CN114243782B - 一种基于波浪能发电的混合储能能源路由管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波浪能发电的混合储能能源路由管理系统，其特征在于，混合储能能源路由管理系统包括混合储能系统和混合储能能源管理系统，混合储能系统包括氢储能系统、超级电容组和锂电池组，超级电容器组包括超级电容器A和超级电容器B，氢储能系统包括海水电解装置、氢燃料电池与储氢装置；本发明实现了波浪能发电并网功率波动抑制，在混合储能能源路由管理系统拓扑结构、混合储能系统能源管理策略与氢燃料电池荷电状态管理三方面实现了混合储能能源路由管理系统的功率平滑输出。

Description

一种基于波浪能发电的混合储能能源路由管理系统

技术领域

本发明涉及混合能源管理技术领域，具体涉及一种基于波浪能发电的混合储能能源路由管理系统。

背景技术

波浪能是海洋能源中蕴藏最为丰富的能源之一，也是海洋能利用研究中近期研究最多的海洋能源，它能够提供优质的可再生能源，缓解能源短缺。但波浪能受季节，气象和地域条件的影响，具有明显的不连续与不稳定性，导致能量的损失。而大规模的储能技术可以将不稳定的波浪能拼接起来，转化为可靠稳定的能源供应。

目前，大多数利用储能系统平抑波浪能发电阵列有功波动的能量管理策略不够完善，且未考虑对波浪能电场能量的最大利用，能量浪费现象严重。此外，由于超级电容储能系统的功率和容量均受到限制，有必要将存储能量不受限的氢循环系统作为辅助调度装置与传统的锂电池储能纳入考虑范围，充分发挥功率型储能元件与能量型储能元件各自的优势，并设计一套更优化的储能单元调度策略，以应对未来波浪能的大幅变化。

发明内容

为了解决上述混合储能系统存在的问题，本发明设计了一种基于波浪能发电的混合储能能源路由管理系统，本发明实现了波浪能发电并网功率波动抑制，在混合储能能源路由管理系统拓扑结构、混合储能系统能源管理策略与氢燃料电池荷电状态管理三方面实现了混合储能能源路由管理系统的功率平滑输出，具体技术方案如下：

一种基于波浪能发电的混合储能能源路由管理系统，所述混合储能能源路由管理系统包括混合储能系统和混合储能能源管理系统，所述混合储能系统包括氢储能系统、超级电容组和锂电池组，所述超级电容器组包括超级电容器A和超级电容器B，所述氢储能系统包括海水电解装置、氢燃料电池与储氢装置，所述锂电池组、超级电容器A、氢燃料电池与直流母线相连接，所述直流母线同时连接直流负载和交流母线，所述交流母线与波浪能发电阵列、海水电解装置、超级电容器B、交流负载和大电网相连接，所述混合储能能源管理系统实时采集并控制所述海水电解装置的电解水功率P_h、超级电容器A功率P_s1、超级电容器B功率P_s2、锂电池组功率P_L、直流负载功率P_load1、交流负载功率P_load2、原始波浪能发电功率P_wave、氢燃料电池功率P_b和所述混合储能能源路由管理系统的并网功率P_grid的平滑输出，同时保证所述直流负载和所述交流负载的正常工作。

进一步的，所述锂电池组和所述超级电容器A分别通过一组DC/DC变换器连接至直流母线，所述超级电容器B依次通过一组DC/DC变换器和一组DC/AC变换器连接至交流母线，所述氢燃料电池通过一组DC/DC变换器连接直流母线，所述交流母线通过一组DC/AC变换器连接海水电解装置，所述直流母线通过一组DC/AC变换器连接至交流母线，所述交流母线通过一号变压器连接交流负载，所述交流母线使用静态开关在公共连接点PCC通过二号变压器与大电网相连。

优选的，所述混合储能能源管理系统具有六种调度模式：

调度模式1-1：该模式为混合储能系统初始充电阶段调度模式，该模式下波浪能发电阵列的原始波浪能发电功率大于最大功率的90％，为直流负载和交流负载正常供电，同时给超级电容器组和锂电池组充电并且为海水电解装置提供电解水功率，公式如下：

