混合儲能系統的能量管理策略的制作方法
【專利摘要】本發明公開了混合儲能系統的能量管理策略，涉及微電網混合儲能系統的能量管理策略，屬于微電網儲能的技術領域。能量管理策略包含三次功率分配過程，在保證混合儲能系統功率不變的前提下，首先將儲能系統功率預分配給蓄電池和超級電容，接著根據預蓄電池與超級電容之間流動的功率值在預分配的基礎上進行二次功率分配，最后考慮儲能單元充放電限制約束在二次分配的基礎上進行最終分配，充分發揮各儲能單元的特性，使各儲能單元之間形成優勢互補，從而提高儲能系統的性能。
【專利說明】
混合儲能系統的能量管理策略
技術領域
[0001] 本發明公開了混合儲能系統的能量管理策略，涉及微電網混合儲能系統的能量管 理策略，屬于微電網儲能的技術領域。
【背景技術】
[0002] 為了避免大電網帶來的各種問題，如:大電網在電力負荷增加時，相應輸電線路容 量的增加導致電網可靠性降低;遠距離輸電線路受到局部干擾時給大電網帶來的沖擊使得 系統的穩定性不能可靠保證。大電網采用集中式發電，不夠靈活，偏遠地區供電難，電網建 設成本高等，分布式發電得到了發展。分布式發電的能源多為太陽能、風能等清潔、可再生 能源，有利于環境保護。分布式發電的優點雖然很多，但是也存在一些問題。太陽能和風能 作為能源是不穩定的，可控性差，比如在無光或者無風的時候，發電系統就不能夠正常工 作，會對大電網造成不可估量的影響。
[0003] 為了協調大電網和分布式發電的矛盾，人們提出了微電網的概念。微電網由分布 式電源、儲能系統、負荷、與大電網連接的電力電子變換器和控制系統組成。微電網易于控 制，能夠根據負荷的改變靈活調節發電量，可靠性高，可以并網運行，也可以獨立運行。儲能 作為微電網的重要組成部分，起著至關重要的作用。
[0004] 儲能系統可以實現穩定供電，當微電網負荷增大時，儲能系統可以為負荷供電；當 負荷減少時，儲能系統可以存儲分布式發電單元的多余電能，這樣可以有效地減少分布式 發電單元的容量要求。實際應用對于儲能系統的要求是很多的。首先，儲能系統應當具有一 定的能量密度，可以存儲足夠的能量用于較長時間的供電；其次，儲能系統應當具有一定的 功率密度，以應對外部特定時刻的大功率充放電要求;此外，在分布式能源波動較大時，為 了始終給負載提供穩定供電，儲能系統需能夠平抑這部分功率波動。考慮實際工程因素，任 何一種單一的儲能方式都難以完全滿足儲能系統的這些要求。因此，混合儲能系統就成為 了研究的熱點，其中由蓄電池與超級電容組成的混合儲能系統得到了許多人的青睞。蓄電 池能量密度大，但功率密度小，且蓄電池不宜頻繁充放電和大功率充放電;超級電容能量密 度雖然小，但具有很大的功率密度，循環壽命長。二者具有很強的互補作用，由蓄電池與超 級電容組成的混合儲能系統可以很好的滿足實際應用中儲能系統的各種要求。
[0005] 為了充分發揮二者的互補關系，并能夠對二者實施有效的充放電控制，一個可靠 有效的能量管理策略是必不可少的。現有的一些能量管理策略多為考慮蓄電池電荷量和超 級電容電荷量對儲能系統能量進行一次分配，且通過分別控制各儲能單元側變換器實現充 電、放電、開、關的狀態切換以實現能量控制，而在這些狀態間切換時需要通過繁瑣的控制 邏輯來使各狀態穩定過渡并協調各儲能單元配合工作。

【發明內容】

[0006] 本發明的發明目的是針對上述【背景技術】的不足，提供了本發明公開了混合儲能系 統的能量管理策略，根據蓄電池和超級電容之間流動的功率值以及儲能單元充放電極限， 在不影響儲能系統外部特性的前提下為儲能單元動態分配功率，解決了現有能量管理策略 控制邏輯復雜且沒有充分利用儲能單元之間的互補優勢的技術問題。
[0007] 本發明為實現上述發明目的采用如下技術方案：
[0008] 混合儲能系統的能量管理策略，包括如下三次功率分配過程：
