CN116667412A - 一种应用于独立光伏系统中混合储能系统的功率分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于独立光伏系统中混合储能系统的功率分配方法，此独立光伏系统包括光伏阵列、负载以及由蓄电池和超级电容器构成的混合储能系统。光伏阵列与Boost变换器连接，以便控制光伏阵列输出功率；蓄电池和超级电容分别与Buck/Boost变换器1和Buck/Boost变换器2连接，以便控制蓄电池和超级电容的工作模式。该方法通过将超级电容两端的电压划分为五个区域，根据超级电容电压所处区域和蓄电池荷电状态，将混合储能系统功率分配给蓄电池和超级电容。本发明有效地抑制光伏阵列输出功率的波动，维持直流母线电压稳定，并且还可以减少蓄电池的充放电频率，延长蓄电池的使用寿命。

Description

一种应用于独立光伏系统中混合储能系统的功率分配方法
技术领域
本发明属于光伏系统中混合储能系统功率分配的技术领域，尤其涉及一种应用于独立光伏系统中混合储能系统的功率分配方法。
背景技术
随着全球的能源危机和环境污染等问题日益严峻，世界各国都在积极寻求应对方法。太阳能作为一种无污染、可再生的清洁能源，具有储量大、分布广、经济性强等优点，可替代日益枯竭的化石资源，光伏发电作为开发和利用太阳能的一种技术，是当前最有发展前景的新能源技术之一。但是光伏发电系统具有不确定性、随机性、波动性的特点，通常需要在系统中加入储能系统增强系统的调节能力以达到平抑系统扰动、维持系统内功率平衡、保持直流母线电压稳定的目的。
储能器件按功能划分可分为能量型和功率型，蓄电池作为能量型的储能器件其能量密度大但响应速度慢，若储能系统中只有蓄电池，则光伏发电的功率波动会造成蓄电池频繁充放电，影响蓄电池寿命，而超级电容作为功率型的储能器件其功率密度大且响应速度快。由二者相结合形成的混合储能系统能够发挥它们各自特点，即由蓄电池承担混合储能系统中长时间的低频功率，由超级电容承担混合储能系统中短时间的高频功率，不仅能够快速平抑系统功率波动的，还能够延长蓄电池的使用寿命。而充分发挥由蓄电池和超级电容构成的混合储能系统的优势，需要一种合理的功率分配的方法。
发明内容
为发挥混合储能系统在光伏发电系统中的优势，本发明提供一种应用于独立光伏系统中混合储能系统的功率分配方法，不仅利用了超级电容能够快速响应的特性，使光伏发电系统的直流母线电压保持稳定，还通过对混合储能系统的功率分配，延长了蓄电池的使用寿命。
为实现上述目的，本发明是通过如下技术方案来实现的：一种应用于独立光伏系统中混合储能系统的功率分配方法，该含混合储能系统的独立光伏系统，包括光伏阵列、负载以及由蓄电池和超级电容器构成的混合储能系统，所述光伏阵列与Boost变换器连接，以便控制光伏阵列输出功率，所述蓄电池与Buck/Boost变换器1连接，超级电容与Buck/Boost变换器2连接，以便控制蓄电池和超级电容的工作模式，该独立光伏系统中混合储能系统的功率分配方法包括以下步骤：
步骤S1：计算混合储能系统所应承担的功率Phess；
步骤S2：根据蓄电池的荷电状态(State of Charge，SOC)和超级电容电压，将独立光伏系统的运行模式划分为多个工作模式；
步骤S3：建立一种变时间常数的一阶低通滤波器模型，通过此低通滤波器将混合储能系统所承担的功率分配给蓄电池和超级电容；
步骤S4：根据蓄电池和超级电容所要承担的功率以及它们的端电压，计算两者的参考工作电流，通过与实际工作电流进行比较后，用Buck/Boost变换器1和Buck/Boost变换器2控制蓄电池和超级电容充放电。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下有益效果：
1、本发明利用蓄电池的SOC和超级电容的电压划分混合储能系统的工作模式，不仅避免了蓄电池和超级电容的过充和过放，还维持了光伏发电系统的直流母线电压。
2、本发明根据超级电容的电压设计一种变时间常数的一阶低通滤波器用于分配混合储能系统的功率，能够动态地调整蓄电池和超级电容所承担的功率，充分发挥了它们各自的优势，并且延长了蓄电池的使用寿命。
附图说明
图1为本发明独立光伏系统的结构图；
图2为本发明中混合储能系统功率分配计算流程示意图；
图3为本发明中超级电容器电压限值控制方法示意图；
图4为本发明中蓄电池SOC限值控制方法示意图；
图5为本发明独立光伏系统的运行模式的流程图；