P_h+P_s1+P_s2+P_L+P_load1+P_load2＝P_wave

调度模式1-2：该模式下波浪能发电阵列的原始波浪能发电功率大于最大功率的90％，且锂电池组与氢燃料电池均处于充满电的待机状态，若此时检测到直流负载与交流负载出现瞬时尖峰负荷功率，则混合储能能源管理系统使超级电容器A与超级电容器B开启间歇性快速充电模式，吸收尖峰负荷功率，保持直流负载与交流负载的电压与功率的稳定；

调度模式2：该模式下波浪能发电阵列的波浪能发电量比较充裕，同时氢燃料电池与锂电池组也达到了充满电量的状态，若波浪能发电阵列的原始波浪能发电功率为最大功率的80％-90％，直流负载和交流负载出现短时功率低谷，则混合储能能源管理系统使超级电容器A与超级电容器B开启间歇性快速放电模式，填补功率低谷，保持直流负载与交流负载的电压和功率的稳定，公式如下：

P_load1+P_load2＝P_wave+P_s1+P_s2

调度模式3：该模式下，若波浪能发电阵列的原始波浪能发电功率为最大输出功率的60％-80％，混合储能能源管理系统此时切换为锂电池组大功率放电模式且超级电容器组保持待机状态，公式如下：

P_load1+P_load2＝P_wave+P_L

调度模式4：该模式下，若波浪能发电阵列的原始波浪能发电功率为最大出输出功率的30％-60％，则混合储能能源管理系统切换至氢燃料电池与锂电池组同时放电模式，且超级电容器组仍保持待机状态，快速补充直流负载与交流负载的功率缺口，公式如下：

P_load1+P_load2＝P_wave+P_b+P_L

调度模式5：该模式下，若波浪能发电阵列的原始波浪能发电功率低于最大输出功率的30％，并且所述混合储能能源路由管理系统各个储能单元均不足以满足负载的供电需求，此时公共连接点PCC闭合，处于并网模式，由大电网支撑交直流母线电压的稳定，保证直流负载与交流负载的稳定工作，等待下一个波浪能充足的发电周期，再次断开PCC并切换至调度模式1，公式如下：

P_load1+P_load2＝P_wave+P_b+P_L+P_grid。

优选的，所述氢储能系统还包括一种基于氢燃料电池SOC的功率分配策略，所述功率分配策略包括功率分配策略一、功率分配策略二和功率分配策略三。

优选的，所述功率分配策略一如下所述：

当切换至调度模式1-1与调度模式1-2时，氢燃料电池的荷电状态管理具有下述工作特点：

当氢燃料电池的SOC处于SOC_{b_high}≤SOC_b≤SOC_{b_max}时，混合储能能量管理系统应使燃料流量调节器限制其氢氧燃料的供应速率；

当氢燃料电池SOC处于SOC_b≥SOC_{b_max}时，混合储能能量管理系统通过燃料流量调节器切断氢燃料电池氢氧燃料的供应，控制电堆内部气体压力，保证质子交换膜不被破坏。

优选的，所述功率分配策略二如下所述：

当切换至调度模式2与调度模式3时，混合储能能量管理系统应调整燃料流量调节器，维持氢燃料电池的SOC稳定处于SOC_{b_low}≤SOC_b≤SOC_{b_high}的区间内。

优选的，所述功率分配策略三如下所述：

当切换至调度模式4时，氢燃料电池的荷电状态管理具有下述工作特点：

正常放电区：

当氢燃料电池的SOC处于SOC_{b_low}≤SOC_b≤SOC_{b_high}时，混合储能能量管理系统维持当前燃料供应速率；

放电警告区：

当氢燃料电池的SOC处于SOC_{b_min}≤SOC_b≤SOC_{b_low}时，氢燃料电池荷电状态值快速下降，混合储能能量管理系统提升氢燃料电池氢气燃料的供应速率，提高氢燃料电池内部反应速率；

放电限制区：

当氢燃料电池的SOC处于SOC_b≤SOC_{b_min}时，混合储能能量管理系统停止氢燃料电池对外部放电，并大幅提升氢燃料电池氢气燃料的供应速率，保证拥有能够满足下一个调度周期的荷电状态值。