[0009] 功率預分配過程:為蓄電池和超級電容預分配功率；
[0010] 第二次功率分配過程:在保證混合儲能系統功率不變的前提下，以平衡功率給定 值為預分配功率的偏置量對預分配功率進行第二次分配；
[0011] 第三次功率分配過程:在保證混合儲能系統功率不變的前提下，考慮蓄電池充放 電限制和超級電容充放電限制的約束對第二次分配的功率進行第三次分配。
[0012] 作為所述混合儲能系統的能量管理策略的進一步優化方案，功率預分配過程具體 為:給蓄電池分配混合儲能系統功率的低頻分量作為預分配功率，蓄電池預分配功率p blS:
，給超級電容分配混合儲能系統功率的高頻分量以及沖擊功率作為預分配 功率，超級電容預分配功率Pd為：-，PhESS為混合儲能系統功率， ts為時間常數，S為拉普拉斯算子。
[0013] 進一步的，所述混合儲能系統的能量管理策略的第二次功率分配過程結束后，蓄 電池二次分配功率?62為必2 = ?1)1+口(^5￡1'(0。），超級電容二次分配功率?。2為:？。2 = ?冊55^^2， Q。為超級電容電量，P〇fFSET(Q。)為平衡功率給定值，平衡功率給定值與超級電容電量有關。
[0014] 再進一步的，所述混合儲能系統的能量管理策略的第三次功率分配過程結束后，
[0015] 蓄電池三次分配功率Pb3為：
[0016]
[0017] 超級電容三次分配功率Pc3為：
[0018]
[0019 ] 其中，pbmax、pbmin為蓄電池充放電上下限，pcmax、p cmin為超級電容充放電上下限。
[0020] 作為所述混合儲能系統的能量管理策略的更進一步優化方案，平衡功率給定值為 蓄電池和超級電容之間流動的功率值，蓄電池和超級電容之間流動的功率值通過對超級電 容荷電狀態進行偏置電流計算確定。
[0021] 本發明采用上述技術方案，具有以下有益效果：
[0022] (1)能量管理策略包含三次功率分配過程，在保證混合儲能系統功率不變的前提 下，首先將儲能系統功率預分配給蓄電池和超級電容，接著根據預蓄電池與超級電容之間 流動的功率值在預分配的基礎上進行二次功率分配，最后考慮儲能單元充放電限制約束在 二次分配的基礎上進行最終分配，充分發揮各儲能單元的特性，使各儲能單元之間形成優 勢互補，從而提高儲能系統的性能；
[0023] (2)本發明僅用一個處理器即可實現能量管理策略，各儲能單元公用該處理器形 成的控制外環使得各儲能單元側的變換器能夠協同控制，考慮儲能單元充放電限制的約束 加入的動態限幅環節根據儲能單元荷電量調節功率閥值，不同于通過開關儲能單元以調節 功率的傳統方式，使儲能單元間可協同工作，合理分配響應功率，并能夠在各狀態間進行平 滑過渡，免去了繁瑣的邏輯切換，保證了各儲能單元正常穩定的運行，改善了儲能單元的工 作狀態，提高了儲能單元的壽命；
[0024] (3)能量管理策略中平衡功率的存在，可最盡可能保證超級電容的電量處于期望 狀態，減小了系統中超級電容的容量配置。
【附圖說明】
[0025]圖1為混合儲能系統結構示意圖。
[0026] 圖2為儲能單元荷電狀態示意圖，其中，Qb_max、Qb_min為蓄電池的電荷量上下限， Qb_high、Qb_low為蓄電池正常狀態下電荷量的上下限，Qcjnax、Qc+min為超級電容的電荷量上下 限，為超級電容正常狀態下電荷量的上下限，Qmf為超級電容期望電荷量， Qc-ref-max、Qc-ref-min為超級電容期望電荷量的上下限。
[0027] 圖3為儲能單元不同電量下充放電限值示意圖，其中，i表示儲能單元的電流，i為 正表示放電，i為負表示充電，Q表示儲能單元電量值，陰影部分表示儲能單元工作范圍。
[0028] 圖4為超級電容不同電量下期望的給定電流值。
