CN114977211A - 基于混合储能的直流微电网及其供电方法 - Google Patents

Abstract

基于混合储能的直流微电网及其供电方法，该直流微电网包括光伏发电单元、蓄电池、超级电容、双向DC/DC变换器、直流母线L0、负载；光伏发电单元连接直流母线L0，直流母线L0连接负载；直流母线L0连接双向DC/DC变换器，双向DC/DC变换器连接超级电容，超级电容连接蓄电池。本发明基于混合储能的直流微电网及其供电方法，采用多电源供电模式，将可再生清洁能源为主要供电电源，以混合储能作为备用，数据中心微电网还可以与电网相连，能够极大地提升直流供电的可靠性。

Description

基于混合储能的直流微电网及其供电方法

技术领域

本发明涉及混合储能供电技术领域，具体涉及一种基于混合储能的直流微电网及其供电方法。

背景技术

随着大数据、5G，人工智能等新兴产业的发展，海量的数据需要被处理、储存、计算，因此全球数据中心建设数量也随之增长。运营数据中心服务器以及变电设备需要消耗大量的能源，数据中心降低能耗的趋势越来越明显。因此，如何降低数据中心能耗是一个亟待解决的问题。

现有数据中心供电基本以交流供电的形式，考虑到可在生能源在电网中运用广泛。其中光伏发电具有灵活性、低污染性以及安全性，已成为最具发展潜力的清洁能源，光伏发电会受环境的影响，使其具有一定的波动性和间歇性，导致光伏发电接入微电网会影响稳定性与安全性，为此相关科研人员将储能系统加入微电网中，来解决光伏并网的带来的扰动，考虑到储能不同特性，因此对储能加以适当的控制策略来协调控制微网功率的平衡。

发明内容

考虑到光伏发电单元容易受到环境的影响，容易出现功率的波动等问题。本发明提供一种基于混合储能的直流微电网及其供电方法，将混合储能与光伏结合，提升供电的可靠性和安全性。

本发明采取的技术方案为：

基于混合储能的直流微电网，包括：光伏发电单元、蓄电池、超级电容、双向DC/DC变换器、直流母线L0、负载；

光伏发电单元连接直流母线L0，直流母线L0连接负载；

直流母线L0连接双向DC/DC变换器，双向DC/DC变换器连接超级电容，超级电容连接蓄电池。

所述蓄电池由多个锂电池组成的锂电池组构成，其中，锂电池组的正极通过MOSFET管Q₃连接超级电容的正极，锂电池组的负极连接超级电容的负极；

MOSFET管Q₁与MOSFET管Q₂连接构成串联支路，超级电容的正极连接电感L的一端，电感L的另一端连接所述串联支路的串联节点，电容C与所述串联支路并联，电容C的两端分别连接直流母线L0的正极端、负极端；

光伏发电单元的正极连接直流母线L0的正极端，光伏发电单元的负极连接直流母线L0的负极端。

所述蓄电池、超级电容、MOSFET管Q₃构成混合储能单元。

所述混合储能单元SOC设置为5个范围：

本发明一种基于混合储能的直流微电网及其供电方法，技术效果如下：

1)本发明通过对蓄电池、超级电容的SOC容量进行细分，将其运行状态五个部分，保证混合储能的参与供电的可靠性和降低混合储能充放电次数。

2)本发明考虑到光伏发电单元容易受到环境的影响，容易出现功率的波动等问题，将混合储能与光伏结合，提升数据中心供电的可靠性。

3)本发明考虑到蓄电池、超级电容的充放电安全问题，设定了混合储能的缓慢策略，进一步提高数据中心供电的安全性。

4)本发明混合储能供电架构，将蓄电池的控制开关降低为一个，进一步降低混合储能变换器使用个数，在经济性有一定的改善。

5)本发明所提及混合储能供电架构，以及混合储能能量状态划分，考虑到数据中心的能耗问题，以及混合储能充放电次数问题，将容量运行状态进行细分，有利数据中心安全运行。

6)本发明采用多电源供电模式，将可再生清洁能源为主要供电电源，以混合储能作为备用，数据中心微电网还可以与电网相连，能够极大地提升直流供电的可靠性。考虑到数据中心负荷，本发明可以工作多种模式，进一步提高供电灵活性。