进一步的，所述海水电解装置为质子交换膜电解池，所述质子交换膜电解池设置有质子交换膜燃料电池，所述氢燃料电池由30组单燃料电池组成，所述氢燃料电池包括质子交换膜燃料电池。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用了一种新型混合储能拓扑结构，可以最大程度地实现混合储能系统调度的灵活性，从而能更好地适应波浪能输出功率波动的需求，更灵活地给直流负载供电。

(2)本发明采用的混合储能能源管理系统对两种储能单元与公共连接点PCC进行合理调度，超级电容器组储能单元负责平抑直流母线与交流母线功率的短时微小波动，充分发挥功率型储能元件功率密度大、充放电次数多、响应速度快以及能量密度小等特点；锂电池组与氢燃料电池负责平抑波浪能输出功率大幅下降时，直流母线功率的大幅波动，充分发挥能量型储能元件能量密度大、响应时间长、充放电次数少以及功率密度小等特点；这样有利于延长氢燃料电池与锂电池组的使用寿命，起到削峰填谷的作用。

(3)本发明采用的氢燃料电池荷电状态管理策略，通过检测氢燃料电池的荷电状态SOC合理地划分出SOC所处的区间，结合当前的调度模式，对氢燃料电池的燃料供应速率与放电功率进行优化，可以极大程度地延长氢燃料电池组的使用寿命，保证氢储能系统安全可靠运行。

附图说明

图1为本发明混合储能能源路由管理系统拓扑结构示意图。

图2为本发明混合储能能源管理系统调度模式流程图。

图3为本发明氢燃料电池SOC阈值分类图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式的描述对本发明作进一步说明，但这并非是对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种修改或改进，但是只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的保护范围之内。

参阅图1至图3，本发明提供的一种实施例如下:

一种基于波浪能发电的混合储能能源路由管理系统，混合储能能源路由管理系统包括混合储能系统和混合储能能源管理系统，混合储能系统包括氢储能系统、超级电容组和锂电池组，超级电容器组包括超级电容器A和超级电容器B，氢储能系统包括海水电解装置、氢燃料电池与储氢装置，海水电解装置为质子交换膜电解池，质子交换膜电解池设置有质子交换膜燃料电池，氢燃料电池由30组单燃料电池组成，氢燃料电池包括质子交换膜燃料电池，锂电池组和超级电容器A通过一组DC/DC变换器连接至直流母线，超级电容器B依次通过一组DC/DC变换器和一组DC/AC变换器连接至交流母线，氢燃料电池通过一组DC/DC变换器连接直流母线，交流母线通过一组DC/AC变换器连接海水电解装置，直流母线同时连接直流负载，并通过一组DC/AC变换器连接至交流母线，同时交流母线与波浪能发电阵列连接，并且交流母线通过一号变压器连接交流负载，交流母线使用静态开关在公共连接点PCC通过二号变压器与大电网相连，混合储能能源管理系统实时采集并控制海水电解装置的电解水功率P_h、超级电容器A功率P_s1、超级电容器B功率P_s2、锂电池组功率P_L、直流负载功率P_load1、交流负载功率P_load2、原始波浪能发电功率P_wave、氢燃料电池功率P_b和混合储能能源路由管理系统的并网功率P_grid的平滑输出，同时保证直流负载和交流负载的正常工作。本发明采用的这种新型混合储能拓扑结构，可以最大程度地实现混合储能系统调度的灵活性，从而能更好地适应波浪能输出功率波动的需求，更灵活地给直流负载供电。

上述提及的混合储能能源管理系统具有六种调度模式，混合储能能源管理系统根据原始波浪能发电输出功率的大小以及范围来调整超级电容器组、锂电池组及氢储能系统的六种不同调度模式以满足对直流负载和交流负载的可靠供电：

调度模式1-1：该模式为混合储能系统初始充电阶段调度模式，该模式下波浪能发电阵列的原始波浪能发电功率大于最大功率的90％，为直流负载和交流负载正常供电，同时给超级电容器组和锂电池组充电并且为海水电解装置提供电解水功率，公式如下：

