CN113422378A - 一种能量枢纽的综合能源*** - Google Patents

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王宏研
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Abstract

本发明涉及一种能量枢纽的综合能源***，包括发电单元、储能电池组和控制单元，所述发电单元的出口处配置储能电池组，所述发电单元通过馈线连接至母线，所述控制单元对储能电池组的工作状态进行切换和调节，保护储能电池组过冲与过放，同时对发电单元进行功率跟踪，所述控制单元的控制器采用储能平滑控制策略，在低通滤波平滑控制策略的基础上，对储能电池组的荷电状态实行可变时间常数的控制，并引入模糊控制；本发明提供的综合能源***，形成风光互补发电***，采用储能平滑控制策略，以使储能电池组平抑风电和太阳能发电输出功率的波动，兼顾储能电池组的使用寿命。

Description

一种能量枢纽的综合能源***
技术领域
本发明属于多能源***技术领域，具体涉及一种能量枢纽的综合能源***。
背景技术
传统的大电网主要采用集中式发电和远距离输电的供电模式，在发生电网事故时会使影响范围扩大，难以满足用户对电能越来越高的安全性和可靠性要求，在能源危机，环境问题与电力需求的共同压力下，新能源发电成为了解决这些矛盾的重要方法，将分布式电源组成一个微网***进行联合发电与控制，能够有效的解决分布式电源分散、随机变动等特点，并能提高分布式发电的效益。微网是由分布式电源、能量转换装置、负荷及保护装置、监控***等组成的小型发配电***，由于微网应用逐渐增多，安装容量不断增大，其控制策略的研究成了非常关键的环节。
由于风光能源的不确定性，导致风力发电***与光伏发电***无法稳定供电，这使得储能电池组很难通过有规律的吸收和释放能量来平滑间歇性电源输出功率的波动。因此，储能电池组需要制定合理的平滑控制策略才能在有限的容量范围内最大限度地平抑风电和太阳能发电输出功率的波动，同时兼顾储能电池组的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是为了解决背景技术中所提出的问题，而提供一种能量枢纽的综合能源***，将风、光资源的发电量汇聚在一起再统一供给负载，形成风光互补发电***，采用储能平滑控制策略，以使储能电池组平抑风电和太阳能发电输出功率的波动，兼顾储能电池组的使用寿命。
本发明的目的是这样实现的：
一种能量枢纽的综合能源***，包括发电单元、储能电池组和控制单元，所述发电单元的出口处配置储能电池组，所述发电单元通过馈线连接至母线，所述发电单元包括由光伏阵列和风力发电机组组成的风-电、光-电互补供电***，所述控制单元对储能电池组的工作状态进行切换和调节，保护储能电池组过冲与过放，同时对发电单元进行功率跟踪；
所述控制单元的控制器采用储能平滑控制策略，在低通滤波平滑控制策略的基础上，对储能电池组的荷电状态实行可变时间常数的控制，并引入模糊控制，提高SOC的自动调节能力。
优选的，所述风力发电机组的输出端设有卸荷电路，用作风力发电机的保护电路。
优选的，所述储能电池组是由两层储能组成的混合储能电池组，其中第一层储能组主要用于平滑快速波动的功率分量，适合用快速响应的储能，如飞轮储能、超级电容器储能、超导储能和一些化学电池储能，第二层储能组主要用于平滑波动速度较慢的功率分量，适合用慢速响应的储能，如抽水蓄能储能、压缩空气储能、热储能和部分化学储能。
优选的，所述控制单元的控制器包括电压检测电路模块和电流检测电路模块，所述风力发电机组发出的电能经过三相整流输出直流电，作为双输入电路的一路，所述光伏阵列发电作为另一路，经过双输入Boost电路变为稳定的直流电供给储能电池组和负载。
优选的，所述风力发电机组产生的电能通过风能发电电路中的交直流转换电路，在控制器的单片机的控制下，转换成对储能电池组充电的电能，并供给给负载；