附图说明

图1为基于混合储能直流微电网拓扑图。

图2为混合储能SOC划分图。

图3为能量管理策略流程图。

图4为混合储能控制图。

图5为电压/电流控制示意图。

具体实施方式

如图1所示，基于混合储能的直流微电网，包括：光伏发电单元1、蓄电池5、超级电容4、双向DC/DC变换器3、直流母线L0、负载2；其中，光伏发电单元1、混合储能单元、以及负载2通过直流母线L0相连。光伏发电单元1、混合储能单元分别同时接入直流母线L0正极、负极。

负载2与上述接法相反，且接入点电势相同，具体连接方式如下：

光伏发电单元1连接直流母线L0，直流母线L0连接负载2；

直流母线L0连接双向DC/DC变换器3，双向DC/DC变换器3连接超级电容4，超级电容4连接蓄电池5。

所述蓄电池5由多个锂电池组成的锂电池组构成，其中，锂电池组的正极通过MOSFET管Q₃连接超级电容4的正极，锂电池组的负极连接超级电容4的负极；

MOSFET管Q₁与MOSFET管Q₂连接构成串联支路，超级电容4的正极连接电感L的一端，电感L的另一端连接所述串联支路的串联节点，电容C与所述串联支路并联，电容C的两端分别连接直流母线L0的正极端、负极端；

单个光伏板组成的光伏发电单元1的正极连接直流母线L0的正极端，光伏发电单元1的负极连接直流母线L0的负极端。

所述蓄电池5、超级电容4、MOSFET管Q₃构成混合储能单元。

光伏发电功率P_pv通过直流母线L0流入微网，混合储能功率P_hess>0时，混合储能放电其能量流入微网；当P_hess<0,混合储能充电，从微网吸收能量。

工作原理：

本发明首先将蓄电池5、超级电容4的荷电状态SOC进行如图2划分，将将混合储能SOC设置为5个范围：

采用该方法合理对SOC进行细致的划分，可以减少混合储能过充过放的现象，与蓄电池5相比，超级电容4具有能量密度高，充电速率快，额定充放电次数多，所以超级电容4更适合频繁充电。依照图2的划分，本发明所提基于混合储能的直流微电网供电方式能量管理策略如图3所示。

首先，计算混合储能P_hess，

若P_hess<0，表示混合储能单元吸收功率，当超级电容SOC_sc≥85％时，超级电容4进入待机状态，此时MOSFET管Q₁、Q2断开；当75％≤SOC_SC<85％时，超级电容4进行缓慢充电，此时MOSFET管Q₁开通，Q₂关断；当超级电容SOC_SC<75％时，超级电容4充电，此时MOSFET管Q₁开通，Q₂关断；当蓄电池SOC_bat≥85％，蓄电池5进入待机状态，此时MOSFET管Q₃断开；当75％≤SOC_bat<85％时，蓄电池5进行缓慢充电，此时MOSFET管Q₃开通；当蓄电池SOC_bat<75％时，蓄电池5充电，此时MOSFET管Q₃开通。

若P_hess>0，表示混合储能单元释放功率，当超级电容SOC_sc<15％时，超级电容4进入待机状态，此时MOSFET管Q₁、Q2断开；当15％≤SOC_SC<25％时，超级电容4进行缓慢放电，此时MOSFET管Q₂开通，Q₁关断；当超级电容SOC_SC≥25％时，超级电容4放电，此时MOSFET管Q₁开通，Q₂关断；当蓄电池SOC_bat<15％时，蓄电池5此时进入待机状态，此时MOSFET管Q₃断开；当15％≤SOC_bat<25％时，蓄电池5进行缓慢放电，此时MOSFET管Q₃开通；当蓄电池SOC_bat≥25％时，蓄电池5放电，此时MOSFET管Q₃开通。

图4为混合储能控制图，首先将混合储能分配功率P_hess通过低通滤波器，分别得到超级电容分配功率Psc、蓄电池分配功率P_bat，然后将超级电容SOC_sc、蓄电池SOC_bat输入到能量管理模块中：低通滤波器通过得到储能的混合储能的功率，然后通过图4的连接方式，能量管理模块工作原理如图3所示。