P_h+P_s1+P_s2+P_L+P_load1+P_load2＝P_wave

调度模式1-2：该模式下波浪能发电阵列的原始波浪能发电功率大于最大功率的90％，且锂电池组与氢燃料电池均处于充满电的待机状态，若此时检测到直流负载与交流负载出现瞬时尖峰负荷功率，则混合储能能源管理系统使超级电容器A与超级电容器B开启间歇性快速充电模式，吸收尖峰负荷功率，保持直流负载与交流负载的电压与功率的稳定；

调度模式2：该模式下波浪能发电量比较充裕，同时氢燃料电池与锂电池组也达到了充满电量的状态，若波浪能发电阵列的原始波浪能发电功率为最大功率的80％-90％，直流负载和交流负载出现短时功率低谷，则混合储能能源管理系统使超级电容器A与超级电容器B开启间歇性快速放电模式，填补功率低谷，保持直流负载与交流负载的电压和功率的稳定，公式如下：

P_load1+P_load2＝P_wave+P_s1+P_s2

调度模式3：该模式下，若波浪能发电阵列的原始波浪能发电功率为最大输出功率的60％-80％，混合储能能源管理系统此时切换为锂电池组大功率放电模式且超级电容器组保持待机状态，延长超级电容器组的使用寿命，公式如下：

P_load1+P_load2＝P_wave+P_L

调度模式4：该模式下，若波浪能发电阵列的原始波浪能发电功率为最大出输出功率的30％-60％，则混合储能能源管理系统切换至氢燃料电池与锂电池组同时放电模式，且超级电容器组仍保持待机状态，快速补充直流负载与交流负载的功率缺口，公式如下：

P_load1+P_load2＝P_wave+P_b+P_L

调度模式5：该模式下，若波浪能发电阵列的原始波浪能发电功率低于最大输出功率的30％，并且混合储能能源路由管理系统各个储能单元均不足以满足负载的供电需求，此时公共连接点PCC闭合，处于并网模式，由大电网支撑交直流母线电压的稳定，保证直流负载与交流负载的稳定工作，等待下一个波浪能充足的发电周期，再次断开PCC并切换至调度模式1，公式如下：

P_load1+P_load2＝P_wave+P_b+P_L+P_grid。

本发明采用的混合储能能源管理系统对两种储能单元与公共连接点PCC进行合理调度，超级电容器组储能单元负责平抑直流母线与交流母线功率的短时微小波动，充分发挥功率型储能元件功率密度大、充放电次数多、响应速度快以及能量密度小等特点；锂电池组与氢燃料电池负责平抑波浪能输出功率大幅下降时，直流母线功率的大幅波动，充分发挥能量型储能元件能量密度大、响应时间长、充放电次数少以及功率密度小等特点；这样有利于延长氢燃料电池与锂电池组的使用寿命，起到削峰填谷的作用。

此外，氢储能系统还包括一种基于氢燃料电池SOC的功率分配策略，功率分配策略包括功率分配策略一、功率分配策略二和功率分配策略三，避免氢燃料电池在阈值附近发生过放电现象，提高混合储能能源路由管理系统的稳定性并延长氢燃料电池的使用寿命。

功率分配策略一如下所述：

当切换至调度模式1-1与调度模式1-2时，氢燃料电池的荷电状态管理具有下述工作特点：

当氢燃料电池的SOC处于SOC_{b_high}≤SOC_b≤SOC_{b_max}时，混合储能能量管理系统应使燃料流量调节器限制其氢氧燃料的供应速率；

当氢燃料电池SOC处于SOC_b≥SOC_{b_max}时，混合储能能量管理系统通过燃料流量调节器切断氢燃料电池氢氧燃料的供应，控制电堆内部气体压力，保证质子交换膜不被破坏，延长电堆使用寿命。

功率分配策略二如下所述：

当切换至调度模式2与调度模式3时，混合储能能量管理系统应调整燃料流量调节器，维持氢燃料电池的SOC稳定处于SOC_{b_low}≤SOC_b≤SOC_{b_high}的区间内。