所述光伏阵列产生的电能通过光能发电电路中的直流稳压器电路，在控制器的单片机的控制下，转换成对储能电池组充电的电能，并供给给负载。
优选的，当控制单元的控制器检测到发电单元的接入点电压高于接入点允许最低电压时，进入并网运行模式，当控制单元的控制器检测到发电单元的接入点电压低于接入点允许最低电压时，进入孤岛运行模式。
优选的，所述的储能平滑控制策略是在现有的低通滤波平滑控制策略的基础上，进行SOC可变时间常数的控制，并引入模糊控制，提高SOC的自动调节能力，减少储能电池组SOC的越限情况。
优选的，本发明的控制单元通过对储能电池组的蓄电池的充放电来改变风电和光伏发电输出功率的幅值，使注入配电网的功率更加平稳，基于低通滤波原理的储能平滑控制策略中，定时间常数的低通滤波控制中，低通滤波之后储能电池组的目标输出功率P0满足：
P0=[1/（1+τs）]×Pwp；其中Pwp为风电和光伏发电总的输出功率，τ为储能电池组的平滑时间常数，s为微分算子；
根据功率平衡有PB=P0-Pwp，PB为储能电池组吸收或放出的功率，当PB＞0时，储能电池组放出功率，当PB＜0时，储能电池组吸收功率；
在tk=kt（k=1,2,3…n）时刻，有：
P0(k)=[τ/(τ+t)]×P0(k-1)+[t/(τ+t)]×Pwp(k)，P0(k)和P0(k-1)分别表示储能电池组在kt时刻和(k-1)t时刻注入电网的功率，Pwp(k)为kt时刻风电和光伏发电总的输出功率；
则有P0(k)-P0(k-1)=tPB(k)/τ，因此平滑时间常数τ的范围为：
τ≥∣tPB(k)/ΔPB∣。
优选的，设储能电池组的容量为EB，则有：
EB(k)=[τtPwp(k)+τEB(k-1)]/(τ+t)，EB(k)和EB(k-1)分别表示储能电池组在kt时刻和(k-1)t时刻的电量。
优选的，所述的储能平滑控制策略包括如下步骤：
A1、根据储能电池组的容量，在线实时调节一阶低通滤波器的平滑时间常数τ；
A2、发电单元总的功率输出值Pwp经过一阶低通滤波后，根据PB=P0-Pwp计算得到储能电池组出力的给定参考值PB-ref，从而得出平滑后的并入配电网的功率值P0；
A3、加入SOC主动调节器，当发电单元的功率变化率较小时，在变时间常数的滤波器后加上一个功率调整量ΔPB，使储能电池组更快的恢复到合理范围，延长电池的使用寿命，改善平滑控制效果。
优选的，设SOChigh为储能电池组安全工作区的最高荷电状态，SOClow为储能电池组安全工作区最低荷电状态，SOCmax为储能电池组SOC较高区临界值，SOCmin为储能电池组SOC过充区临界值，基本的低通滤波平滑控制策略的时间常数为τ0，τc为储能电池组充电的时间常数，τf为储能电池组放电的时间常数，k1、k2、k3分别表示在不同区间平滑时间常数的变化率，则有：
S1、当SOCmax≤SOC(k)＜100%时，储能电池组工作SOC进入过充区间，为单向工作区，禁止储能电池组充电，只允许其放电，且有：
S1-1、当PB＜0时，令平滑时间常数τc=0，防止储能电池组过充；
S1-2、当PB＞0时，令平滑时间常数τf=k1[SOC(t)-SOCmax]+τ0，储能电池组放电；
S2、当SOChigh≤SOC(k)＜SOCmax时，为SOC较高区间，储能电池组少充电，多放电，则有：
S2-1、当PB＜0时，令平滑时间常数τc=k2[SOC(t)-SOChigh]+τ0，限制储能电池组充电；
S2-2、当PB＞0时，令平滑时间常数τf=k3[SOC(t)-SOChigh]+τ0，储能电池组多放电；
S3、当SOClow＜SOC(k)＜SOChigh时，为SOC安全工作区，平滑控制策略按照定时间常数的低通滤波控制策略来处理，令τc=τf=τ0，减小储能电池组的出力；
S4、当SOCmin＜SOC(k)≤SOClow时，为SOC较低区间，储能电池组多充电，少放电，则有：
S4-1、当PB＜0时，令平滑时间常数τc=k3[SOClow-SOC(t)]+τ0，使储能电池组多充电；
