CN112421746A - 一种SC-Li-SC混合储能的充放电控制与管理方法及装置 - Google Patents

一种SC-Li-SC混合储能的充放电控制与管理方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种SC‑Li‑SC混合储能的充放电控制与管理方法及装置，涉及混合储能领域，该装置包括超级电容、充电电池、稳压装置、电流传感器、控制器，该方法包括平缓随机性强、波动幅度大的充电功率的方法、判断单个超级电容给充电电池充电是否完成的方法，切换超级电容使其高效充放电的方法，充电电池近似稳压放电的方法。所述电流传感器用于检测超级电容给充电电池充电时的电流，所述控制器根据所述超级电容和所述充电电池间的电流，控制所述超级电容SC1和所述超级电容SC2工作状态。本发明通过相应的控制策略，利用超级电容和充电电池各自性能优点，使整个混合储能装置能够在新能源发电功率不稳定、波动幅度大的条件下稳定安全的充放电能。

Description

一种SC-Li-SC混合储能的充放电控制与管理方法及装置
技术领域
本发明涉及混合储能领域，特别涉及一种SC-Li-SC混合储能充放电控制与管理方法及装置。
背景技术
随着我国新能源发电装机量的不断提高，新能源作为分布式能源接入电网，其中风、光能作为新能源发电，其发电功率随机性强、间歇性明显波动幅度大、波动频率无规律，势必会给电网运行、调度、控制等方面带来负面的影响，为此，储能技术的发展成为解决此问题的有效手段。单一的储能装置已经无法安全高效的应用于新能源发电储能中。
充电电池拥有高能量密度且使用寿命长，可以应用于目前电网中作为储能装置，但其优秀的性能是以安全代价为前提。充电电池充电过程中电压、电流要求严格，在大电压波动的充电环境中安全性大大降低，应用到充电功率随机、波动性大的新能源发电中势必会损害充电电池内部结构，减少使用寿命。超级电容作为新型的储能元件拥有很高的耐压范围，且充放电快速，整个充放电过程不涉及化学反应，价格也相对低廉，但是超级电容存储的电能相比于充电电池要低很多，且自放电率很高，不适合长期储能。超级电容和充电电池组成的混合储能装置，其输入端利用了超级电容的高耐压特性，输出端的充电电池作为主要大容量储能元件，能够稳定的存储输出电能。这种混合储能装置一方面解决了充电电池充电要求严苛的问题，另一方面又解决了超级电容不适合储能的问题。尽管超级电容和充电电池组成的混合储能***优势引人注目，但是***本身复杂的电源管理策略还需要我们进一步探究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能在充电功率不稳定、波动性大的电网中安全高效充放电的混合储能控制与管理方法及装置。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种SC-Li-SC混合储能的充放电控制与管理方法及装置，本发明的技术方案如下：
一种SC-Li-SC混合储能的充放电控制装置，包括至少两个超级电容、至少一个充电电池、与超级电容等量的电流传感器、控制器和发电装置，发电装置为超级电容充电，超级电容与电流传感器及充电电池依次连接，超级电容之间并联，控制器用于控制各部件的工作。
优选的，还包括稳压装置及电压传感器，稳压装置连接在超级电容与充电电池之间，电压传感器连接在超级电容上用于实时监测超级电容电压。
一种SC-Li-SC混合储能的充放电控制方法，其特征在于：
步骤1、由发电装置给其中一个超级电容充电，当该超级电容充满后，发电装置向下一个超级电容充电，已经充满电的超级电容对充电电池放电；
步骤2、设充电电池的充电电流阈值Imin，由超级电容对应的电流传感器检测对应的充电电流Icx，比较Icx与Imin，同时检测正在充电的超级电容的电量SOC是否达到最大充电量SOCmax；
