CN202737478U - 一种适用于微电网无缝切换的复合储能装置 - Google Patents
一种适用于微电网无缝切换的复合储能装置 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及一种适用于微电网无缝切换的复合储能装置，其特征是：该复合储能装置主要由超级电容器组、蓄电池组、直流母线电容、双向变换器DC/DC(A)和DC/DC(B)、双向整流/逆变器及其相关控制组成；超级电容器组和蓄电池组分别通过双向变换器DC/DC(A)和DC/DC(B)连接到直流母线后再经双向整流/逆变器与微电网相连，其中，DC/DC(A)和DC/DC(B)的低压侧分别接超级电容器组和蓄电池组，DC/DC(A)和DC/DC(B)的高压侧连接直流母线。本实用新型将级电容器组和蓄电池组两者有机结合成复合储能结构，发挥超级电容功率密度大、响应速度快特点，兼顾蓄电池能量密度高的优点，因此，可以解决微电网由并网运行向非计划孤岛切换时功率不平衡的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种适用于微电网无缝切换的复合储能装置。属于电力系统输配电技术领域。
背景技术
微电网有并网和孤岛两种运行模式，正常情况下微电网与公共配电网并网运行，其电压和频率稳定性都由公共配电网支撑，当配电网或微电网内部出现故障，微电网与配电网的公共连接点（PCC）将立即断开，微电网由并网运行状态转为非计划孤岛运行状态。对大部分微电网而言，微电网中的利用可再生资源发电的分布式电源出力并不能完全满足负荷需求，当微电网由并网转入非计划孤岛运行时往往出现功率缺额，导致微电网无法保持电压和频率稳定，严重时将造成分布式电源退出运行，负荷断电，整个微电网陷入崩溃。因此通过寻找合适的能量装置或方法弥补微电网由并网转入非计划孤岛运行时出现功率缺额，确保微电网的在不同运行模式下平稳过渡，对提高微电网的电能质量和供电可靠性具有重要意义。
为了解决微电网由并网运行转入非计划孤岛时出现功率缺额而导致无法实现微电网运行模式无缝切换的问题，从微电网能量装置角度考虑，目前国内外主要采用如下两种解决方案：（1）采用柴油机发电机备用方式，即微电网由并网运行转非计划孤岛时，启用备用柴油发电机弥补微电网功率缺额。这种方式的缺点在于：由于柴油机在微电网并网运行时处于停机状态，从柴油机启动到稳定运行需要10秒左右的时间，在这段时间内微电网可能由于功率缺额而早已崩溃；（2）采用大容量的蓄电池弥补转入非计划孤岛时的功率缺额，这种方法存在的缺点在于：若微电网规模较大，则需要的储能容量也很大，则投资成本很高；另外常用的蓄电池储能虽然能量密度高，但功率密度较低，响应速度较慢，不能及时弥补微电网功率缺额，难以实现微电网无缝切换。
由此可见目前采用的能量装置难以解决微电网由并网运行转非计划孤岛时的功率缺额问题，需要研制功率密度大、响应速度快，同时要兼顾能量密度高、成本造价低的复合型储能装置。
实用新型内容
本实用新型的目的，是为了解决现有技术中微电网由并网向非计划孤岛切换时出现功率缺额而导致电能质量和供电可靠性下降问题，提供一种适用于微电网无缝切换的复合储能装置。
本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种适用于微电网无缝切换的复合储能装置，其结构特点是：该复合储能装置主要由超级电容器组、蓄电池组、直流母线电容、双向变换器DC/DC(A)和DC/DC(B)、双向整流/逆变器及其相关控制组成；超级电容器组和蓄电池组分别通过双向变换器DC/DC(A)和DC/DC(B)连接到直流母线后再经双向整流/逆变器与微电网相连，其中，DC/DC(A)和DC/DC(B)的低压侧分别接超级电容器组和蓄电池组，DC/DC(A)和DC/DC(B)的高压侧连接直流母线。
