【《一种新的蓄电池和超级电容混合储能系统的能量管理方案设计案例》5500字】

一种新的蓄电池和超级电容混合储能系统的能量管理方案设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u2291一种新的蓄电池和超级电容混合储能系统的能量管理方案设计案例 1225671.1混合混能系统控制策略 1109921.1.1直流母线电压控制策略 197491.1.2混合储能系统功率分配 3317681.1.3双向DC/DC变换器控制策略 4322371.2混合储能系统限值管理策略 677481.2.1传统限值管理策略 6305691.2.2基于超级电容SOC分区限值管理策略 7313391.3小结 9整个储能系统对于能量的释放和吸收没有一个固定的规律，主要是因为光伏发电受外部环境因素的影响较大，而且具有多变和间断的缺陷，所以为了有效合理调度和管理改善混合储能系统，亟待找到一种合适的能量管理策略。在微电网正常工作状态下，储能装置常常因为本身容量的约束导致设备内部的能量状态不在自身允许的上下界限内，进而致使整个微电网系统正常稳定的运行不能长远。在微电网运行过程中，想要使得各单元达到实时功率平衡的目的，避免出现因储能设备自身容量限制导致的深度放电或过度放电问题对实现微电网内功率平衡任务产生影响，找到一种合理的优化调度对整个储能系统而言就显得异常关键[本章的主要内容是基于双向DC/DC变换器，对基于储能设备荷电状态（）的能量管理策略进行研究。在直流微电网系统内光伏输出功率波动或负载功率发生较大突变时，通过低通滤波对蓄电池与超级电容承担的功率进行初次分配。由蓄电池承担平滑部分，降低了它们在充电循环的情况下被连续使用的充电频率，优化充放电过程；由于超级电容具有大功率、响应快等特点，根据其特性使其负责功率波动的部分，这种做法还可以有效解决超级电容容量小的问题。在系统正常运行的时候，根据现有的储能设备，再次调整混合储能系统的功率分配，以避免储能单元的深度充电和放电。基于原有的储能系统限值管理，着重研究了一种以超级电容分区限值为基础的能量管理策略。最后经过仿真检测验证了此策略在实践中的有效。1.1混合混能系统控制策略1.1.1直流母线电压控制策略图1.1为本文研究的光储直流微电网结构图，且在图中明确标注了正方向为流向直流母线的方向。系统工作在孤岛运行的状态，可以方便我们对混合储能系统能量管理策略的研究。图1.1光储直流微电网结构衡量直流微电网是否处于正常运行状态的一项重要指标是直流母线电压，是因为在直流微电网系统中即没有无功功率的流动，也不用控制交流系统中的频率、相位。只有直流母线电压稳定，才能平衡系统内各单元功率。当系统在孤岛运行状态工作的时候，系统内各单元的功率关系为式1.1。Pdc=Ppv式中，udc为直流母线电压；Pdc为维持母线电压稳定所需功率；Ppv为光伏电池发出功率；Phess为储能系统所承担功率；Pbat为蓄电池吸收/释放功率，Pbat>0表示蓄电池放电，Pbat<0表示蓄电池充电；P将直流母线上对应的有效电流表示为：idc=Cdc根据式(1.2)可得，当直流储能电容放电(idc<0)时，udc下降；当直流储能电容充电(idc>0)时，udc上升。图1.2直流母线电压控制器首先，直流母线参考电压udc_ref和实际的直流母线电压udc做差，之后再将此误差信号经由PI调节器得到母线参考电流idc_ref。当udc<udc_ref时，PI调节器控制输出正的idc_ref，此时对储能电容进行充电；当udc>udc_ref时，PI调节器控制输出负的1.1.2混合储能系统功率分配本文提出来一种控制策略，可以优化整个微电网系统的运行状态，具体内容是：将低频和高频的功率成分分离，控制蓄电池吸收或释放低频功率，超级电容吸收或释放高频功率，这可以抑制负载突变或者光伏发电量突变对直流母线造成的冲击[]。为实现系统功率平衡和直流母线电压稳定的状态，功率分配模块不仅可以实现对光伏系统负载功率和输出功率的持续测量，还可以将储能系统出力的参考值通过数据计算出来，储能系统还能够快速做出反应来应对系统内功率的变化，维持整个系统的功率平衡。超级电容与蓄电池承担功率分配的时候需要低通滤波器（LPF）。根据蓄电池与超级电容各自的不同功能特性，让蓄电池承担功率变化低频的部分，超级电容承担高频功率波动的部分。一阶低通滤波器的传递函数为：Hs=11+Ts式中，T为滤波器的时间常数；s为微分算子。将s=jω代入，得到一阶低通滤波器的频率特性函数与幅频特性函数分别为：Hω=11+jωT|Hω|=11+一阶低通滤波器的幅频特性曲线如图1.3所示。图1.3一阶低通滤波器幅频特性由图1.3的幅频特性可以看出低通滤波器对高频信号的通过有很强的抑制作用，低频信号更容易通过。其中ωc=1T是一阶低通滤波器的的截止频率。当滤波时间常数T数值越大，截止频率随着减小，也就是允许通过该滤波器根据直流微电网各单元功率关系与低通滤波器的原理，蓄电池与超级电容功率分配如图1.4所示。图1.4储能系统功率分配图根据式（1.1）得到混合储能系统承担的功率：Phess=Pbat蓄电池承担的参考功率就是把混合储能系统承担的功率PhessPbat_ref=11+Ts式中，滤波时间常数T可根据蓄电池需要平抑功率波动的频带确定。