CN110445120A - 基于混合储能的直流微电网母线电压控制策略 - Google Patents

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张璐
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Abstract

本发明属于分布式发电功能***电能质量治理技术领域；具体技术方案为：基于混合储能的直流微电网母线电压控制策略，在直流微电网中加入混合储能模块，具体控制步骤如下：一、对直流微电网母线电压进行检测，将检测到的母线电压变动整理分析并归类为电压波动、电压暂降、电压短时间中断和电压长时间中断；二、在电压波动情况下，利用超级电容进行充放电来维持直流微电网母线电压；在电压暂降的情况下，利用超级电容和锂电池共同充放电来维持直流微电网母线电压；在电压短时间中断的情况下，利用超级电容、锂电池和蓄电池共同充放电以维持直流侧母线电压；在电压长时间中断的情况下，将负载和混合储能模块从直流微电网中切除。

Description

基于混合储能的直流微电网母线电压控制策略
技术领域
本发明属于分布式发电功能***电能质量治理技术领域，特别涉及一种基于混合储能的直流微电网母线电压控制策略。
背景技术
随着能源与环境问题的加剧以及对不可再生能源的过度使用，人们越来越关注可再生能源的开发，微电网也因此产生。目前大部分的微电网都是交流微电网，但直流微电网***结构简单，能量转换小，供电质量高，与交流微电网相比有很大的优势，并且随着配电***的发展，直流微电网越来越受到人们的重视。
由于可再生能源的间歇性和随机性，储能***在直流微电网中具有重要的研究意义。蓄电池的能量密度大，但为了维持电网波动所造成的功率平衡，蓄电池需要频繁的大容量充放电，频繁的吸收或者发出较大的功率会严重影响蓄电池的寿命。超级电容因具有快速的响应能力，循环寿命长，功率密度大，研究蓄电池、超级电容混合储能的控制方法，稳定直流母线电压的学者越来越多。
目前混合储能主要采用蓄电池和超级电容的组合，但这种储能方式的循环寿命短，响应能力一般，为了解决这种问题，本发明在传统混合储能***的基础上，结合锂电池的优点，研究蓄电池、锂离子电池和超级电容器的充放电控制策略。当母线电压改变时，储能***能够根据母线电压进行充放电来维持母线电压的恒定，该储能***具有一定的快速性和稳定性，同时可以延长混合储能***的寿命。
发明内容
本发明的目的是克服传统混合储能循环寿命短、响应能力差的技术缺陷，研究新式混合储能的控制策略，抑制直流微电网母线电压的波动。本发明基于新式混合储能的控制策略，提出在不同电压变动下的分层治理方案，稳定直流侧母线电压，并为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
基于混合储能的直流微电网母线电压控制策略，适用于低压直流微电网中，对低压直流微电网母线检测到的电压进行分析归类，具体如下：
一、实时检测低压直流微电网母线的电压，计算母线电压的均方根值；
二、当母线电压的均方根值为额定电压数值的90％～110％，将检测到的母线电压变动判定为电压波动；
当母线电压的均方根值为额定电压数值的10％～90％，将测到的母线电压变动判定为电压暂降；
当母线电压的均方根值低于额定电压数值的10％，将测到的母线电压变动判定为电压暂降，当中断时间大于1min为电压长时间中断，小于1min为电压短时间中断。
为了保证低压直流微电网的稳定，在低压直流微电网中加入混合储能模块，混合储能模块包括蓄电池、超级电容和锂电池，具体控制步骤如下：
一、对低压直流微电网母线电压进行检测，将检测到的母线电压变动整理分析并归类为电压波动、电压暂降、电压短时间中断和电压长时间中断；
二、针对电压波动、电压暂降、电压短时间中断和电压长时间中断建立不同的储能控制策略：
若检测到的母线电压变动属于电压波动，利用超级电容进行充放电来维持低压直流微电网母线电压，超级电容的储能效率高，响应速度快，适合对电压波动进行调节；
若检测到的母线电压变动属于电压暂降，利用超级电容和锂电池共同充放电来维持低压直流微电网母线电压，超级电容的快速响应效率与锂电池的高循环寿命相结合，适合对电压暂降进行调节；
若检测到的母线电压变动属于电压短时间中断，利用超级电容、锂电池和蓄电池共同充放电以维持直流侧母线电压，超级电容的快速响应效率、锂电池的较长循环寿命和蓄电池的高能量密度相结合，适合对电压短时间中断的调节；
若检测到的母线电压变动属于电压长时间中断，将负载和混合储能模块从低压直流微电网中切除。
对低压直流微电网母线检测到的电压进行分析归类，具体过程如下：
一、实时检测低压直流微电网母线的电压，计算母线电压的均方根值；
二、当母线电压的均方根值为额定电压数值的90％～110％，将检测到的母线电压变动判定为电压波动；
当母线电压的均方根值为额定电压数值的10％～90％，将测到的母线电压变动判定为电压暂降；
当母线电压的均方根值低于额定电压数值的10％，将测到的母线电压变动判定为电压暂降，当中断时间大于1min为电压长时间中断，小于1min为电压短时间中断。
针对电压暂降和电压短时间中断，具体控制方式如下：
一、当检测到的母线电压变动属于电压暂降，利用一阶低通滤波器将控制电流指令信号分为高频分量和低频分量，由超级电容吸收或释放高频分量，锂电池吸收或释放低频分量。
二、当检测到的母线电压变动属于电压短时间中断时，利用二阶低通滤波器将控制电流指令信号分为高频分量、中频分量和低频分量，由超级电容吸收或释放高频分量，锂电池吸收或释放中频分量，蓄电池吸收或释放低频分量。
本发明的有益效果体现在：本发明将超级电容、锂电池和蓄电池结合，利用超级电容器的快速响应能力、锂电池的较长循环寿命和蓄电池的高能量密度的特点，根据低压直流母线电压的电压变化率将母线电压在不同的电压情况下分段治理，通过三级不同的储能控制策略以保持低压直流母线电压稳定，能够抑制直流母线电压变动，确保低压直流母线电压稳定。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1为直流微电网的结构图。
图2为电压波动时的直流母线电压控制策略。
图3为电压暂降时的直流母线电压控制策略。
图4为电压短时中断时的直流母线电压控制策略。