步骤3、当Icx小于Imin，且SOC等于SOCmax，切换另外一个超级电容为充电电池充电，满足前述条件时返回步骤2；
步骤4、当Icx小于Imin，且SOC小于SOCmax，由充电电池单独向负载供电，并返回步骤1。
优选的，所述步骤1包括如下步骤：
步骤1-1：用超级电容SC1接收来自新能源发电的不稳定电能即对SC1进行充电；
步骤1-2：检测超级电容SC1是否充满，如果否，则继续充电；如果是，则执行下一步；
步骤1-3：超级电容SC1停止充电并执行步骤1-5；
步骤1-4：用超级电容SC2接收来自新能源发电的不稳定电能即对SC2进行充电；
步骤1-5：超级电容SC1开始放电给所述充电电池充电。
优选的，所述步骤2至4包括如下步骤：
步骤2-1：电流传感器1检测超级电容SCl流向充电电池的电流值Ic1s是否小于充电电池的充电电流阈值Imin，并控制充电电流Ic1s在充电电池的安全充电电流范围内，如果否，则继续充电；如果是，则执行步骤2-2；
步骤2-2：超级电容SC1停止放电，并同时执行步骤2-3；
步骤2-3：检测超级电容SC2是否充满，如果否，则执行步骤2-4；如果是，则执行步骤2-5。
步骤2-4：对超级电容SC2继续充电，返回步骤2-3；
步骤2-5：超级电容SC2停止充电并开始向充电电池放电；与此同时，超级电容SC1接收来自新能源发电的不稳定电能；
步骤2-6：电流传感器2检测超级电容SC2流向充电电池的电流值Ic2s是否小于充电电池的充电电流阈值Imin，并控制充电电流Ic2s在充电电池的安全充电电流范围内，如果否，超级电容SC2继续放电；如果是，则执行步骤2-7。
步骤2-7：超级电容SC2停止放电并跳转至步骤1。
优选的，控制器根据超级电容两段并联的电压传感器判断所述超级电容端电压是否趋于额定电压，若是则新能源发电机对所述超级电容的充电完成，若否则新能源发电机对所述超级电容的充电未完成。
优选的，还包括设定充电电池的充电电量阈值和放电电量阈值，当充电电池的充电量达到阈值时停止充电，当充电电池的放电量达到阈值时停止放电。
优选地，包括设所述超级电容SC1充电时间(充电开始至所述超级电容器SC1端电压趋于其额定电压的用时)为T0，所述超级电容SC2充电时间(充电开始至所述超级电容器SC2端电压趋于其额定电压的用时)为T2C，所述超级电容SC1和所述超级电容SC2 在经所述稳压装置稳压后的放电时间(开始放电至所述电流传感器检测到的电流大小趋于0时)的时间均为Td。
优选地，还包括令
T1＝max{(T0+Td)，(T0+T2c)}
T2＝max{(T1+T0)，(T1+Td)}
Figure BDA0002768045630000031
利用max()函数的目的是为了避免控制器在以下两种状态切换发电装置对超级电容的充电：1某一个超级电容已经充电完成，而另外的超级电容放电尚未完成；2某一个超级电容已经放电完成，而另外的超级电容充电尚未完成。考虑到发电端功率波动的随机性，这种情况是必定存在的。
所述切换超级电容使其高效充放电的方法是指控制方法根据时间为约束条件，将所述超级电容状态及对应决策分为五个阶段：阶段1的约束条件为t＜T0，所述控制器保持所述超级电容SC1充电，所述超级电容SC2不工作；临界状态1的约束条件为t＝T0，所述控制器切换至所述超级电容SC1放电，所述超级电容SC2充电；阶段2的约束条件为T0＜t＜T1，所述控制器保持所述超级电容SCl放电，所述超级电容SC2充电；临界状态2的约束条件为t＝T1，所述控制器切换至所述超级电容SC1充电，所述超级电容 SC2放电；阶段3的约束条件为T1＜t＜T2，所述控制器保持所述超级电容SC1充电，所述超级电容SC2放电。
表1超级电容状态及对应决策
Figure BDA0002768045630000032