进一步地，所述相关控制包括脉冲宽度调制PWM、定电压和定频率控制V/F、正弦脉宽调制SPWM、控制环节A和控制环节B，其中控制环节A和控制环节B根据输入变量输出模拟控制信号，而PWM则根据控制环节A和控制环节B给出的模拟信号生成相应的脉冲信号直接对DC/DC(A)和DC/DC(B)进行控制；V/F通过调节复合储能装置的出力将微电网电压和频率维持在设定值；SPWM根据V/F给出的模拟信号生成相应的脉冲信号控制逆变器的输出。
进一步地，双向变换器DC/DC(A)和DC/DC(B)为Buck-Boost双向变换器。
进一步地，所述复合储能装置的蓄电池组的容量额度至少与低压微电网中重要负荷功率相匹配，电容器组的容量与低压微电网中全部负荷的功率相匹配。即所述复合储能装置的蓄电池组的容量额度为至少满足重要负荷供电要求，而电容器组为了确保切换的无缝过渡，所配置的容量满足低压微电网中全部负荷的功率要求。
本实用新型具有如下突出的有益效果：
1、本实用新型所述复合储能装置中的超级电容器组具有功率密度大、动态响应快和循环寿命高的优点，而蓄电池组具有能量密度高的优点，本实用新型能将两者有机结合成复合储能结构，可发挥超级电容功率密度大、响应速度快特点，又可兼顾蓄电池能量密度高的优点，因此可以解决微电网由并网运行向非计划孤岛切换时功率不平衡的问题。
2、微电网运行模式切换时出现的功率缺额由复合储能中的超级电容器组迅速响应出力来填补，当次要负荷切除后，孤岛平稳运行时的主电源则由蓄电池来承担，这不仅避免单独采用其中一种储能时存在的性能缺陷，同时还避免了当采用单一储能时为实现无缝切换而增加的功率或容量额外配置，从而有效降低了投资成本。
3、本实用新型的将超级电容器和蓄电池有机融为一体，在切换过程中实现对两种储能的单独控制，加上本专利所设计的电容电压外环和电感电流的内环双闭环充放电控制方法，能在复合储能装置迅速响应和大量出力同时，维持直流母线电压稳定，确保整个复合储能装置保持稳定运行。
附图说明
图1为应用本实用新型的结构示意图。
图2为本实用新型一个具体实施例的结构及控制原理示意图。
图3为应用本实用新型的充/放电原理示意图。
图4为应用本实用新型的充/放电控制器双环控制框图。
具体实施方式
下面结合附图本实用新型的具体实施方式进行详细描述：
参照图2，本实施例主要由超级电容器组、蓄电池组、直流母线电容、Buck-Boost双向变换器DC/DC(A)和DC/DC(B)、双向整流/逆变器及其相关控制组成；超级电容器组和蓄电池组分别通过Buck-Boost双向变换器DC/DC(A)和DC/DC(B)连接到直流母线后再经双向整流/逆变器与微电网相连，其中，DC/DC(A)和DC/DC(B)的低压侧分别接超级电容器组和蓄电池组，DC/DC(A)和DC/DC(B)的高压侧连接直流母线。
本实施例中，所述相关控制包括脉冲宽度调制PWM、定电压和定频率控制V/F、正弦脉宽调制SPWM、控制环节A和控制环节B，其中控制环节A和控制环节B根据输入变量输出模拟控制信号，而PWM则根据控制环节A和控制环节B给出的模拟信号生成相应的脉冲信号直接对DC/DC(A)和DC/DC(B)进行控制；V/F通过调节复合储能装置的出力将微电网电压和频率维持在设定值；SPWM根据V/F给出的模拟信号生成相应的脉冲信号控制逆变器的输出。双向变换器DC/DC(A)和DC/DC(B)为Buck-Boost双向变换器。所述复合储能装置的蓄电池组的容量额度至少与低压微电网中重要负荷功率相匹配，电容器组的容量与低压微电网中全部负荷的功率相匹配。即所述复合储能装置的蓄电池组的容量额度为至少满足重要负荷供电要求，而电容器组为了确保切换的无缝过渡，所配置的容量满足低压微电网中全部负荷的功率要求。