功率分配策略三如下所述：

当切换至调度模式4时，氢燃料电池的荷电状态管理具有下述工作特点：

正常放电区：

当氢燃料电池的SOC处于SOC_{b_low}≤SOC_b≤SOC_{b_high}时，混合储能能量管理系统维持当前燃料供应速率；

放电警告区：

当氢燃料电池的SOC处于SOC_{b_min}≤SOC_b≤SOC_{b_low}时，氢燃料电池荷电状态值快速下降，混合储能能量管理系统提升氢燃料电池氢气燃料的供应速率，提高氢燃料电池内部反应速率，延长氢燃料电池的使用寿命；

放电限制区：

当氢燃料电池的SOC处于SOC_b≤SOC_{b_min}时，混合储能能量管理系统停止氢燃料电池对外部放电，并大幅提升氢燃料电池氢气燃料的供应速率，保证拥有能够满足下一个调度周期的荷电状态值。

本发明采用的这种氢燃料电池荷电状态管理策略，通过检测氢燃料电池的荷电状态SOC合理地划分出SOC所处的区间，结合当前的调度模式，对氢燃料电池的燃料供应速率与放电功率进行优化，可以极大程度地延长氢燃料电池组的使用寿命，保证氢储能系统安全可靠运行。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变，因此，举凡所述技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种基于波浪能发电的混合储能能源路由管理系统，其特征在于，所述混合储能能源路由管理系统包括混合储能系统和混合储能能源管理系统，所述混合储能系统包括氢储能系统、超级电容器组和锂电池组，所述超级电容器组包括超级电容器A和超级电容器B，所述氢储能系统包括海水电解装置、氢燃料电池与储氢装置，所述锂电池组、超级电容器A、氢燃料电池与直流母线相连接，所述直流母线同时连接直流负载和交流母线，所述交流母线与波浪能发电阵列、海水电解装置、超级电容器B、交流负载和大电网相连接，所述混合储能能源管理系统实时采集并保证所述海水电解装置的电解水功率P_h、超级电容器A功率P_s1、超级电容器B功率P_s2、锂电池组功率P_L、直流负载功率P_load1、交流负载功率P_load2、原始波浪能发电功率P_wave、氢燃料电池功率P_b和所述混合储能能源路由管理系统的并网功率P_grid的平滑输出，同时保证所述直流负载和所述交流负载的正常工作；

所述混合储能能源管理系统具有六种调度模式：

调度模式1-1：该模式为混合储能系统初始充电阶段调度模式，该模式下波浪能发电阵列的原始波浪能发电功率大于最大功率的90％，为直流负载和交流负载正常供电，同时给超级电容器组和锂电池组充电并且为海水电解装置提供电解水功率，公式如下：

P_h+P_s1+P_s2+P_L+P_load1+P_load2＝P_wave

调度模式1-2：该模式下波浪能发电阵列的原始波浪能发电功率大于最大功率的90％，且锂电池组与氢燃料电池均处于充满电的待机状态，若此时检测到直流负载与交流负载出现瞬时尖峰负荷功率，则混合储能能源管理系统使超级电容器A与超级电容器B开启间歇性快速充电模式，吸收尖峰负荷功率，保持直流负载与交流负载的电压与功率的稳定；

调度模式2：该模式下波浪能发电阵列的波浪能发电量比较充裕，同时氢燃料电池与锂电池组也达到了充满电量的状态，若波浪能发电阵列的原始波浪能发电功率为最大功率的80％-90％，直流负载和交流负载出现短时功率低谷，则混合储能能源管理系统使超级电容器A与超级电容器B开启间歇性快速放电模式，填补功率低谷，保持直流负载与交流负载的电压和功率的稳定，公式如下：

P_load1+P_load2＝P_wave+P_s1+P_s2

调度模式3：该模式下，若波浪能发电阵列的原始波浪能发电功率为最大输出功率的60％-80％，混合储能能源管理系统此时切换为锂电池组大功率放电模式且超级电容器组保持待机状态，公式如下：

