所述能源模块10的额定电流值与其SOC参数的乘积，所述的SOC参数等于该能源模块10的SOC值与全部电池组的平均SOC值之商。
如此，本发明通过在各个功率变换模块的控制中引入基数因子，采用归一化的调节信号，并以数字广播方式发送给多个功率变换模块，在满足公共母线电压控制和各个能源模块输出功率基本平衡的基础上，实现了基于各个能源模块的运行状况的能量/功率优化调节，使分布式供电系统具有良好的可扩展性、可维护性和快速响应性能。第一更新频率一般由能源模块的能源状态产生明显变化的时间间隔决定，以电池为例，10Hz的SOC状态更新频率通常已经够快；第二更新频率一般由母线电压的控制响应时间需求所决定，以逆变器直流侧为例，500Hz或更高的电压控制量更新频率对于直流母线电压稳定性和保障动态性能是很有必要的。原因在于直流母线存储能量远小于能源模块，因而其电压状态的变化比能源模块的能源状态参数变化更加灵敏快捷。另一方面，在多能源集成系统中，低频的能源状态更新也使得母线电压控制器有较多的时间去分时处理多个功率变换模块和多个能源模块的通讯，有利于实现通讯资源和中央处理器时间资源的低成本并高效利用。
以上具体地示出和描述了本发明的示例性实施方式。应该理解，本发明不限于所公开的实施方式，相反，本发明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布置。

Claims (14)

1.一种基于分布式供电系统的能量调节方法，其特征在于，所述分布式供电系统包括多个能源模块、多个功率变换模块以及一母线电压控制器，所述多个能源模块经由对应的所述功率变换模块电连接到一直流母线，所述母线电压控制器与所述多个功率变换模块相连接，所述能量调节方法包括：
所述功率变换模块获取对应的所述能源模块的至少一能源状态参数，并计算各所述功率变换模块的基数信号；
所述母线电压控制器基于所述直流母线的母线电压生成归一化的控制信号，并将所述控制信号传递到各所述功率变换模块；
所述功率变换模块根据所述控制信号与所述基数信号，得到各所述功率变换模块的控制给定量，并根据所述控制给定量对对应的所述能源模块进行调节。
2.根据权利要求1所述的基于分布式供电系统的能量调节方法，其特征在于，
所述功率变换模块是以第一更新频率自对应的所述能源模块获取所述能源状态信息；
所述母线电压控制器是以第二更新频率将所述归一化的控制信号传递到各所述功率变换模块，其中所述第二更新频率大于所述第一更新频率。
3.根据权利要求2所述的基于分布式供电系统的能量调节方法，其特征在于，所述功率变换模块是通过数字通讯、以所述第一更新频率获取所述能源状态信息，所述母线电压控制器是通过广播通讯、以所述第二更新频率将所述控制信号传递到各所述功率变换模块。
4.根据权利要求1所述的基于分布式供电系统的能量调节方法，其特征在于，所述功率变换模块还获取对应的所述能源模块的额定输出值，并根据所述额定输出值和所述能源状态参数计算各所述功率变换模块的基数信号。
5.根据权利要求4所述的基于分布式供电系统的能量调节方法，其特征在于，所述功率变换模块计算对应的所述能源模块的能源状态参数与所述多个能源模块的能源状态参数的均值之商，并与所述额定输出值相乘获得各所述功率变换模块的基数信号。
6.根据权利要求1所述的基于分布式供电系统的能量调节方法，其特征在于，
所述能源状态参数为能源模块的输出电压值、输出电压系统给定值、输出电流给定值、温度检测值、功率检测值、变换效率计算值、能源模块的荷电状态检测值、以及能源模块的健康水平检测值的至少其中之一；及/或
所述控制信号为归一化的电流或功率值。
7.根据权利要求1所述的基于分布式供电系统的能量调节方法，其特征在于，所述功率变换模块为直流/直流变换模块；及/或，所述能源模块为燃料电池。
8.一种分布式供电系统，其特征在于，包括：
多个能源模块；
多个功率变换模块，分别将对应的所述能源模块电连接到一直流母线，以及
一母线电压控制器，与所述多个功率变换模块进行通讯；
其中，所述功率变换模块获取对应的所述能源模块的至少一能源状态参数，并形成各所述功率变换模块的基数信号；
所述母线电压控制器基于所述直流母线的母线电压生成归一化的控制信号，并将所述控制信号传递到各所述功率变换模块；
所述功率变换模块根据所述控制信号与所述基数信号，得到各所述功率变换模块的控制给定量，并根据所述控制给定量对对应的所述能源模块进行调节。
9.根据权利要求8所述的分布式供电系统，其特征在于，
所述功率变换模块是以第一更新频率自对应的所述能源模块获取所述能源状态信息；
所述母线电压控制器是以第二更新频率将所述控制信号传递到各所述功率变换模块，其中所述第二更新频率大于所述第一更新频率。
10.根据权利要求9所述的分布式供电系统，其特征在于，所述功率变换模块是通过数字通讯、以所述第一更新频率获取所述能源状态信息，所述母线电压控制器是通过广播通讯、以所述第二更新频率将所述控制信号传递到各所述功率变换模块。
11.根据权利要求8所述的分布式供电系统，其特征在于，
所述能源状态参数为能源模块的输出电压值、输出电压系统给定值、输出电流给定值、温度检测值、功率检测值、变换效率计算值、能源模块的荷电状态检测值、以及能源模块的健康水平检测值的至少其中之一；及/或
所述控制信号为归一化的电流或功率值。
12.根据权利要求8所述的分布式供电系统，其特征在于，所述功率变换模块为直流/直流变换模块；及/或，所述能源模块为燃料电池。
13.根据权利要求8所述的分布式供电系统，其特征在于，所述直流母线还通过一交流/直流变换模块与一电网相连接。
14.根据权利要求13所述的分布式供电系统，其特征在于，所述母线电压控制器是集成于所述交流/直流变换模块内，或是独立设置于所述交流/直流变换模块外。
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