S4-2、当PB＞0时，令平滑时间常数τf=k2[SOClow-SOC(t)]+τ0，限制储能电池组放电；
S5、当0%＜SOC(k)≤SOCmin时，进入SOC过放区间，为单向工作区，禁止储能电池组放电，只允许其充电，则有：
S5-1、当PB＜0时，令平滑时间常数τc=k1[SOCmin-SOC(t)]+τ0，使储能电池组多充电；
S5-2、当PB＞0时，令平滑时间常数τf=0，防止储能电池组过放。
优选的，所述SOC主动调节器采用模糊控制算法，通过修正储能电池的出力PB-ref，实现储能电池组在SOC过高或过低时的主动调节控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明提供的一种能量枢纽的综合能源***，采用储能平滑控制策略，以使储能电池组平抑风电和太阳能发电输出功率的波动，兼顾储能电池组的蓄电池的使用寿命，所述的储能平滑控制策略是在现有的低通滤波平滑控制策略的基础上，进行SOC可变时间常数的控制，并引入模糊控制SOC主动调节器，提高SOC的自动调节能力，减少储能电池组SOC的越限情况。
2、本发明提供的一种能量枢纽的综合能源***，将风力发电和太阳能发电作为整个供电***的能源来源，风力发电***的原理就是先将风能装换成机械能，然后机械能驱动发电机，最后发电机输出交流电，交流电通过AC/DC整流器处理后得到直流电，再通过DC/DC变换器得到平稳的电压，太阳能电池板将太阳能吸收转换为直流电，通过DC/DC变换器得到平稳的电压，分控单元将得到的电能供应给负载组，若在满足负载组正常工作的情况下，同时电能还有盈余，那么盈余的电能都存储到储能电池组中，当储能电池组中的蓄电池组电池充满时，通过卸荷电路将多余的电能卸荷掉，避免对设备造成损害。
3、本发明提供的一种能量枢纽的综合能源***，在发电单元的出口处集中配置储能电池组，可以更好的利用风力发电机群自身的广域平滑作用以及风电和光伏发电天然的互补性，还可以降低所需储能的容量，节约成本。
附图说明
图1是本发明一种能量枢纽的综合能源***结构示意图。
图2是本发明一种能量枢纽的综合能源***的控制单元示意图。
图3是本发明一种能量枢纽的综合能源***的控制单元电路示意图。
图4是本发明一种能量枢纽的综合能源***的控制器示意图。
图5是本发明一种能量枢纽的综合能源***的储能平滑控制策略示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
结合图1，一种能量枢纽的综合能源***，包括发电单元、储能电池组和控制单元，所述发电单元的出口处配置储能电池组，所述发电单元通过馈线连接至母线，所述发电单元包括由光伏阵列和风力发电机组组成的风-电、光-电互补供电***，所述控制单元对储能电池组的工作状态进行切换和调节，保护储能电池组过冲与过放，同时对发电单元进行功率跟踪。
所述风力发电机组的输出端设有卸荷电路，用作风力发电机的保护电路。
所述储能电池组是由两层储能组成的混合储能电池组，其中第一层储能组主要用于平滑快速波动的功率分量，适合用快速响应的储能，如飞轮储能、超级电容器储能、超导储能和一些化学电池储能，第二层储能组主要用于平滑波动速度较慢的功率分量，适合用慢速响应的储能，如抽水蓄能储能、压缩空气储能、热储能和部分化学储能。
将风力发电和太阳能发电作为整个供电***的能源来源，风力发电***的原理就是先将风能装换成机械能，然后机械能驱动发电机，最后发电机输出交流电，交流电通过AC/DC整流器处理后得到直流电，再通过DC/DC变换器得到平稳的电压，太阳能电池板将太阳能吸收转换为直流电，通过DC/DC变换器得到平稳的电压，分控单元将得到的电能供应给负载组，若在满足负载组正常工作的情况下，同时电能还有盈余，那么盈余的电能都存储到储能电池组中，当储能电池组中的蓄电池组电池充满时，通过卸荷电路将多余的电能卸荷掉，避免对设备造成损害。
实施例2
