獨立光伏混合儲能系統能量控制方法與流程
2023-10-10 03:39:49 3
本發明涉及光伏發電微電網儲能系統技術領域，具體為一種獨立光伏混合儲能系統能量控制方法，適用於光伏發電微電網中，穩定直流母線電壓。
背景技術：
光伏發電輸出功率具有間歇性、隨機性和波動性，為實現計劃功率的併網運行，需要對光伏輸出的功率進行有效控制。如僅通過光伏發電系統自身的調整會降低其功率利用率，也限制了能源利用的靈活性。為提高光伏發電系統的運行能力，需利用儲能系統對光伏輸出功率進行平滑控制，進而滿足併網運行要求。由於鉛酸蓄電池的高能量密度與經濟性等原因，在儲能系統中有廣泛的應用。然而，蓄電池功率密度低，使用壽命短，不適合大功率充放電。超級電容器相比蓄電池有更高的功率密度與循環壽命，與蓄電池在性能上具有互補性。因此在光伏發電中，將此兩種儲能裝置作為混合儲能系統，缺乏一種混合儲能系統的能量控制方法，能充分利用兩者的優點，使系統獲得良好性能。
技術實現要素：
本發明是為了解決光伏發電微網缺乏混合儲能系統能量控制方法的問題，在考慮儲能設備荷電狀態的基礎上，提供了一種混合儲能系統的能量控制方法，對光伏輸出功率平滑控制。
本發明是通過如下技術方案來實現的：一種獨立光伏混合儲能系統能量控制方法，該獨立光伏混合儲能系統包括蓄電池、超級電容器、光伏發電單元、直流母線以及直流負載，所述蓄電池和超級電容器分別通過各自的雙向dc/dc變換器連接於直流母線，所述光伏發電單元通過boost變換器連接於直流母線；所述雙向dc/dc變換器與boost變換器均由能量控制處理器控制，該光伏混合儲能系統能量控制方法包括以下步驟：
一、計算混合儲能系統承擔功率phess：
①採集直流母線電壓udc，cdc為已知固定直流儲能電容，應用上位機計算維持母線電壓穩定所需功率pdc：
②應用上位機採集直流負載功率pload，應用光伏發電單元兩端的電壓電流檢測模塊採集光伏發電功率ppv；
③將採集到的功率數據輸入能量控制處理器，計算儲能系統承擔功率phess，
phess＝pdc+pload-ppv
二、根據計算得出的phess來分配蓄電池與超級電容器的功率：
①由於phess＝pbat+psc，pbat表示蓄電池吸收/釋放功率；psc表示為超級電容器吸收/釋放功率；將功率phess經過能量控制處理器的一階低通濾波器，得到蓄電池和超級電容器的參考功率分別為：
其中，s為微分算子；t為濾波時間常數；
②通過蓄電池和超級電容器各自兩端的電壓電流檢測模塊採集荷電值soc，輸入能量控制處理器，根據二者的soc進行限值管理，得到蓄電池和超級電容器的功率分配方式，其中socsc表示超級電容器的實際荷電值，socbat表示蓄電池的實際荷電值；socsc_high、socsc_low表示超級電容器的過度充電警戒值和過度放電警戒值；socsc_max、socsc_min分別表示超級電容器荷電狀態的上限與下限；socbat_max、socbat_min分別表示蓄電池荷電狀態的上限與下限，設定t0為初始濾波時間常數，δt為濾波時間常數t的增量，經過限值管理後的濾波時間常數為t＝t0+δt；t0由需要平抑的光伏波動功率決定(例如：一般需要平抑光伏波動頻率為0.01hz以上,取t0＝50)；td與蓄電池和超級電容器容量配置有關，td的範圍為0＜td≤t0，在此範圍內，若超級電容器配置容量較充裕，可適度增大td，使超級電容器承擔更多波動功率的充放電；反之，若超級電容器配置容量小，可適度減小td使超級電容器承擔較少波動功率的充放電(td的取值為本領域技術人員公知的或者可以通過有限的實驗得到的)。設定td為δt最大變化範圍，δt的控制如下：