有益效果
(1)通过超级电容平缓来自新能源发电产生的随机性强、波动幅度大的电能，再提供给充电电池存储，使原本工作在恶劣充电环境下的充电电池有了相对稳定安全的充电环境，提高了充电电池的使用寿命和使用安全性，增加了充电电池的循环充放电次数。
(2)使用两个超级电容交替工作并配合协调控制策略，使其中一个超级电容放电的同时，另外一个充电。相比与单个超级电容充完电再放电，这种控制策略提高了充电电池的充电效率，并且减少了电能的损失。此外，两个超级电容工作过程中若其中一个发生故障，另外的超级电容还可以起到平缓电能的作用，不至于无法储能，并且超级电容原理简单，易于维护。
(3)根据充电电池放电电压随SOC的变化曲线和充电电池过充与过放保护策略合理设定充电电池充电电量阈值，从而使充电电池放电电压平稳且不会产生过充过放。
附图说明
图1为本发明混合储能的充放电控制装置结构图；
图2为某风电场原始发电功率曲线；
图3为应用本专利后的大容量充电电池输出功率曲线；
图4本发明存储新能源发电的电能的流程图；
图5为本发明中超级电容充电模式1的流程图；
图6为本发明中超级电容充电模式2的流程图；
图7为本发明中充电电池充电模式1的流程图；
图8为本发明中充电电池充电模式2的流程图；
图9超级电容状态转换图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员能更进一步了解本发明的特征及技术内容，下面结合流程图和实施方式对本发明实施例作详细说明。
步骤1：切换至超级电容充电模式1：用超级电容SC1接收来自新能源发电的不稳定电能(对SC1进行充电)
步骤2：检测超级电容SC1是否充满，如果否，则执行步骤3；如果是，则执行步骤4。
步骤3：对超级电容SC1继续充电。
步骤4：超级电容SC1停止充电并执行步骤5。
步骤5：切换至超级电容充电模式2：用超级电容SC2接受风力发电的不稳定电能(对 SC2进行充电)。
步骤6：切换整个装置处于充电电池充电模式1：超级电容SC2停止放电给所述充电电池充电，超级电容SCl准备开始放电给所述充电电池充电。
步骤7：超级电容SCl开始放电(开始对充电电池进行充电)。
步骤8：电流传感器1检测超级电容SCl流向充电电池的电流值Ic1s是否小于充电电池的充电电流阈值Imin，并控制充电电流Ic1s在充电电池的安全充电电流范围内，如果否，则执行步骤9；如果是，则执行步骤10。
步骤9：超级电容SC1继续放电。
步骤10：超级电容SC1停止放电，并执行步骤11。
步骤11：切换装置至充电电池充电模式2：超级电容SC1停止放电给所述充电电池充电，超级电容SC2准备开始放电给所述充电电池充电
步骤12：检测超级电容SC2是否充满，如果否，则执行步骤13；如果是，则执行步骤14。
步骤13：对超级电容SC2继续充电。
步骤14：超级电容SC2停止充电并执行步骤15。
步骤15：切换至超级电容充电模式1：用超级电容SC1接收来自新能源发电的不稳定电能(对SC1进行充电)
步骤16：超级电容SC2开始放电(开始对充电电池进行充电)。
步骤17：电流传感器2检测超级电容SC2流向充电电池的电流值Ic2s是否小于充电电池的充电电流阈值Imin，并控制充电电流Ic2s在充电电池的安全充电电流范围内，如果否，则执行步骤18；如果是，则执行步骤19。
步骤18：超级电容SC2继续放电。
步骤19：超级电容SC2停止放电并执行步骤20。
步骤20：跳转至步骤1。
当整个装置处于工作状态时，使充电电池当前电量始终在(SOCmin，SOCmax)内。
结合某风力发电厂某日8-17时风力发电历史数据数据，如图2所示，在采用本专利公开的一种SC-Li-SC混合储能的充放电控制与管理方法及装置后，大容量充电电池实时输出曲线如图3所示。从图中明显可以看出本专利公开SC-Li-SC混合储能的充放电控制与管理方法及装置介入后，大容量储能充电电池输出的功率局部相对于原始风力发电功率波动明显减小，且经多次试验表明，大容量储能充电电池的输出功率的局部波动与超级电容单元的切换时间控制密切相关。