结合图1-4，所述风力发电机组产生的电能通过风能发电电路中的交直流转换电路，在控制器的单片机的控制下，转换成对储能电池组充电的电能，并供给给负载；所述光伏阵列产生的电能通过光能发电电路中的直流稳压器电路，在控制器的单片机的控制下，转换成对储能电池组充电的电能，并供给给负载。
所述控制单元的控制器包括电压检测电路模块和电流检测电路模块，所述风力发电机组发出的电能经过三相整流输出直流电，作为双输入电路的一路，所述光伏阵列发电作为另一路，经过双输入Boost电路变为稳定的直流电供给储能电池组和负载。
所述控制单元的工作步骤如下：
1）通过DC/DC转换器将发电单元的输出电压控制在最大功率点电压，实现对发电单元的最大功率输出；
2）将电能输送给储能电池组或负载；
3）通过储能电池组的充放电电路实现对储能电池的控制，保证储能电池组的蓄电池不会因为过充过放影响其寿命。
实施例3
结合图5，所述控制单元的控制器采用储能平滑控制策略，在低通滤波平滑控制策略的基础上，对储能电池组的荷电状态实行可变时间常数的控制，并引入模糊控制，提高SOC的自动调节能力，所述的储能平滑控制策略是在现有的低通滤波平滑控制策略的基础上，进行SOC可变时间常数的控制，并引入模糊控制，提高SOC的自动调节能力，减少储能电池组SOC的越限情况。
所述的储能平滑控制策略包括如下步骤：
A1、根据储能电池组的容量，在线实时调节一阶低通滤波器的平滑时间常数τ；
A2、发电单元总的功率输出值Pwp经过一阶低通滤波后，根据PB=P0-Pwp计算得到储能电池组出力的给定参考值PB-ref，从而得出平滑后的并入配电网的功率值P0；
A3、加入SOC主动调节器，当发电单元的功率变化率较小时，在变时间常数的滤波器后加上一个功率调整量ΔPB，使储能电池组更快的恢复到合理范围，延长电池的使用寿命，改善平滑控制效果。
本发明的控制单元通过对储能电池组的蓄电池的充放电来改变风电和光伏发电输出功率的幅值，使注入配电网的功率更加平稳，基于低通滤波原理的储能平滑控制策略中，定时间常数的低通滤波控制中，低通滤波之后储能电池组的目标输出功率P0满足：
P0=[1/（1+τs）]×Pwp；其中Pwp为风电和光伏发电总的输出功率，τ为储能电池组的平滑时间常数，s为微分算子；
根据功率平衡有PB=P0-Pwp，PB为储能电池组吸收或放出的功率，当PB＞0时，储能电池组放出功率，当PB＜0时，储能电池组吸收功率；
在tk=kt（k=1,2,3…n）时刻，有：
P0(k)=[τ/(τ+t)]×P0(k-1)+[t/(τ+t)]×Pwp(k)，P0(k)和P0(k-1)分别表示储能电池组在kt时刻和(k-1)t时刻注入电网的功率，Pwp(k)为kt时刻风电和光伏发电总的输出功率；
则有P0(k)-P0(k-1)=tPB(k)/τ，因此平滑时间常数τ的范围为：
τ≥∣tPB(k)/ΔPB∣。
设储能电池组的容量为EB，则有：
EB(k)=[τtPwp(k)+τEB(k-1)]/(τ+t)，EB(k)和EB(k-1)分别表示储能电池组在kt时刻和(k-1)t时刻的电量。
设SOChigh为储能电池组安全工作区的最高荷电状态，SOClow为储能电池组安全工作区最低荷电状态，SOCmax为储能电池组SOC较高区临界值，SOCmin为储能电池组SOC过充区临界值，基本的低通滤波平滑控制策略的时间常数为τ0，τc为储能电池组充电的时间常数，τf为储能电池组放电的时间常数，k1、k2、k3分别表示在不同区间平滑时间常数的变化率，则有：
S1、当SOCmax≤SOC(k)＜100%时，储能电池组工作SOC进入过充区间，为单向工作区，禁止储能电池组充电，只允许其放电，且有：
S1-1、当PB＜0时，令平滑时间常数τc=0，防止储能电池组过充；
S1-2、当PB＞0时，令平滑时间常数τf=k1[SOC(t)-SOCmax]+τ0，储能电池组放电；
S2、当SOChigh≤SOC(k)＜SOCmax时，为SOC较高区间，储能电池组少充电，多放电，则有：