图5为混合储能***的充放电控制框图。
图6为蓄电池仿真控制模型。
图7为蓄电池buck控制电路模型。
图8为蓄电池boost控制电路模型。
图9为直流微电网电能质量控制流程图。
图10为本发明的直流微电网母线电压仿真图。
图11为本发明的蓄电池充放电仿真结果图。
图12为本发明的超级电容充放电仿真结果图。
图13为本发明的锂电池充放电仿真结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
如图1和图9所示，基于混合储能的直流微电网母线电压控制策略，适用于低压含混合储能的直流微电网结构，混合储能为蓄电池、超级电容、锂电池的组合，根据不同的电压变化情况，采取不同的混合储能控制策略，维持直流微电网母线电压。直流微电网中混合储能***通过DC/DC变换器与直流母线相连，直流母线侧连接有负载。当直流母线侧电压发生变化时，通过实时计算母线电压的变化率，将电压的变化分为电压波动、电压暂降、电压短时间中断和电压长时间中断，不同的情况采用不同的混合储能控制策略，快速维持直流侧母线电压。
如图2所示，在电压波动时的直流母线电压控制策略中，由超级电容充放电维持直流侧母线电压。具体的控制方法为：设定电压Udref与储能***两侧电压Ud经过PID控制器输出储能***电流指令信号参考值Icr，该信号由超级电容吸收或者释放。
如图3所示，在电压暂降的直流母线电压控制策略中，一阶低通滤波器将储能***中需要平衡的功率分为低频部分和高频部分。根据超级电容器充放电速度快，由超级电容吸收或释放由各种原因所产生的高频功率；锂离子电池寿命长，能量密度大，由锂离子电池吸收或释放由各种原因所产生的低频功率。具体的控制方法为：设定电压Udref与储能***两侧电压Ud经过PID控制器输出储能***电流指令信号参考值，该信号经过一阶低通滤波器分解为高频分量Icr、低频分量Ier，分解出来的这些分量分为被超级电容、锂电池吸收或者释放。
如图4所示，在电压短时中断时的直流母线电压控制策略中，二阶低通波器将储能***需要平衡的功率分为低频部分、中频部分、高频部分。超级电容吸收或释放由各种原因所产生的高频功率；锂离子电池吸收或释放由各种原因所产生的中频功率；蓄电池能量密度大，响应慢，由蓄电池吸收或释放由各种原因所产生的低频功率。具体的控制方法为：设定电压Udref与储能***两侧电压Ud经过PID控制器输出储能***电流指令信号参考值，该信号经过二阶低通滤波器分解为高频分量Icr、中频分量Ier和低频分量Ibr，高频分量Icr由超级电容吸收或释放，中频分量Ier由锂电池吸收或释放，低频分量Ibr由蓄电池吸收或释放。
如图5所示，在混合储能***充放电控制中，Ib为蓄电池电流；Ie为锂离子电池电流；Ic为超级电容电流；Ub为蓄电池两端的电压；Ue为锂离子电池两端的电压；Uc为超级电容两端的电压；Ub1为蓄电池放电电压指令信号；Ub2为蓄电池充电电压指令信号；Ue1为锂离子电池放电电压指令信号；Ue2为锂离子电池充电电压指令信号；Uc1为超级电容放电电压指令信号；Uc2为超级电容充电电压指令信号。
当Ibr>0时，Ibr与Ib的偏差经过比例积分放大器形成Ub1，该信号与Ud、-Ub的代数和再与Ud的倒数的乘积进行三角载波得到蓄电池放电脉冲宽度调制信号(pulse widemodulation,PWM)，当Ibr<0时，Ibr与Ib的偏差经过比例积分放大器形成Ub2，该信号的相反值与Ub的代数和再与Ud的倒数的乘积进行三角载波得到蓄电池充电脉冲宽度调制信号(pulsewide modulation,PWM)；当Ier>0时，Ier与Ie的偏差经过比例积分放大器形成Ue1，该信号与Ud、-Ub的代数和再与Ud的倒数的乘积进行三角载波得到锂电池放电脉冲宽度调制信号(pulse wide modulation,PWM)，当Ier<0时，Ier与Ie的偏差经过比例积分放大器形成Ue2，该信号的相反值与Ub的代数和再与Ud的倒数的乘积进行三角载波得到锂电池充电脉冲宽度调制信号(pulse wide modulation,PWM)；当Icr>0时，Icr与Ic的偏差经过比例积分放大器形成Uc1，该信号与Ud、-Ub的代数和再与Ud的倒数的乘积进行三角载波得到超级电容放电脉冲宽度调制信号(pulse wide modulation,PWM)，当Icr<0时，Icr与Ic的偏差经过比例积分放大器形成Uc2，该信号的相反值与Ub的代数和再与Ud的倒数的乘积进行三角载波得到超级电容充电脉冲宽度调制信号(pulse wide modulation,PWM)。
结合图6、图7和图8，在蓄电池仿真控制模型中，当Ibr>0时为充电模式，模式选择开关通过boost电路使蓄电池工作在充电状态，在蓄电池boost控制电路中，Ibr与Ib的差值进过比例积分控制器后与Ub做差，然后再加储能***两侧电压Ud再除以Ud作为PWM发生器的输入信号。
当Ibr<0时为放电状态，模式选择开关通过buck电路使蓄电池工作在放电状态，在蓄电池buck电路中，Ibr与Ib的差值进过比例积分控制器后的相反值与Ub的和再除以Ud作为PWM发生器的输入信号。
如图10、图11、图12和图13所示，根据本发明的基于混合储能***的直流微电网母线电压控制策略，通过混合储能维持母线电压，验证本发明的可行性，具体如下：
直流微电网的简易结构如下：直流母线电压为750v左右，负荷为阻性负荷，利用负荷的投切和投入模拟直流侧母线电压波动、暂降、短时间中断、长时间中断事故。蓄电池的型号为300V/96Ah，超级电容的型号为300V/5F，锂离子电池的型号为300V/96Ah，直流负载为20Ω，以下举出电压短时中断的例子，在0.3s时将10Ω的负载并联到20Ω负载上，将直流母线电压控制在750V。
由混合储能***的仿真结果我们看出，在0.3s时负载突变，直流母线电压由750V降到600V，属于电压短时中断的范畴，此时超级电容器进行快速的放电，缓冲由负载突变引起的功率不平衡，锂离子电池进行较快的放电，释放能量中频部分，在0.4s到达稳定状态，此时主要由蓄电池进行大容量放电，弥补功率的不平衡，大约在0.42s之后直流母线电压维持到750V。整个仿真结果表明母线电压可以通过储能***的充放电快速维持恒定，由于合理配置储能***功率，整个储能***的寿命得到延长。