a.當socsc＜socsc_min時，超級電容器限制放電，只允許充電，若psc_ref＜0，則δt＝td；若psc_ref＞0，禁止超級電容器放電，由蓄電池承擔所有輸出功率，即pbat_ref＝phess；
b.當socsc_min＜socsc＜socsc_low時，使超級電容器減少放電量，增加充電量，減緩超級電容器socsc的下降；若psc_ref＜0，則若psc_ref＞0，則
c.當socsc_low＜socsc＜socsc_high時，超級電容器與蓄電池的輸出不做調整，即δt＝0；
d.當socsc_high＜socsc＜socsc_max時，使超級電容器增加放電量，減少充電量，減緩超級電容器socsc的上升；若psc_ref＜0，則若psc_ref＞0，則
e.當socsc＞socsc_max時，超級電容器限制充電，只允許放電，若psc_ref＜0，禁止超級電容器充電，由蓄電池承擔所有吸收功率，即pbat_ref＝phess；若psc_ref＞0，則δt＝td；
f.當蓄電池充電至socbat＞socbat_max時，光伏發電單元通過boost變換器的輸出功率由mppt模式進入恆壓模式，對蓄電池進行浮充；
g.當蓄電池放電至socbat＜socbat_min時，減少負載，使負載功率與光伏發電單元通過boost變換器的輸出功率相匹配，光伏發電單元的功率輸出為mppt模式；對儲能系統進行限制放電，蓄電池停止工作，超級電容器也停止工作。
三、根據步驟二中輸出的蓄電池功率p』bat_ref和超級電容器功率p’sc_ref，以及從各自電壓電流測試模塊採集回的ubat和usc，通過能量控制處理器計算出ibat_ref和isc_ref，再將蓄電池和超級電容器的電流i和參考電流iref輸入各自的雙向dc/dc變換器中，控制二者的充電或者放電過程。
本發明主要是對由蓄電池和超級電容器組成的混合儲能系統和光伏發電單元構成的微網系統進行功率平抑控制；所述混合儲能控制方法中，通過低通濾波來分配超級電容器和蓄電池各自的功率，作為儲能系統控制的參考值；當環境變化引起母線功率波動時，超級電容器迅速提供高頻波動功率，以抑制對直流母線的衝擊，蓄電池承擔剩餘平滑部分。
直流母線電壓與系統各單元的功率關係為：
式中，為維持母線電壓穩定所需功率即pdc(其中cdc為直流儲能電容；udc為直流母線電壓)；ppv為光伏發電單元發出功率；pbat為蓄電池吸收/釋放功率；psc為超級電容器吸收/釋放功率；pload為直流負荷功率。所述關係式中，規定流向直流母線電壓方向為正方向。因此得出pbat+psc＝pdc+pload-ppv＝phess。
因此儲能系統應釋放/吸收相應功率來滿足負荷功率以及光伏發電單元輸出功率的變化，計算出儲能系統承擔的功率。再將儲能裝置承擔功率phess經過一階低通濾波，並結合混合儲能限值配置容量，得到蓄電池和超級電容器的功率分配方式。蓄電池在維持系統功率平衡中承擔著phess的主要部分。而在混合儲能系統運行過程中，為了避免蓄電池和超級電容器的過充和過放，應根據二者的荷電狀態soc(soc為蓄電池或者超級電容器的荷電量百分比)進行限值管理，並相應調整超級電容器與蓄電池所承擔功率。本領域技術人員可由低通濾波原理得知，濾波時間常數t越大，phess經過滑動平均濾波後得到的pbat越平滑；反之，t越小，則phess經過濾波後得到的pbat越接近phess，其中微分算子s也是本領域技術人員公知的，因此可以使用前述δt的控制規則來調整蓄電池與超級電容器的分配方式。根據蓄電池的soc情況，光伏發電單元經過boost變換器輸出功率的模式在恆壓輸出與mppt模式之間切換(mppt模式為最大功率點追蹤模式)。