储能系统承担功率PhessPsc_ref=Phess把蓄电池承担功率的参考值Pbat_ref与它的端电压ubat相比就可以得到蓄电池充放电电流的参考值ibat_ref，同理，利用蓄电池承担功率的参考值Pbat_ref和它的充放电电流的参考值isc_ref，也就可以得到超级电容的充放电电流的参考值ibat_ref，然后1.1.3双向DC/DC变换器控制策略选择合理有效的储能装置斤进行充放电的控制方式，有利于增强储能系统的可靠性和系统效率。双向DC/DC变换器常用基础控制策略[]为：单环恒流控制与电压外环电流内环双环控制。图1.5与图图1.5恒流控制结构框图图1.6电压电流双环控制框图端电压的变化在蓄电池处于正常工作状态时是比较慢的，可以通过控制充放电电流的方式控制功率；此外由于开关管的开关频率很高，在一个周期内超级电容两端的电压也基本保持恒定，所以可通过控制超级电容的的工作电流实现对其充放电控制。为了降低整个工程的难度，将采用恒流控制的方式。因此，结合课题研究的内容选用单电流环充放电控制方式，以达到储能系统的功率吸收与输出的目的。利用双向DC/DC变换器，对比储能单元充放电参考电流iref和实际工作电流i，产生的误差送入电流PI控制器，同时需要对PI控制器的输出进行限幅，限制储能元件工作电流，以免损坏开关管。PI控制器输出值经脉宽调制(PWM)电路产生驱动脉冲，控制双向DC/DC变换器中开关管T1、T2图1.7双向DC/DC变换器控制策略为了有效防止双向DC/DC桥臂之间的直通，同时充分考虑到频繁的操作模式切换会不利于系统的可靠稳定运行，影响储能单元的使用寿命。因此采用具有如图1.8所示特性的比较器来确定储能装置的工作方式。其中，iup、i图1.8工作模式选择比较器当iref<idown时，要求储能装置吸收功率，比较器2输出逻辑值0，锁闭开关管当idown当iref>iup时，要求储能单元放电，比较器1输出逻辑值0，锁闭开关管T1双向DC/DC变换器工作模式选择方式与比较器间逻辑关系如表3-1所示。表3-1双向DC/DC变换器工作模式选择方式比较器1输出逻辑值比较器2输出逻辑值双向DC/DC工作模式i10Buck模式i00停机i01Boost模式1.2混合储能系统限值管理策略1.2.1传统限值管理策略蓄电池长期深度的充电或者放电可能会对它们在整个循环中的使用寿命产生很大影响，所以我们就需要对蓄电池中剩余的能量进行有效的管理，避免蓄电池长期过度充电或过度放电。超级电容的过度充放电也会出现相应的问题，因此对于超级电容需要寻找一种合理的限值管理方案实现对超级电容器内能量的管理。图1.9为传统限值管理办法。图1.9传统限值管理办法在图1.9中，左侧表示充电区，右侧表示放电区。当储能元件SOC低于最小限值SOCmin时，储能元件只充电不放；当储能元件SOC高于最大限值SOCmax时，储能元件只放不充。以往采用的限值管理主要是通过约束储能元件的SOC的上下限，避免储能元件达到过充与过放状态，达到延长储能元件寿命的目的。1.2.2基于超级电容SOC分区限值管理策略超级电容是一种功率型储能器件，由于它的储能容量较低。如果选择采用之前的限值管理方法，整个系统的稳定度就难以保证，因为在连续进行充放电的过程中，超级电容往往总是会有达到限制充放电的限值的问题，使得超级电容投切频率特别频繁。因此，考虑到超级电容的这种特性，对其在工作过程中进行合理的能量管理与限值管理十分必要。本文在传统限值管理的基础上，研究了基于超级电容SOC分区限值管理策略。根据低通滤波器的工作原理我们可以知道，滤波时间常数T的大小与低通滤波器的通带密切相关。当滤波时间常数越大时，低通滤波器的通带就越窄，这将导致储能系统承担功率Phess经过滤波后得到的蓄电池承担功率Pbat_ref越平滑，进而致使超级电容承担的功率增加；当T越小时，低通滤波器的通带就会越宽，则Phess经过滤波后得到的Pbat_ref与Phess越能保持一致性，进而实现超级电容承担功率减少。综上可以通过调整滤波时间常数T的大小改变低通滤波器功率分配比例。设置T0为初始滤波时间常数，∆T为滤波时间常数T的增量，经过限值管理后的滤波时间常数为图1.10超级电容限值管理策略由图1.10可以看出∆T最大变化范围为Td。SOCsc_high、SOCsc_low根据图1.10可得超级电容器的工作区域共被划分为5个部分，其中实线部分表示Psc_ref>0即放电状态时∆T取值曲线，虚线部分表示Psc_ref（1）放电下限区：SOCsc<SOCsc_min若Psc_ref∆T=Td（若Psc_ref>0，则禁止超级电容器放电，由蓄电池承担Pbat_ref=Phess（2）放电警戒区：SOCsc_min≤SOCsc若Psc_ref∆T=SOCsc−SOCsc_low若Psc_ref∆T=−SOCsc−SOC（3）正常工作区：SOC（4）充电警戒区：SOCsc_high≤SOCsc若Psc_ref∆T=−SOCsc−SOC若Psc_ref∆T=SOCsc−SOC（5）充电上限区：SOCsc若Psc_ref<0Pbat_ref=P若Psc_ref∆T=Td（在超级电容SOC分区的限值管理和改变传统分区利用低通滤波器分配功率的基础上，增加超级电容SOC反馈，当超级电容SOC处于不同分区时调节时间常数波T，从而实现对蓄电池与超级电容各自承担的功率的调整，其控制结构为图1.11。为保证整个系统的稳定性，减少超级电容在阈值附近工作区域切换的频率，在对分区进行判断时采用滞环比较的方式。图1.11混合储能系统能量管理1.3本章小结本章的研究重点是一种新的蓄电