S2-1、当PB＜0时，令平滑时间常数τc=k2[SOC(t)-SOChigh]+τ0，限制储能电池组充电；
S2-2、当PB＞0时，令平滑时间常数τf=k3[SOC(t)-SOChigh]+τ0，储能电池组多放电；
S3、当SOClow＜SOC(k)＜SOChigh时，为SOC安全工作区，平滑控制策略按照定时间常数的低通滤波控制策略来处理，令τc=τf=τ0，减小储能电池组的出力；
S4、当SOCmin＜SOC(k)≤SOClow时，为SOC较低区间，储能电池组多充电，少放电，则有：
S4-1、当PB＜0时，令平滑时间常数τc=k3[SOClow-SOC(t)]+τ0，使储能电池组多充电；
S4-2、当PB＞0时，令平滑时间常数τf=k2[SOClow-SOC(t)]+τ0，限制储能电池组放电；
S5、当0%＜SOC(k)≤SOCmin时，进入SOC过放区间，为单向工作区，禁止储能电池组放电，只允许其充电，则有：
S5-1、当PB＜0时，令平滑时间常数τc=k1[SOCmin-SOC(t)]+τ0，使储能电池组多充电；
S5-2、当PB＞0时，令平滑时间常数τf=0，防止储能电池组过放。
所述SOC主动调节器采用模糊控制算法，通过修正储能电池的出力PB-ref，实现储能电池组在SOC过高或过低时的主动调节控制。
本发明提出的控制策略，充分考虑储能电池的SOC，避免了电池的过充与过放，还利用模糊控制算法设计了SOC主动调节器，能够使储能电池的SOC在处于极端状态时快速地恢复到合理的范围，提高了储能电池的使用寿命。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的保护范围内所做的任何修改，等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种能量枢纽的综合能源***，其特征在于：包括发电单元、储能电池组和控制单元，所述发电单元的出口处配置储能电池组，所述发电单元通过馈线连接至母线，所述发电单元包括由光伏阵列和风力发电机组组成的风-电、光-电互补供电***，所述控制单元对储能电池组的工作状态进行切换和调节，保护储能电池组过冲与过放，同时对发电单元进行功率跟踪；
所述控制单元的控制器采用储能平滑控制策略，在低通滤波平滑控制策略的基础上，对储能电池组的荷电状态实行可变时间常数的控制，并引入模糊控制，提高SOC的自动调节能力。
2.根据权利要求1所述的一种能量枢纽的综合能源***，其特征在于：所述风力发电机组的输出端设有卸荷电路，用作风力发电机的保护电路。
3.根据权利要求1所述的一种能量枢纽的综合能源***，其特征在于：所述储能电池组是由第一层储能组和第二层储能组组成的混合储能电池组，所述第一层储能组用于平滑快速波动的功率分量，所述第二层储能组用于平滑波动速度较慢的功率分量。
4.根据权利要求1所述的一种能量枢纽的综合能源***，其特征在于：所述控制单元的控制器包括电压检测电路模块和电流检测电路模块，所述风力发电机组发出的电能经过三相整流输出直流电，作为双输入电路的一路，所述光伏阵列发电作为另一路，经过双输入Boost电路变为稳定的直流电供给储能电池组和负载。
5.根据权利要求1所述的一种能量枢纽的综合能源***，其特征在于：所述风力发电机组产生的电能通过风能发电电路中的交直流转换电路，在控制器的单片机的控制下，转换成对储能电池组充电的电能，并供给给负载；
所述光伏阵列产生的电能通过光能发电电路中的直流稳压器电路，在控制器的单片机的控制下，转换成对储能电池组充电的电能，并供给给负载。
6.根据权利要求1所述的一种能量枢纽的综合能源***，其特征在于：当控制单元的控制器检测到发电单元的接入点电压高于接入点允许最低电压时，进入并网运行模式，当控制单元的控制器检测到发电单元的接入点电压低于接入点允许最低电压时，进入孤岛运行模式。
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