Claims (7)

1.一种SC-Li-SC混合储能的充放电控制装置，其特征在于，包括至少两个超级电容、至少一个充电电池、与超级电容等量的电流传感器、控制器和发电装置，发电装置为超级电容充电，超级电容与电流传感器及充电电池依次连接，超级电容之间并联，控制器用于控制各部件的工作。
2.根据权利要求1所述的一种SC-Li-SC混合储能的充放电控制装置，其特征在于，还包括稳压装置及电压传感器，稳压装置连接在超级电容与充电电池之间，电压传感器连接在超级电容上用于实时监测超级电容电压。
3.一种SC-Li-SC混合储能的充放电控制方法，其特征在于：
步骤1、由发电装置给其中一个超级电容充电，当该超级电容充满后，发电装置向下一个超级电容充电，已经充满电的超级电容对充电电池放电；
步骤2、设充电电池的充电电流阈值Imin，由超级电容对应的电流传感器检测对应的充电电流Icx，比较Icx与Imin，同时检测正在充电的超级电容的电量SOC是否达到最大充电量SOCmax；
步骤3、当Icx小于Imin，且SOC等于SOCmax，切换另外一个超级电容为充电电池充电，满足前述条件时返回步骤2；
步骤4、当Icx小于Imin，且SOC小于SOCmax，由充电电池单独向负载供电，并返回步骤1。
4.根据权利要求3所述的一种SC-Li-SC混合储能的充放电控制方法，其特征在于：所述步骤1包括如下步骤：
步骤1-1：用超级电容SC1接收来自新能源发电的不稳定电能即对SC1进行充电；
步骤1-2：检测超级电容SC1是否充满，如果否，则继续充电；如果是，则执行下一步；
步骤1-3：超级电容SC1停止充电并执行步骤1-5；
步骤1-4：用超级电容SC2接收来自新能源发电的不稳定电能即对SC2进行充电；
步骤1-5：超级电容SC1开始放电给所述充电电池充电。
5.根据权利要求3所述的一种SC-Li-SC混合储能的充放电控制方法，其特征在于：所述步骤2至4包括如下步骤：
步骤2-1：电流传感器1检测超级电容SC1流向充电电池的电流值Ic1s是否小于充电电池的充电电流阈值Imin，并控制充电电流Ic1s在充电电池的安全充电电流范围内，如果否，则继续充电；如果是，则执行步骤2-2；
步骤2-2：超级电容SC1停止放电，并同时执行步骤2-3；
步骤2-3：检测超级电容SC2是否充满，如果否，则执行步骤2-4；如果是，则执行步骤2-5。
步骤2-4：对超级电容SC2继续充电，返回步骤2-3；
步骤2-5：超级电容SC2停止充电并开始向充电电池放电；与此同时，超级电容SC1接收来自新能源发电的不稳定电能；
步骤2-6：电流传感器2检测超级电容SC2流向充电电池的电流值Ic2s是否小于充电电池的充电电流阈值Imin，并控制充电电流Ic2s在充电电池的安全充电电流范围内，如果否，超级电容SC2继续放电；如果是，则执行步骤2-7。
步骤2-7：超级电容SC2停止放电并跳转至步骤1。
6.根据权利要求3所述的一种SC-Li-SC混合储能的充放电控制方法，其特征在于：控制器根据超级电容两段并联的电压传感器判断所述超级电容端电压是否趋于额定电压，若是则新能源发电机对所述超级电容的充电完成，若否则新能源发电机对所述超级电容的充电未完成。
7.根据权利要求3所述的一种SC-Li-SC混合储能的充放电控制方法，其特征在于：还包括设定充电电池的充电电量阈值和放电电量阈值，当充电电池的充电量达到阈值时停止充电，当充电电池的放电量达到阈值时停止放电。
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