(1)若混合储能分配功率P_hess<0,

当超级电容SOC_sc≥85％，蓄电池SOC_bat≥85％，此时，得到蓄电池参考控制功率P_{bat_ref}、超级电容参考控制功率P_{sc_ref}都为零，然后，通过电压/电流控制得到MOSFET管Q₁、Q₂关断信号S₁,MOSFET管Q₃关断信号S₇；

当超级电容75％≤SOC_SC<85％，蓄电池75％≤SOC_bat<85％,此时，得到蓄电池参考控制功率P′_{bat_ref}、超级电容参考控制功率P′_{sc_ref}，然后，通过电压/电流控制器得到MOSFET管Q₁开通信号时S₃、MOSFET管Q₃开通信号S₅，并且混合储能缓慢充电，其中：

P’_{sc_rd}＝k₁×P’_{sc_ref}

P’_{bat_ref}＝k₁×P’_{sc_ref}

SOC(t)为缓慢充电时，某时刻超级电容/蓄电池的荷电状态；

当超级电容SOC_SC<75％，超级电容SOC_SC<75％，此时，得到蓄电池参考控制功率Pbat_ref、超级电容参考控制功率Psc_ref，然后，通过电压/电流控制得到MOSFET管Q1开通信号S2，MOSFET管Q3开通信号S6,混合储能正常充电。

(2)若混合储能分配功率P_hess>0,

当超级电容SOCsc<15％，蓄电池SOCbat<15％，此时得到蓄电池参考控制功率Pbat_ref、超级电容参考控制功率Psc_ref都为零，然后，通过电压/电流控制得到MOSFET管Q1、Q2关断信号S1、MOSFET管Q3关断信号S7；

当超级电容15％≤SOC_SC<25％，蓄电池15％≤SOC_bat<25％,此时得到蓄电池参考控制功率P′_{bat_ref}、超级电容参考控制功率P′_{sc_ref}，然后，通过电压/电流控制得到MOSFET管Q2开通信号S4、MOSFET管Q3开通信号S6，并且超级电容和蓄电池缓慢放电，其中：

P’_{sc_ref}＝k₂×P’_{sc_ref}

P’_{sc_ref}＝k₂×P’_{sc_ref}

SOC(t)为缓慢充电时，某时刻超级电容/蓄电池的荷电状态；

当超级电容SOC_SC>25％，超级电容SOC_SC>25％，此时，得到蓄电池参考控制功率P_{bat_ref}、超级电容参考控制功率P_{sc_ref}，然后通过电压/电流控制器得到MOSFET管Q₂开通信号S₂、MOSFET管Q₃开通信号S8。

Claims (6)

1.基于混合储能的直流微电网，其特征在于包括：光伏发电单元(1)、蓄电池(5)、超级电容(4)、双向DC/DC变换器(3)、直流母线(L0)、负载(2)；

光伏发电单元(1)连接直流母线(L0)，直流母线(L0)连接负载(2)；

直流母线(L0)连接双向DC/DC变换器(3)，双向DC/DC变换器(3)连接超级电容(4)，超级电容(4)连接蓄电池(5)。

2.根据权利要求1所述基于混合储能的直流微电网，其特征在于：所述蓄电池(5)由多个锂电池组成的锂电池组构成，其中，锂电池组的正极通过MOSFET管Q₃连接超级电容(4)的正极，锂电池组的负极连接超级电容(4)的负极；

MOSFET管Q₁与MOSFET管Q₂连接构成串联支路，超级电容(4)的正极连接电感L的一端，电感L的另一端连接所述串联支路的串联节点，电容C与所述串联支路并联，电容C的两端分别连接直流母线(L0)的正极端、负极端；