图6为本发明中扰动变量ΔT的取值坐标图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
一种应用于独立光伏系统中混合储能系统的功率分配方法，该含混合储能系统的独立光伏系统的结构图参见附图1，其包括光伏阵列、负载以及由蓄电池和超级电容器构成的混合储能系统，所述光伏阵列与Boost变换器连接，以便控制光伏阵列输出功率，所述蓄电池和超级电容分别与Buck/Boost变换器1和Buck/Boost变换器2连接，以便控制蓄电池和超级电容的工作模式，该独立光伏系统中混合储能系统的功率分配方法包括以下步骤：
步骤S1：计算混合储能系统所应承担的功率Phess；
混合储能系统所应承担的功率Phess可以用式(1)计算：
Phess＝Ppv-Pload (1)
其中，Ppv为光伏阵列输出功率，Pload为负载功率。
步骤S2：根据蓄电池的荷电状态(State of Charge，SOC)和超级电容电压，将独立光伏系统的运行模式划分为多个工作模式；
利用蓄电池SOC的上下限SOCbat_max和SOCbat_min将蓄电池划分为三个区域，蓄电池SOC限值控制方法参见附图3，蓄电池SOC应当在正常工作范围内；利用四个电压阈值Usc_min、Usc_low、Usc_high和Usc_max分别对应超级电容的电压下限值、电压下限预警值、电压上限预警值和电压上限值，将超级电容电压划分为五个区间，超级电容器电压限值控制方法参见附图4，超级电容电压应当在电压警戒区和正常工作区。
所述步骤S2中，独立光伏系统的运行模式的流程图参见附图5，可将运行模式划分为10个工作模式：
模式1：当Phess＞0，此时混合储能系统应当处于放电状态，若蓄电池SOCbat≤SOCbat_min，且超级电容电压Usc≤Usc_min，则说明蓄电池和超级电容已经处于警戒的状态都不能放电，独立光伏系统通过减少负载的方式实现功率的平衡；
模式2：当Phess＞0，此时混合储能系统处于放电状态，若蓄电池SOCbat≤SOCbat_min，超级电容电压Usc≥Usc_min，则说明蓄电池不放电，由超级电容承担全部的混合储能系统的放电功率Phess；
模式3：当Phess＞0，此时混合储能系统处于放电状态，若蓄电池SOCbat＞SOCbat_min，超级电容电压Usc≤Usc_min，则说明超级电容不放电，由蓄电池承担全部的混合储能系统的放电功率Phess；
模式4：当Phess＞0，此时混合储能系统处于放电状态，若蓄电池SOCbat＞SOCbat_min，超级电容电压Usc_min＜Usc＜Usc_low，则说明蓄电池和超级电容都处于放电状态，蓄电池和超级电容各自承担的放电功率通过一种变时间常数的一阶低通滤波器来分配；
模式5：当Phess＞0，此时混合储能系统处于放电状态，若蓄电池SOCbat＞SOCbat_min，超级电容电压Usc≥Usc_low，则说明蓄电池不放电，由超级电容承担全部的混合储能系统的放电功率Phess；
模式6：当Phess＜0，此时混合储能系统处于充电状态，若蓄电池SOCbat≤SOCbat_max，超级电容电压Usc≤Usc_high，则说明蓄电池不充电，由超级电容承担全部的混合储能系统的充电功率Phess；
模式7：当Phess＜0，此时混合储能系统处于充电状态，若蓄电池SOCbat≤SOCbat_max，超级电容电压Usc_high＜Usc＜Usc_max，则说明蓄电池和超级电容都处于充电状态，蓄电池和超级电容各自承担的充电功率通过一种变时间常数的一阶低通滤波器来分配；
模式8：当Phess＜0，此时混合储能系统处于充电状态，若蓄电池SOCbat≤SOCbat_max，超级电容电压Usc≥Usc_max，则说明超级电容不充电，由蓄电池承担全部的混合储能系统的充电功率Phess；
模式9：当Phess＜0，此时混合储能系统处于充电状态，若蓄电池SOCbat＞SOCbat_max，超级电容电压Usc≤Usc_max，则说明蓄电池不充电，由超级电容承担全部的混合储能系统的充电功率Phess；
模式10：当Phess＜0，此时混合储能系统处于充电状态，但若蓄电池SOCbat＞SOCbat_max，且超级电容电压Usc≥Usc_max，则说明蓄电池和超级电容已经处于警戒的状态都不能充电，独立光伏系统通过减少光伏阵列输出功率的方式实现功率的平衡。
步骤S3：建立一种变时间常数的一阶低通滤波器模型，通过此低通滤波器将混合储能系统所承担的功率分配给蓄电池和超级电容；