本發明的有益效果為，獨立光伏混合儲能系統主要是通過調節濾波時間常數t的方法來儲能系統承擔功率進行分配，系統功率波動時儲能系統能快速維持直流母線電壓穩定並且保持系統內功率平衡，並優化了蓄電池充放電過程，減少了其循環次數，有效延長其工作壽命；根據超級電容器容量小的缺點，提出一種基於超級電容器soc分區的限值控制方法，根據超級電容器soc所在分區不同對濾波時間常數t進行調節，進而對蓄電池與超級電容器各自承擔的功率再次分配，有效改善因超級電容器容易過充或過放導致系統不能正常工作的缺點，此方法不僅可以維持直流母線的穩定，也可以使蓄電池和超級電容器的性能達到最佳。
附圖說明
圖1為本發明的結構示意圖。
圖2為本發明中能量控制處理器的控制示意圖。
圖3為本發明的功率流向示意圖。
圖4為本發明中能量控制處理器的計算流程示意圖。
圖5為本發明中蓄電池soc限值控制方法示意圖。
圖6為本發明中超級電容器soc限值控制方法示意圖。
圖7為本發明中δt的取值坐標圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式進行說明。
一種獨立光伏混合儲能系統能量控制方法，如圖1、圖2、圖3所示，一種獨立光伏混合儲能系統包括蓄電池、超級電容器、光伏發電單元、直流母線以及直流負載，所述蓄電池和超級電容器分別通過各自的雙向dc/dc變換器連接於直流母線，所述光伏發電單元陣列通過boost變換器連接於直流母線；所述雙向dc/dc變換器與所述boost變換器均由能量控制處理器控制，該光伏混合儲能系統能量控制方法包括以下步驟：
一、計算混合儲能系統承擔功率phess：
①採集直流母線電壓udc，cdc為已知固定直流儲能電容，應用上位機計算維持母線電壓穩定所需功率pdc：
②應用上位機採集直流負載功率pload，應用光伏發電單元兩端的電壓電流檢測模塊採集光伏發電功率ppv；
③將採集到的功率數據輸入能量控制處理器，計算儲能系統承擔功率phess，
phess＝pdc+pload-ppv(2)
二、根據計算得出的phess來分配蓄電池與超級電容器的功率：
①由於phess＝pbat+psc，pbat表示蓄電池吸收/釋放功率；psc表示為超級電容器吸收/釋放功率；將功率phess經過能量控制處理器的一階低通濾波器，得到蓄電池和超級電容器的參考功率分別為：
其中，s為微分算子；t為濾波時間常數；
②通過蓄電池和超級電容器各自兩端的電壓電流檢測模塊採集荷電值soc，輸入能量控制處理器，根據二者的soc進行限值控制，得到蓄電池和超級電容器的功率分配方式，其中socsc表示超級電容器的實際荷電值，socbat表示蓄電池的實際荷電值；socsc_high、socsc_low表示超級電容器的過度充電警戒值和過度放電警戒值；socsc_max、socsc_min分別表示超級電容器荷電狀態的上限與下限；socbat_max、socbat_min分別表示蓄電池荷電狀態的上限與下限，設定t0為初始濾波時間常數，t0根據需要平抑的光伏波動功率決定，本實施例中t0＝50；td由蓄電池和超級電容器容量配置決定，td的範圍為0＜td≤t0，若超級電容器配置容量較充裕，可適度增大td使超級電容器承擔更多波動功率的充放電；反之，若超級電容器配置容量小，可適度減小td使超級電容器承擔較少波動功率的充放電。δt的控制如下：