光伏发电单元(1)的正极连接直流母线(L0)的正极端，光伏发电单元(1)的负极连接直流母线(L0)的负极端。

3.根据权利要求1所述基于混合储能的直流微电网，其特征在于：所述蓄电池(5)、超级电容(4)、MOSFET管Q₃构成混合储能单元。

4.根据权利要求3所述基于混合储能的直流微电网，其特征在于：所述混合储能单元SOC设置为5个范围：

5.基于混合储能的直流微电网供电方式的能量管理方法，其特征在于：

首先，计算混合储能P_hess，

若P_hess<0，表示混合储能单元吸收功率，当超级电容SOC_sc≥85％时，超级电容(4)进入待机状态，此时MOSFET管Q₁、Q2断开；当75％≤SOC_SC<85％时，超级电容(4)进行缓慢充电，此时MOSFET管Q₁开通，Q₂关断；当超级电容SOC_SC<75％时，超级电容(4)充电，此时MOSFET管Q₁开通，Q₂关断；当蓄电池SOC_bat≥85％，蓄电池(5)进入待机状态，此时MOSFET管Q₃断开；当75％≤SOC_bat<85％时，蓄电池(5)进行缓慢充电，此时MOSFET管Q₃开通；当蓄电池SOC_bat<75％时，蓄电池(5)充电，此时MOSFET管Q₃开通；

若P_hess>0，表示混合储能单元释放功率，当超级电容SOC_sc<15％时，超级电容(4)进入待机状态，此时MOSFET管Q₁、Q2断开；当15％≤SOC_SC<25％时，超级电容(4)进行缓慢放电，此时MOSFET管Q₂开通，Q₁关断；当超级电容SOC_SC≥25％时，超级电容(4)放电，此时MOSFET管Q₁开通，Q₂关断；当蓄电池SOC_bat<15％时，蓄电池(5)此时进入待机状态，此时MOSFET管Q₃断开；当15％≤SOC_bat<25％时，蓄电池(5)进行缓慢放电，此时MOSFET管Q₃开通；当蓄电池SOC_bat≥25％时，蓄电池(5)放电，此时MOSFET管Q₃开通。

6.基于混合储能的直流微电网供电方式的能量管理方法，其特征在于：

(1)若混合储能分配功率P_hess<0,

当超级电容SOC_sc≥85％，蓄电池SOC_bat≥85％，此时，得到蓄电池参考控制功率P_{bat_ref}、超级电容参考控制功率P_{sc_ref}都为零，然后，通过电压/电流控制得到MOSFET管Q₁、Q₂关断信号S₁,MOSFET管Q₃关断信号S₇；

当超级电容75％≤SOC_SC<85％，蓄电池75％≤SOC_bat<85％,此时，得到蓄电池参考控制功率P′_{bat_ref}、超级电容参考控制功率P′_{sc_ref}，然后，通过电压/电流控制器得到MOSFET管Q₁开通信号时S₃、MOSFET管Q₃开通信号S₅，并且混合储能缓慢充电，其中：

SOC(t)为缓慢充电时，某时刻超级电容/蓄电池的荷电状态；

当超级电容SOC_SC<75％，超级电容SOC_SC<75％，此时，得到蓄电池参考控制功率Pbat_ref、超级电容参考控制功率Psc_ref，然后，通过电压/电流控制得到MOSFET管Q1开通信号S2，MOSFET管Q3开通信号S6,混合储能正常充电；

(2)若混合储能分配功率P_hess>0,

当超级电容SOCsc<15％，蓄电池SOCbat<15％，此时得到蓄电池参考控制功率Pbat_ref、超级电容参考控制功率Psc_ref都为零，然后，通过电压/电流控制得到MOSFET管Q1、Q2关断信号S1、MOSFET管Q3关断信号S7；

当超级电容15％≤SOC_SC<25％，蓄电池15％≤SOC_bat<25％,此时得到蓄电池参考控制功率P′_{bat_ref}、超级电容参考控制功率P′_{sc_ref}，然后，通过电压/电流控制得到MOSFET管Q2开通信号S4、MOSFET管Q3开通信号S6，并且超级电容和蓄电池缓慢放电，其中：

SOC(t)为缓慢充电时，某时刻超级电容/蓄电池的荷电状态；

当超级电容SOC_SC>25％，超级电容SOC_SC>25％，此时，得到蓄电池参考控制功率P_{bat_ref}、超级电容参考控制功率P_{sc_ref}，然后通过电压/电流控制器得到MOSFET管Q₂开通信号S₂、MOSFET管Q₃开通信号S8。

Images