通过一种变时间常数的低通滤波器将混合储能系统所承担的功率分配给蓄电池和超级电容，蓄电池适合用于补偿低频的功率缺额，超级电容适合用于补偿系统高频的功率部分；根据蓄电池和超级电容各自的特性，一种变时间常数的低通滤波器的传递函数为：
式(2)中，T为低通滤波器的时间常数，ΔT为T的扰动变量，s为微分算子；
将s＝jω代入式(2)，得到该低通滤波器传递函数的频率特性和幅频特性，其中jω表示虚频率，分别如式(3)和(4)所示：
由式(4)可知，此低通滤波器对高频信号有很强的抑制作用，其截止频率ωc＝1/(T+ΔT)，即当T+ΔT越大，ωc越小，能够通过该低通滤波器信号频率越低，得到的信号越平滑；
根据蓄电池和超级电容各自的特性与低通滤波器的原理，分别得到蓄电池和超级电容所承担的功率为：
其中Pbat_ref为蓄电池所承担的功率，Psc_ref为超级电容所承担的功率。
所述时间常数的扰动变量ΔT与超级电容的电压有关。超级电容的电压通过下垂曲线控制扰动变量ΔT，参见附图6；
当超级电容电压Usc在区间[Usc_min，Usc_low]时，扰动变量ΔT1如式(7)所示：
其中Td为根据情况所设定的一个定值，由式(7)和式(5)可知，在区间[Usc_min，Usc_low]内随着超级电容电压的升高，时间常数T逐渐增大，蓄电池所承担的功率也逐渐减少；
当超级电容电压Usc在区间[Usc_high，Usc_max]时，扰动变量ΔT2如式(8)所示：
由式(8)和式(5)可知，在区间[Usc_high，Usc_max]内随着超级电容电压的升高大，时间常数T逐渐减少，蓄电池所承担的功率也逐渐增大。
步骤S4：根据蓄电池和超级电容所要承担的功率以及它们的端电压，计算两者的参考工作电流，通过与实际工作电流进行比较后，用Buck/Boost变换器1和Buck/Boost变换器2控制蓄电池和超级电容充放电，混合储能系统功率分配计算流程参见附图2。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明新型精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种应用于独立光伏系统中混合储能系统的功率分配方法，其特征在于，一个含混合储能系统的独立光伏系统，包括光伏阵列、负载以及由蓄电池和超级电容器构成的混合储能系统，所述光伏阵列与Boost变换器连接，以便控制光伏阵列输出功率，所述蓄电池与Buck/Boost变换器1连接，超级电容与Buck/Boost变换器2连接，以便控制蓄电池和超级电容的工作模式，该独立光伏系统中混合储能系统的功率分配方法包括以下步骤：
步骤S1：计算混合储能系统所应承担的功率Phess；
步骤S2：根据蓄电池的荷电状态和超级电容电压，将独立光伏系统的运行模式划分为若干个工作模式；
步骤S3：建立一种变时间常数的一阶低通滤波器模型，通过此低通滤波器将混合储能系统所承担的功率分配给蓄电池和超级电容；
步骤S4：根据蓄电池和超级电容所要承担的功率以及它们的端电压，计算两者的参考工作电流，通过与实际工作电流进行比较后，用Buck/Boost变换器1和Buck/Boost变换器2控制蓄电池和超级电容充放电。
2.根据权利要求1所述一种应用于独立光伏系统中混合储能系统的功率分配方法，其特征在于：所述步骤S1中，混合储能系统所应承担的功率Phess为：
Phess＝Ppv-Pload (1)
其中，Ppv为光伏阵列输出功率，Pload为负载功率。
3.根据权利要求2所述一种应用于独立光伏系统中混合储能系统的功率分配方法，其特征在于：所述步骤S2中，利用蓄电池荷电状态的上限SOCbat_max和下限SOCbat_min将蓄电池划分为三个区域，使蓄电池工作在SOCbat_max和SOCbat_min的范围内；利用四个电压阈值Usc_min、Usc_low、Usc_high和Usc_max分别对应超级电容的电压下限值、电压下限预警值、电压上限预警值和电压上限值，将超级电容电压划分为五个区间，当超级电容电压小于Usc_min或大于Usc_max时，超级电容处于警戒状态，不再放电或充电。
4.根据权利要求3所述一种应用于独立光伏系统中混合储能系统的功率分配方法，其特征在于：所述步骤S2中，将独立光伏系统的运行模式划分为10个工作模式：
模式1：当Phess＞0，此时混合储能系统应当处于放电状态，若蓄电池SOCbat≤SOCbat_min，且超级电容电压Usc≤Usc_min，则说明蓄电池和超级电容已经处于警戒的状态都不能放电，独立光伏系统通过减少负载的方式实现功率的平衡；
