一種儲能系統的控制方法與流程
2023-10-11 09:43:24 2
本發明涉及一種儲能系統的控制方法。
背景技術：
近年來風能、光伏發電得到了蓬勃發展。然而這些能源隨著自然條件的變化而變化，呈現間歇的特性，不能提供穩定的電力供應。因此存在大量的「棄風」、「棄光」現象，造成了資源的浪費。儲能系統的發展可以很好地解決這個問題。
通過儲能系統的配合，在新能源發電出力多的時候可以吸納電能，在新能源發電出力少的時候可以向電網提供電能，起到削峰填谷的作用。儲能系統還可以在電力系統調峰、電壓補償、頻率調節、電能質量管理等方面發揮出重要作用，從而確保系統安全可靠運行，通過儲能的方式，規避可再生能源發電間歇性特點帶來的大規模併網風險，提高可再生能源的利用率。總體看來，儲能技術正朝著轉換高效化、能量高密度化和應用成本化發展。
目前儲能系統中，蓄電池側DC/DC模塊多採用單路BUCK-BOOST變換電路，如圖9所示。目前儲能系統受蓄電池制約，蓄電池側電壓等級較低，通常48V為額定電壓，直流測電流較大。本發明中蓄電池側DC/DC模塊採用交錯BUCK-BOOST變換電路，對電池電流起到分流作用，減小了開關器件的電流應力，同時交錯BUCK-BOOST變換電路開關器件的交錯導通、關斷，大大減小了電池電流紋波，提高了電池的電能質量。
目前儲能系統中，當蓄電池充電時通常採用由光伏電池板側DC/DC模塊穩母線電壓或由電網側DC/AC模塊穩母線電壓兩種方式。目前儲能系統對母線控制的缺點在於：當光伏電池板輸出能量大於負載需要能量時，光伏電池板側DC/DC模塊，需要由光伏電池板側DC/DC最大功率點追蹤(MPPT)電壓閉環控制，切換到光伏電池板側DC/DC穩母線電壓閉環控制，這樣光伏電池板就不能工作在最大功率點狀態，導致光伏電池板不能最大功率發電。
技術實現要素：
本發明的目的是克服現有儲能系統控制方法電池充放電電流紋波大，光伏電池板發電利用率低的缺點，提出一種儲能系統的控制方法。
應用本發明控制方法的儲能系統由三個模塊組成，分別為光伏電池板側DC/DC模塊、蓄電池側DC/DC模塊和電網側DC/AC模塊。三個模塊在直流母線處彼此連接。該儲能系統具有離網、併網兩種工作模式，可以實現對蓄電池充放電控制。在離網模式下，當光伏電池板輸出的功率大於負載所需功率時，該儲能系統採取自適用控制，使光伏電池板多餘的能量給蓄電池充電，只要電池不是充滿狀態，光伏電池板始終工作在最大功率點追蹤(MPPT)狀態下，使光伏電池板最大限度的輸出能量，大大提高了光伏電池板的利用率。
本發明儲能系統的控制方法有7種，分別是：對光伏電池板側DC/DC模塊採用最大功率點追蹤(MPPT)電壓閉環控制、光伏電池板側DC/DC模塊採用穩母線電壓的閉環控制、電網側DC/AC模塊採用交流電壓的閉環控制、蓄電池側DC/DC模塊採用母線電壓的閉環控制、蓄電池側DC/DC模塊採用電池的恆流充電控制、蓄電池側DC/DC模塊採用電池的恆壓充電控制，以及電網側DC/AC模塊採用電壓電流雙閉環控制。
當光伏電池板輸出功率不超過負載所需功率與電池充電功率之和時，對光伏電池板側DC/DC模塊採用最大功率點追蹤(MPPT)電壓閉環控制。當光伏電池板輸出功率超過負載所需功率與電池充電功率之和時，對光伏電池板側DC/DC模塊採用穩母線電壓閉環控制。當電網側DC/AC模塊工作在離網狀態時，對電網側DC/AC模塊採用交流電壓閉環控制。當電網側DC/AC模塊工作在離網狀態，並且光伏電池板輸出能量大於負載所需能量，電池充電電流未到限流值時，對蓄電池側DC/DC模塊採用母線電壓閉環控制。當電池處於充電狀態並且充電電流達到限流值時，對蓄電池側DC/DC模塊採用電池恆流充電控制。當電池處於充電狀態並且充電電壓達到限壓值時，對蓄電池側DC/DC模塊採用電池恆壓充電控制。當電網側DC/AC模塊工作在併網狀態時，對電網側DC/AC模塊採用電壓電流雙閉環控制。