本实施例涉及的超级电容器组由若干个常规的超级电容器构成，该超级电容器又称为双电层电容器，是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能元件，其容量可达几百至上万法，比功率是电池的10倍以上，储存能力比普通电容器高，具有工作温度范围广、可快速充放电、循环寿命长、零排放等特点。超级电容器和蓄电池均采用直流进行充放电控制，更有利于统一建模和控制。
下面结合附图对本实用新型的应用实例、部件组成、储能结构、复合储能控制及复合储能的充/放控制进行说明：
关于应用实例：
参照图1，本实施例在低压微电网的应用过程中，涉及的低压微电网电压等级为380V，包括光伏、风力发电机、重要负荷A、次要负荷B和次要负荷C；所述光伏、风力发电机和复合储能装置通过逆变器接入低压微电网；所述光伏、风力发机、复合储能装置和所有支路的开关由微网能量管理系统EMS进行监控。
关于复合储能的组成：
参照图2，本实施例涉及的DC/DC(A)和DC/DC(B)为Buck-Boost双向变换器，分别实现超级电容器组和蓄电池组的充电和放电；C为直流母线电容；iL(A)和iL(B)分别为流经DC/DC(A)和DC/DC(B)中电感的电流，ucap为超级电容器组端口电压，uc为直流母线电压；控制环节A和控制环节B分别根据输入变量ucap、iL(A)、iL(B)和uc的大小并结合充放电控制方法和切换控制策略输出对应的模拟控制信号；PWM为脉冲宽度调制，根据控制环节A和控制环节B给出的模拟信号生成相应的脉冲信号直接对DC/DC(A)和DC/DC(B)进行控制；V/F控制为复合储能装置在微电网孤岛运行时的控制模式，通过调节复合储能装置的出力，将微电网电压和频率维持在设定值；SPWM为正弦脉宽调制，根据V/F控制给出的模拟信号生成相应的脉冲信号控制逆变器的输出。
关于复合储能结构说明：
由于直流母线是超级电容器和蓄电池与微电网能量交换的通道，当微电网由并网向非计划孤岛运行切换过程中，超级电容器输出的功率急剧变化，这必然导致直流母线电压发生变化，而双向整流/逆变器的输出电压与直流侧电压密切相关，使得双向整流/逆变器输出电压也发生波动，使作为主电源的复合储能装置无法维持微电网额定电压，当直流母线电压跌落严重时，甚至将导致双向变流器无法工作，导致微电网失去主电源支撑，因此确保直流母线电压稳定对实现微电网无缝切换具有重要作用。一般而言，增加直流母线电容是抑制电压波动的最直接的方式，但这样将降低系统响应速度，因此本实用新型设计为超级电容器和蓄电池分别设置充电控制器DC/DC(A)和DC/DC(B)，这不仅可以根据切换控制的需要分别控制超级电容器和蓄电池的充电和放电，而且可以在放电时控制高压侧的输出电压，从而保持直流母线电压稳定。
关于复合储能控制说明：
本实施例主要对双向整流/逆变器、双向变换器DC/DC(A)和DC/DC(B)进行控制。其中双向整流/逆变器根据微电网EMS系统下达指令进行切换和控制，而双向变换器DC/DC(A)和DC/DC(B)则根据充/放电控制方法并结合具体切换控制策略进行控制：对于微电网并网运行转非计划孤岛时出现的功率缺额，通过控制双向变换器DC/DC(A)使超级电容器组迅速响应出力来填补，并在超级电容器出力过程中将微电网中次要负荷切除，当超级电容器组端口电压下降到下限值后控制双向变换器DC/DC(A)切除超级电容器组，在微电网进行孤岛平稳运行后，控制双向变换器DC/DC(B)将蓄电池投入运行，并且此后微电网的电压和频率控制均由复合储能中的蓄电池来承担。
关于复合储能容量配置说明：
所述复合储能装置的蓄电池组的容量额度为至少与重要负荷A的功率相匹配，超级电容器组的容量与低压微电网中全部负荷的功率相匹配。即所述复合储能装置的蓄电池组的容量额度为至少满足重要负荷A供电要求，而电容器组为了确保切换的无缝过渡，所配置的容量满足低压微电网中全部负荷的功率要求。