Claims (3)

1.基于混合储能的直流微电网母线电压控制策略，其特征在于，适用于直流微电网中，在直流微电网中加入混合储能模块，混合储能模块包括蓄电池、超级电容和锂电池，具体控制步骤如下：
一、对直流微电网母线电压进行检测，将检测到的母线电压变动整理分析并归类为电压波动、电压暂降、电压短时间中断和电压长时间中断；
二、针对电压波动、电压暂降、电压短时间中断和电压长时间中断建立不同的储能控制策略；
若检测到的母线电压变动属于电压波动，利用超级电容进行充放电来维持直流微电网母线电压；
若检测到的母线电压变动属于电压暂降，利用超级电容和锂电池共同充放电来维持直流微电网母线电压；
若检测到的母线电压变动属于电压短时间中断，利用超级电容、锂电池和蓄电池共同充放电以维持直流侧母线电压；
若检测到的母线电压变动属于电压长时间中断，将负载和混合储能模块从直流微电网中切除。
2.根据权利要求1所述的基于混合储能的直流微电网母线电压控制策略，其特征在于，在步骤一中，对直流微电网母线检测到的电压进行分析归类，具体如下：
一、实时检测直流微电网母线的电压，计算母线电压的均方根值；
二、当母线电压的均方根值为额定电压数值的90％～110％，将检测到的母线电压变动归为电压波动；
当母线电压的均方根值为额定电压数值的10％～90％，将测到的母线电压变动归为电压暂降；
当母线电压的均方根值低于额定电压数值的10％，将测到的母线电压变动归为电压暂降，当中断时间大于1min为电压长时间中断，小于1min为电压短时间中断。
3.根据权利要求2所述的基于混合储能的直流微电网母线电压控制策略，其特征在于，针对电压暂降和电压短时间中断，具体控制方式如下：
一、当检测到的母线电压变动属于电压暂降，利用一阶低通滤波器将控制电流指令信号分为高频分量和低频分量，由超级电容吸收或释放高频分量，锂电池吸收或释放低频分量；
二、当检测到的母线电压变动属于电压短时间中断，利用二阶低通滤波器将控制电流指令信号分为高频分量、中频分量和低频分量，由超级电容吸收或释放高频分量，锂电池吸收或释放中频分量，蓄电池吸收或释放低频分量。
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