本發明採用由蓄電池側DC/DC模塊穩母線電壓控制方式，解決了在光伏電池板輸出能量大於負載需要能量時，光伏電池板不能最大功率發電這一問題。
附圖說明
圖1為本發明所包含三個模塊的內部電路結構圖；
圖2為本發明光伏電池板側DCDC MPPT電壓閉環控制環路圖；
圖3為本發明光伏電池板側DCDC穩母線電壓閉環控制環路圖；
圖4為本發明電網側DCAC交流電壓閉環控制環路圖；
圖5為本發明蓄電池側DCDC母線電壓閉環控制環路圖；
圖6為本發明蓄電池側DCDC電池恆流充電控制環路圖；
圖7為本發明蓄電池側DCDC電池恆壓充電控制環路圖；
圖8為本發明電網側DCAC電壓電流雙閉環控制環路圖；
圖9為目前儲能系統蓄電池側DC/DC電路圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式進一步說明本發明。
應用本發明控制方法的儲能系統包括光伏電池板側DC/DC模塊、蓄電池側DC/DC模塊和電網側DC/AC模塊。三個模塊在直流母線處彼此連接。光伏電池板側DC/DC模塊由BOOST升壓電路組成，蓄電池側DC/DC模塊由交錯BUCK-BOOST電路組成，電網側DC/AC模塊由逆變全橋組成。三個模塊的內部電路結構如圖1所示。
該儲能系統具有離網、併網兩種工作模式。
在併網狀態下，本發明對光伏電池板側DC/DC模塊採用MPPT電壓閉環控制，如圖2所示。VinRef為MPPT算法計算出的光伏電池板輸出給定電壓，Vin為實際採到的光伏電池板輸出電壓。經過PI調節器後，光伏電池板側DC/DC模塊中的控制晶片輸出PWM脈衝，驅動光伏電池板側DC/DC模塊BOOST電路的開關器件開通或關斷，使光伏電池板始終工作在最大功率輸出狀態。本發明對電網側DC/AC模塊採用電壓電流雙閉環控制，如圖8所示。VbusRef為母線電壓給定值，Vbus為實際採到的母線電壓，經過PI調節器後，PI調節器的輸出值與實時相位結合作為電流內環的給定值Iref；Iout為電網側反饋電流，給定電流與反饋電流經過PI調節器，PI調節器的輸出加上網壓前饋Ug，電網側DC/AC模塊中的控制晶片最終輸出SPWM脈衝，控制電網側DC/AC模塊逆變全橋的開關器件開通或關斷，實現能量的雙向流動。電流內環的給定值Iref為正時，電網側DC/AC模塊工作在整流狀態，給電池充電；電流內環的給定值Iref為負時，電網側DC/AC模塊工作在逆變狀態，向電網輸出能量。本發明對蓄電池側DC/DC模塊採用電池恆流充電控制，如圖6所示。IbRef為電池充電給定電流值，Ib為實際採集到的電池電流，電池充電給定電流值IbRef與實際採集到的電池電流Ib的差經過PI調節器後，蓄電池側DC/DC模塊中的控制晶片輸出PWM脈衝，控制蓄電池側DC/DC模塊BUCK電路的開關器件開通或關斷，使蓄電池工作在恆流充電狀態。當蓄電池電壓達到上限時，對蓄電池側DC/DC模塊採用電池恆壓充電控制，如圖7所示，VbRef為電池充電給定電壓值，Vb為實際採到的電池電壓，經過PI調節器後，蓄電池側DC/DC中的控制晶片輸出PWM脈衝，控制蓄電池側DC/DC模塊BUCK電路的開關器件開通或關斷，使蓄電池工作在恆壓充電狀態。三部分協調工作，先給蓄電池充電，蓄電池充滿後正常併網運行。