模式2：当Phess＞0，此时混合储能系统处于放电状态，若蓄电池SOCbat≤SOCbat_min，超级电容电压Usc≥Usc_min，则说明蓄电池不放电，由超级电容承担全部的混合储能系统的放电功率Phess；
模式3：当Phess＞0，此时混合储能系统处于放电状态，若蓄电池SOCbat＞SOCbat_min，超级电容电压Usc≤Usc_min，则说明超级电容不放电，由蓄电池承担全部的混合储能系统的放电功率Phess；
模式4：当Phess＞0，此时混合储能系统处于放电状态，若蓄电池SOCbat＞SOCbat_min，超级电容电压Usc_min＜Usc＜Usc_low，则说明蓄电池和超级电容都处于放电状态，蓄电池和超级电容各自承担的放电功率通过一种变时间常数的一阶低通滤波器来分配；
模式5：当Phess＞0，此时混合储能系统处于放电状态，若蓄电池SOCbat＞SOCbat_min，超级电容电压Usc≥Usc_low，则说明蓄电池不放电，由超级电容承担全部的混合储能系统的放电功率Phess；
模式6：当Phess＜0，此时混合储能系统处于充电状态，若蓄电池SOCbat≤SOCbat_max，超级电容电压Usc≤Usc_high，则说明蓄电池不充电，由超级电容承担全部的混合储能系统的充电功率Phess；
模式7：当Phess＜0，此时混合储能系统处于充电状态，若蓄电池SOCbat≤SOCbat_max，超级电容电压Usc_high＜Usc＜Usc_max，则说明蓄电池和超级电容都处于充电状态，蓄电池和超级电容各自承担的充电功率通过一种变时间常数的一阶低通滤波器来分配；
模式8：当Phess＜0，此时混合储能系统处于充电状态，若蓄电池SOCbat≤SOCbat_max，超级电容电压Usc≥Usc_max，则说明超级电容不充电，由蓄电池承担全部的混合储能系统的充电功率Phess；
模式9：当Phess＜0，此时混合储能系统处于充电状态，若蓄电池SOCbat＞SOCbat_max，超级电容电压Usc≤Usc_max，则说明蓄电池不充电，由超级电容承担全部的混合储能系统的充电功率Phess；
模式10：当Phess＜0，此时混合储能系统处于充电状态，但若蓄电池SOCbat＞SOCbat_max，且超级电容电压Usc≥Usc_max，则说明蓄电池和超级电容已经处于警戒的状态都不能充电，独立光伏系统通过减少光伏阵列输出功率的方式实现功率的平衡。
5.根据权利要求4所述一种应用于独立光伏系统中混合储能系统的功率分配方法，其特征在于：所述步骤S3中，通过一种变时间常数的低通滤波器将混合储能系统所承担的功率分配给蓄电池和超级电容，蓄电池适合用于补偿低频的功率缺额，超级电容适合用于补偿系统高频的功率部分；根据蓄电池和超级电容各自的特性，一种变时间常数的低通滤波器的传递函数为：
式(2)中，T为低通滤波器的时间常数，ΔT为T的扰动变量，s为微分算子；
将s＝jω代入式(2)，得到该低通滤波器传递函数的频率特性和幅频特性，其中jω表示虚频率，分别如式(3)和(4)所示：
由式(4)可知，此低通滤波器对高频信号有很强的抑制作用，其截止频率ωc＝1/(T+ΔT)，即当T+ΔT越大，ωc越小，能够通过该低通滤波器信号频率越低，得到的信号越平滑；
根据蓄电池和超级电容各自的特性与低通滤波器的原理，分别得到蓄电池和超级电容所承担的功率为：
其中Pbat_ref为蓄电池所承担的功率，Psc_ref为超级电容所承担的功率。
6.根据权利要求5所述一种应用于独立光伏系统中混合储能系统的功率分配方法，其特征在于：所述时间常数的扰动变量ΔT与超级电容的电压有关，超级电容的电压通过下垂曲线控制扰动变量ΔT；
当超级电容电压Usc在区间[Usc_min，Usc_low]时，扰动变量ΔT1如式(7)所示：
其中Td为根据情况所设定的一个定值，由式(7)和式(5)可知，在区间[Usc_min，Usc_low]内随着超级电容电压的升高，时间常数T逐渐增大，蓄电池所承担的功率也逐渐减少；
当超级电容电压Usc在区间[Usc_high，Usc_max]时，扰动变量ΔT2如式(8)所示：
由式(8)和式(5)可知，在区间[Usc_high，Usc_max]内随着超级电容电压的升高大，时间常数T逐渐减少，蓄电池所承担的功率也逐渐增大。
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