由于微电网从并网运行切换到孤岛运行时，一般只需保证微电网重要负荷正常供电即可，因此，作为一个具体实施例图2中蓄电池需要配置的容量额度只需满足重要负荷供电即可，而超级电容器为了确保切换的无缝过渡，所配置的容量须满足微电网中所有负荷的功率要求；
关于复合储能的充/放电控制：
图3为图2中Buck-Boost双向变换器DC/DC(A)和DC/DC(B)拓扑结构示意图。其中us为蓄电池或超级电容器组端口电压，rs为储能等效内阻，iL为流经电感L的电流，G1和G2为开关管，uc为直流母线电压，iinv为双向变流器输入或输出电流。
如图3所示，通过控制开关管G1和G2的通断时间可实现能量双向传输控制，同时可以调节直流母线电压uc的大小。确保直流母线电压稳定对实现微电网无缝切换具有重要作用，本实用新型分别通过Buck-Boost双向变换器来控制超级电容器和蓄电池的输出电压以抑制直流母线电压波动。由于Buck-Boost双向变换器在升压模式的恒压输出状态时的电压传递函数在S域中存在右半平面的零点，则系统属于非最小相位系统，开环不稳定。
为了稳定直流母线电压，本实用新型采用如图4所示的电容电压外环和电感电流内环的双闭环控制模式。
参照图4，uc_ref为直流母线电压参考值，iL_ref为流经电感L的电流参考值；所涉及的电压外环主要维持输出电压稳定，电流内环通过快速动态响应，产生适当的补偿电流增强输出电压稳定性。为了增强当输出功率波动时直流母线电压的稳定性，采用功率前馈方法将与输出功率密切相关的电流iinv作为前馈补偿量参与到电流内环控制中，这将提高电流内环对输出功率的响应速度，从而进一步改善直流母线电压稳定性，确保双向变流器稳定工作。
与输出功率密切相关的电流iinv作为前馈补偿量参与到电流内环控制中，这将提高电流内环对输出功率的响应速度，从而进一步改善直流母线电压稳定性，确保双向变流器稳定工作。
以上所述，仅为本实用新型最佳的具体实施例，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都属于本实用新型的保护范围。
Claims (4)
1.一种适用于微电网无缝切换的复合储能装置，其特征是：该复合储能装置主要由超级电容器组、蓄电池组、直流母线电容、双向变换器DC/DC(A)和DC/DC(B)、双向整流/逆变器及其相关控制组成；超级电容器组和蓄电池组分别通过双向变换器DC/DC(A)和DC/DC(B)连接到直流母线后再经双向整流/逆变器与微电网相连，其中，DC/DC(A)和DC/DC(B)的低压侧分别接超级电容器组和蓄电池组，DC/DC(A)和DC/DC(B)的高压侧连接直流母线。
2.根据权利要求1所述的一种适用于微电网无缝切换的复合储能装置，其特征是：所述相关控制包括脉冲宽度调制PWM、定电压和定频率控制V/F、正弦脉宽调制SPWM、控制环节A和控制环节B，其中控制环节A和控制环节B根据输入变量输出模拟控制信号，而PWM则根据控制环节A和控制环节B给出的模拟信号生成相应的脉冲信号直接对DC/DC(A)和DC/DC(B)进行控制；V/F通过调节复合储能装置的出力将微电网电压和频率维持在设定值；SPWM根据V/F给出的模拟信号生成相应的脉冲信号控制逆变器的输出。
3.根据权利要求1或2所述的一种适用于微电网无缝切换的复合储能装置，其特征是：双向变换器DC/DC(A)和DC/DC(B)为Buck-Boost双向变换器。
4.根据权利要求1或2所述的一种适用于微电网无缝切换的复合储能装置，其特征是：所述复合储能装置的蓄电池组的容量额度至少与低压微电网中重要负荷功率相匹配，电容器组的容量与低压微电网中全部负荷的功率相匹配。即所述复合储能装置的蓄电池组的容量额度为至少满足重要负荷供电要求，而电容器组为了确保切换的无缝过渡，所配置的容量满足低压微电网中全部负荷的功率要求。
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