在離網狀態下，本發明對光伏電池板側DC/DC模塊的控制方法根據能量關係分兩種：
1、光伏電池板輸出能量小於或等於負載所需能量時，光伏電池板側DC/DC模塊採用MPPT電壓閉環控制，如圖2所示，VinRef為MPPT算法計算出的光伏電池板輸出給定電壓，Vin為實際採集到的光伏電池板輸出電壓，經過PI調節器後，輸出PWM脈衝，控制光伏電池板側DC/DC模塊BOOST電路的開關器件開通或關斷，使光伏電池板始終工作在最大功率輸出狀態。
2、光伏電池板輸出能量大於負載所需能量和蓄電池充電所需能量時，本發明對光伏電池板側DC/DC模塊採用穩母線電壓閉環控制，如圖3所示。PVBusRef為母線給定電壓，Vbus為實際採到的母線電壓，經過PI調節器後，光伏電池板側DC/DC模塊中的控制晶片輸出PWM脈衝，控制光伏電池板側DC/DC模塊BOOST電路的開關器件開通或關斷，穩定母線電壓在給定值。
在離網狀態時，本發明對電網側DC/AC模塊採用交流電壓閉環控制，如圖4所示。VacRef為交流給定電壓，Vac為實際採集到的交流電壓，經過PI調節器後，電網側DC/A C模塊中的控制晶片輸出PWM脈衝，控制電網側DC/AC模塊逆變全橋的開關器件開通或關斷，從而控制輸出交流電壓。
本發明對蓄電池側DC/DC模塊的控制分為四種方式，剛上電時，對蓄電池側DC/DC模塊採用母線電壓閉環放電控制，如圖5所示。BVbusRef為母線給定電壓，Vbus為實際採到的母線電壓，經過PI調節器後，蓄電池側DC/DC模塊中的控制晶片輸出PWM脈衝，控制蓄電池側DC/DC模塊BOOST電路的開關器件開通或關斷，穩定母線電壓，蓄電池放電。光伏電池板輸出能量大於負載所需能量時，對蓄電池側DC/DC模塊採用母線電壓閉環充電控制，如圖5所示。BVbusRef為母線給定電壓，Vbus為實際採到的母線電壓，經過PI調節器後，蓄電池側DC/DC模塊中的控制晶片輸出PWM脈衝，控制蓄電池側DC/DC模塊BUCK電路的開關器件開通或關斷，穩定母線電壓並給蓄電池充電。以上兩種控制方式原理相同，只是控制對象不同，控制蓄電池側DC/DC模塊BOOST電路的開關器件時，電池放電，控制蓄電池側DC/DC模塊BUCK電路的開關器件時，電池充電。當電池充電電流達到限流值時，本發明對蓄電池側DC/DC模塊採用電池恆流充電控制，如圖6所示。IbRef為電池充電給定電流值，Ib為實際採集到的電池電流，經過PI調節器後，蓄電池側DC/DC模塊中的控制晶片輸出PWM脈衝，控制蓄電池側DC/DC模塊BUCK電路的開關器件，使蓄電池工作在恆流充電狀態。當電池電壓達到限壓值時，對蓄電池側DC/DC模塊採用電池恆壓充電控制，如圖7所示，VbRef為電池充電給定電壓值，Vb為實際採集到的電池電壓，經過PI調節器後，蓄電池側DC/DC模塊中的控制晶片輸出PWM脈衝，控制蓄電池側DC/DC模塊BUCK電路的開關器件開通或關斷，使電池工作在恆壓充電狀態。
本發明採用交錯BUCK-BOOST變換電路的控制方式，能夠有效抑制蓄電池充放電電流紋波，提高蓄電池的使用壽命。另外本發明中包括的光伏電池板側DC/DC模塊、蓄電池側DC/DC模塊、電網側DC/AC模塊都參與直流母線的控制，隨著能量變化，靈活切換控制模塊來穩定母線電壓，提高了整個系統光伏電池板發電的利用率。