[0029]圖5為混合儲能系統能量管理策略控制框圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面結合附圖對發明的技術方案進行詳細說明。
[0031] 由圖1所示的混合儲能系統，由蓄電池與超級電容作為儲能單元，并分別經由雙向 直流變換器接入直流電網，二者共同響應儲能系統的充放電要求。能量管理策略的任務就 是協調蓄電池與超級電容合理分配充放能量，保護儲能單元正常穩定工作，并能夠使儲能 系統快速準確的響應外部的充放電要求。
[0032] 蓄電池能量密度大、功率密度小、循環壽命短、充放電效率低，不適合用于大功率 充放電和頻繁的充放電。而超級電容恰恰相反，超級電容功率密度大、能量密度小、循環壽 命長、充放電效率高，主要運用于循環充放電場合和大功率充放電場合，但是由于其能量密 度低的特點，若要使其提供蓄電池相同的能量，則需要的體積和重量要比蓄電池大得多。通 過將蓄電池與超級電容混合使用，不僅可以提高儲能系統的功率輸出能力、降低損耗，還能 夠減小蓄電池的充放電次數，延長蓄電池的壽命。
[0033] 根據蓄電池與超級電容的特性，混合儲能應當由蓄電池提供主要能量，超級電容 提供波動能量與沖擊能量。使用低通濾波器對混合儲能系統功率Phess進行濾波，將濾波后 得到的低頻部分作為蓄電池預分配功率P bl，然后將剩余的高頻部分以及沖擊功率交由超級 電容補償得到超級電容預分配功率Pcl。這樣就完成了混合儲能系統功率Phess在蓄電池和超 級電容之間的預分配：
[0034]
[0035]
[0036] 式中，ts為低通濾波器的時間常數，根據蓄電池實際需要進行選取；s為拉普拉斯 算子。
[0037] 根據蓄電池與超級電容的荷電狀態將二者的工作狀態作圖2的劃分。蓄電池的工 作狀態分為禁止充電狀態，電量充足狀態，電量正常狀態，電量過低狀態，禁止放電狀態這 五種狀態。超級電容的工作狀態與蓄電池的工作狀態基本相似，只是在電量正常狀態中增 加了期望電量狀態。
[0038] 在本混合儲能系統中，希望超級電容的電量一直維持在期望電量范圍內。超級電 容提供或者吸收了儲能系統的峰值功率，偏離了期望電量范圍時，可以以最快的速度恢復 到該電量區域，以應對下一次的功率沖擊。通過這種方法可以充分利用超級電容的容量，并 盡可能的減小對超級電容容量的配置。為使超級電容的電量盡快恢復至期望范圍，采用對 預分配電流值進行偏置的方法，在滿足外部充放電要求的情況下，以最大充放能力對超級 電容進行充放電，即進行功率的第二次分配：
[0039]
[0040]
[0041 ]式中，pQFFSET( Q。)為功率偏置值，即為蓄電池和超級電容之間流動的功率值，該值 是動態變化的并且與超級電容的電量值Q。有關，在超級電容電量值偏離期望值較大時，該 偏置值為系統可提供的最大偏置值，而在超級電容逐漸接近期望值時，該偏置值逐漸減小， 直至為(LpoffseKQc)首先根據超級電容電量值Q c計算偏置電流值，然后對偏置電流值進行低 通濾波得到。Pb2為蓄電池二次分配功率，P c2為超級電容二次分配功率。圖4為二次功率分配 后超級電容的期望給定值。
[0042]為使儲能單元正常穩定的工作，保證儲能單元的壽命，對儲能系統的保護措施是 必不可少的。儲能單元工作在禁止充電狀態時，限制儲能單元的充電電流為〇;當儲能系統 工作在電量充足狀態時，限制儲能單元的充電電流，以達到恒壓充電的效果；當儲能單元工 作在電量正常狀態時，充放電電流限制值即為最大充放電電流值；當儲能系統工作在電量 過低狀態時，逐步減小放電電流值限制；當儲能單元工作在禁止放電狀態時，限制儲能單元 放電電流為0。該動態限幅示意圖如圖3所示。通過以上限制可保證儲能單元不至于過充或 者過放，也不會出現充放電電流過大的情況。因此在功率二次分配的基礎上應再結合各儲 能單元的充放電限值對功率進行最終的分配：
[0043]
[0044]