a.當socsc＜socsc_min時，超級電容器限制放電，只允許充電，若psc_ref＜0，則δt＝td；若psc_ref＞0，禁止超級電容器放電，由蓄電池承擔所有輸出功率，即pbat_ref＝phess；
b.當socsc_min＜socsc＜socsc_low時，使超級電容器減少放電量，增加充電量，減緩超級電容器socsc的下降；若psc_ref＜0，則若psc_ref＞0，則
c.當socsc_low＜socsc＜socsc_high時，超級電容器與蓄電池的輸出不做調整，即δt＝0；
d.當socsc_high＜socsc＜socsc_max時，使超級電容器增加放電量，減少充電量，減緩超級電容器socsc的上升；若psc_ref＜0，則若psc_ref＞0，則
e.當socsc＞socsc_max時，超級電容器限制充電，只允許放電，若psc_ref＜0，禁止超級電容器充電，由蓄電池承擔所有吸收功率，即pbat_ref＝phess；若psc_ref＞0，則δt＝td；
f.當蓄電池充電至socbat＞socbat_max時，光伏發電單元通過boost變換器的輸出功率由mppt模式進入恆壓模式，對蓄電池進行浮充；
g.當蓄電池放電至socbat＜socbat_min時，減少負載，使負載功率與光伏發電單元通過boost變換器的輸出功率相匹配，光伏發電單元的功率輸出為mppt模式；對儲能系統進行限制放電，蓄電池停止工作，超級電容器也停止工作。
三、根據步驟二中輸出的蓄電池功率p』bat_ref和超級電容器功率p’sc_ref，以及從各自電壓電流測試模塊採集回的ubat和usc，通過能量控制處理器計算出ibat_ref和isc_ref，再將蓄電池和超級電容器的電流i和參考電流iref輸入各自的雙向dc/dc變換器中，控制二者的充電或者放電過程。
如圖4所示，是本實施例中能量控制處理器的計算流程圖，將維持母線電壓穩定所需功率pdc與直流負載pload相加後，減去光伏發電單元輸出功率ppv，即為儲能系統所需承擔功率phess，將計算出的phess通過低通濾波來分配超級電容器和蓄電池各自的功率，即通過公式(3)，得出蓄電池的參考功率pbat_ref，再用phess減去pbat_ref得到超級電容器的參考功率psc_ref，二者作為儲能系統控制的參考值，在經過限值管理模塊以後，調整了δt，也就是調整了t，δt取值如圖7所示，根據δt的取值情況，便可以對蓄電池和超級電容器的功率再次分配，通過此分配，再將電流值輸入二者分別的雙向dc/dc變換器，使蓄電池和超級電容器發揮作用，使混合儲能系統對直流母線起到穩定的作用，當環境變化引起母線功率波動時，超級電容器迅速提供高頻波動功率，以抑制對直流母線的衝擊，蓄電池承擔剩餘平滑部分。
蓄電池的soc限值管理方法如圖5所示：蓄電池在維持系統功率平衡中承擔著phess的主要部分，因此當socbat＞socbat_max時，光伏發電單元通過boost變換器的輸出功率由mppt模式進入恆壓模式，對蓄電池進行浮充；蓄電池放電時，當socbat＜socbat_min時，應切除部分負荷，使其與光伏發電單元的負荷相匹配，光伏發電單元通過boost變換器的輸出功率為mppt控制方式，對儲能系統進行限制放電，蓄電池停止工作，超級電容器也停止工作。
超級電容器soc限值管理方法如圖6所示：超級電容器屬於功率型儲能器件，其儲能容量一般較低。使用傳統的限值管理方法會使超級電容器在持續充放電的過程中易達到限制充放電的限值，頻繁達到超級電容器充放電極值，致使系統穩定性下降。考慮到超級電容器的特性，將超級電容器soc劃分為五個工作區域，在各個區域內分別調整其承擔的功率，避免超級電容器達到其限充、限放值。