P_load1+P_load2＝P_wave+P_L

调度模式4：该模式下，若波浪能发电阵列的原始波浪能发电功率为最大出输出功率的30％-60％，则混合储能能源管理系统切换至氢燃料电池与锂电池组同时放电模式，且超级电容器组仍保持待机状态，快速补充直流负载与交流负载的功率缺口，公式如下：

P_load1+P_load2＝P_wave+P_b+P_L

调度模式5：该模式下，若波浪能发电阵列的原始波浪能发电功率低于最大输出功率的30％，并且所述混合储能能源路由管理系统各个储能单元均不足以满足负载的供电需求，此时公共连接点PCC闭合，处于并网模式，由大电网支撑交直流母线电压的稳定，保证直流负载与交流负载的稳定工作，等待下一个波浪能充足的发电周期，再次断开PCC并切换至调度模式1，公式如下：

P_load1+P_load2＝P_wave+P_b+P_L+P_grid。

2.根据权利要求1所述的一种基于波浪能发电的混合储能能源路由管理系统，其特征在于，所述锂电池组和所述超级电容器A分别通过一组DC/DC变换器连接至直流母线，所述超级电容器B依次通过一组DC/DC变换器和一组DC/AC变换器连接至交流母线，所述氢燃料电池通过一组DC/DC变换器连接直流母线，所述交流母线通过一组DC/AC变换器连接海水电解装置，所述直流母线通过一组DC/AC变换器连接至交流母线，所述交流母线通过一号变压器连接交流负载，所述交流母线使用静态开关在公共连接点PCC通过二号变压器与大电网相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于波浪能发电的混合储能能源路由管理系统，其特征在于，所述氢储能系统还包括一种基于氢燃料电池SOC的功率分配策略，所述功率分配策略包括功率分配策略一、功率分配策略二和功率分配策略三。

4.根据权利要求3所述的一种基于波浪能发电的混合储能能源路由管理系统，其特征在于，所述功率分配策略一如下所述：

当切换至调度模式1-1与调度模式1-2时，氢燃料电池的荷电状态管理具有下述工作特点：

当氢燃料电池的SOC处于SOC_{b_high}≤SOC_b≤SOC_{b_max}时，混合储能能量管理系统应使燃料流量调节器限制其氢氧燃料的供应速率；

当氢燃料电池SOC处于SOC_b≥SOC_{b_max}时，混合储能能量管理系统通过燃料流量调节器切断氢燃料电池氢氧燃料的供应，控制电堆内部气体压力，保证质子交换膜不被破坏。

5.根据权利要求3所述的一种基于波浪能发电的混合储能能源路由管理系统，其特征在于，所述功率分配策略二如下所述：

当切换至调度模式2与调度模式3时，混合储能能量管理系统应调整燃料流量调节器，维持氢燃料电池的SOC稳定处于SOC_{b_low}≤SOC_b≤SOC_{b_high}的区间内。

6.根据权利要求3所述的一种基于波浪能发电的混合储能能源路由管理系统，其特征在于，所述功率分配策略三如下所述：

当切换至调度模式4时，氢燃料电池的荷电状态管理具有下述工作特点：

正常放电区：

当氢燃料电池的SOC处于SOC_{b_low}≤SOC_b≤SOC_{b_high}时，混合储能能量管理系统维持当前燃料供应速率；

放电警告区：

当氢燃料电池的SOC处于SOC_{b_min}≤SOC_b≤SOC_{b_low}时，氢燃料电池荷电状态值快速下降，混合储能能量管理系统提升氢燃料电池氢气燃料的供应速率，提高氢燃料电池内部反应速率；

放电限制区：

当氢燃料电池的SOC处于SOC_b≤SOC_{b_min}时，混合储能能量管理系统停止氢燃料电池对外部放电，并大幅提升氢燃料电池氢气燃料的供应速率，保证拥有能够满足下一个调度周期的荷电状态值。

7.根据权利要求1所述的一种基于波浪能发电的混合储能能源路由管理系统，其特征在于，所述海水电解装置为质子交换膜电解池，所述质子交换膜电解池设置有质子交换膜燃料电池，所述氢燃料电池由30组单燃料电池组成，所述氢燃料电池包括质子交换膜燃料电池。