[0045] Pb3為蓄電池三次分配功率，Pc3為超級電容三次分配功率。
[0046] 因為二次功率的分配最終是受到各儲能單元的充放電限值的限制的，所以最終實 際的偏置電流值有些情況下是達不到期望的電流偏置值的，但是其始終是以最大能力接近 期望偏置值，即以最大能力使超級電容的電量恢復期望值。
[0047] 綜上所述，蓄電池與超級電容所組成的混合儲能系統的能量管理策略的控制框圖 如圖5所示，具體實現方法如下：
[0048] (1)采用低通濾波器對混合儲能系統功率Phess進行預分配:其中，混合儲能系統功 率低頻分量由蓄電池提供，混合儲能系統功率高頻分量以及沖擊功率由超級電容提供，預 分配給蓄電池的功率記為Pbl，預分配給超級電容的功率記為Pcl;
[0049] (2)根據超級電容荷電狀態Q。計算出儲能系統內部平衡功率給定值pQFFSET(Q。），即 蓄電池與超級電容之間流動的功率值，從而保證超級電容電量始終處于或趨于期望的電量 值，該電流值的大小不會影響儲能系統的外部特性，將平衡功率給定值作為預分配功率值 的偏置量，在保證總功率不變的前提下，進行功率的二次分配，實現功率在儲能系統內部的 流動，第二次分配給蓄電池的功率記為P b2,第二次分配給超級電容的功率記為Pc2,為防止 偏置值給蓄電池電流帶來波動，對偏置電流計算后的平衡功率進行低通濾波后再與預分配 給蓄電池的功率Pbi累加；
[0050] (3)根據蓄電池與超級電容各自的荷電狀態Qb和Q。計算出各自的充放電限值，實現 動態限幅，即在不同荷電狀態下對儲能單元充放電電流大小的限制，根據各儲能單元的充 放電限值，結合二次分配的功率值，對儲能系統的功率值進行最終分配，第三次分配給蓄電 池的功率記為p b3，第三次分配給超級電容的功率記為pc3。
【主權項】
1. 混合儲能系統的能量管理策略，其特征在于，包括如下三次功率分配過程： 功率預分配過程:為蓄電池和超級電容預分配功率； 第二次功率分配過程:在保證混合儲能系統功率不變的前提下，以平衡功率給定值為 預分配功率的偏置量對預分配功率進行第二次分配； 第三次功率分配過程:在保證混合儲能系統功率不變的前提下，考慮蓄電池充放電限 制和超級電容充放電限制的約束對第二次分配的功率進行第三次分配。2. 根據權利要求1所述混合儲能系統的能量管理策略，其特征在于，所述功率預分配過 程具體Al?混合儲能系統功率的低頻分量作為預分配功率，蓄電池預分配功 率Pb1S 1給超級電容分配混合儲能系統功率的高頻分量以及沖擊功率作 為預分配功率，超級電容預分配功率Pd為，Phess為混合儲能系 統功率，ts為時間常數，s為拉普拉斯算子。3. 根據權利要求2所述混合儲能系統的能量管理策略，其特征在于，第二次功率分配過 程結束后，蓄電池二次分配功率?62為必2 = ?1)1+口(^￡1'(0。），超級電容二次分配功率?。2為:？。2 = PHESS-Pb2, Qc為超級電容電量，Pqffset(Qc)為平衡功率給定值，平衡功率給定值與超級電容 電量有關。4. 根據權利要求3所述混合儲能系統的能量管理策略，其特征在于，第三次功率分配過 程結束后， 蓄電池三次分配功率Pb3為： 超級電容三次分I其中，Pb^ax、Pbjin為蓄電池充放電上下限，Pc^ax、Pqin為超級電容充放電上下限。5. 根據權利要求1至4中任意一項所述混合儲能系統的能量管理策略，其特征在于，所 述平衡功率給定值為蓄電池和超級電容之間流動的功率值，蓄電池和超級電容之間流動的 功率值通過對超級電容荷電狀態進行偏置電流計算確定。
【文檔編號】H02J3/32GK105896581SQ201610356376
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月25日
【發明人】高宇, 卜飛飛, 黃文新
【申請人】南京航空航天大學