本發(fā)明涉及光伏發(fā)電微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種獨(dú)立光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量控制方法，適用于光伏發(fā)電微電網(wǎng)中，穩(wěn)定直流母線電壓。

背景技術(shù)：

光伏發(fā)電輸出功率具有間歇性、隨機(jī)性和波動(dòng)性，為實(shí)現(xiàn)計(jì)劃功率的并網(wǎng)運(yùn)行，需要對(duì)光伏輸出的功率進(jìn)行有效控制。如僅通過光伏發(fā)電系統(tǒng)自身的調(diào)整會(huì)降低其功率利用率，也限制了能源利用的靈活性。為提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行能力，需利用儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)光伏輸出功率進(jìn)行平滑控制，進(jìn)而滿足并網(wǎng)運(yùn)行要求。由于鉛酸蓄電池的高能量密度與經(jīng)濟(jì)性等原因，在儲(chǔ)能系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。然而，蓄電池功率密度低，使用壽命短，不適合大功率充放電。超級(jí)電容器相比蓄電池有更高的功率密度與循環(huán)壽命，與蓄電池在性能上具有互補(bǔ)性。因此在光伏發(fā)電中，將此兩種儲(chǔ)能裝置作為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，缺乏一種混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量控制方法，能充分利用兩者的優(yōu)點(diǎn)，使系統(tǒng)獲得良好性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決光伏發(fā)電微網(wǎng)缺乏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量控制方法的問題，在考慮儲(chǔ)能設(shè)備荷電狀態(tài)的基礎(chǔ)上，提供了一種混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量控制方法，對(duì)光伏輸出功率平滑控制。

本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種獨(dú)立光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量控制方法，該獨(dú)立光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)包括蓄電池、超級(jí)電容器、光伏發(fā)電單元、直流母線以及直流負(fù)載，所述蓄電池和超級(jí)電容器分別通過各自的雙向dc/dc變換器連接于直流母線，所述光伏發(fā)電單元通過boost變換器連接于直流母線；所述雙向dc/dc變換器與boost變換器均由能量控制處理器控制，該光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量控制方法包括以下步驟：

一、計(jì)算混合儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)功率phess：

①采集直流母線電壓udc，cdc為已知固定直流儲(chǔ)能電容，應(yīng)用上位機(jī)計(jì)算維持母線電壓穩(wěn)定所需功率pdc：

②應(yīng)用上位機(jī)采集直流負(fù)載功率pload，應(yīng)用光伏發(fā)電單元兩端的電壓電流檢測(cè)模塊采集光伏發(fā)電功率ppv；

③將采集到的功率數(shù)據(jù)輸入能量控制處理器，計(jì)算儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)功率phess，

phess＝pdc+pload-ppv

二、根據(jù)計(jì)算得出的phess來分配蓄電池與超級(jí)電容器的功率：

①由于phess＝pbat+psc，pbat表示蓄電池吸收/釋放功率；psc表示為超級(jí)電容器吸收/釋放功率；將功率phess經(jīng)過能量控制處理器的一階低通濾波器，得到蓄電池和超級(jí)電容器的參考功率分別為：

其中，s為微分算子；t為濾波時(shí)間常數(shù)；

②通過蓄電池和超級(jí)電容器各自兩端的電壓電流檢測(cè)模塊采集荷電值soc，輸入能量控制處理器，根據(jù)二者的soc進(jìn)行限值管理，得到蓄電池和超級(jí)電容器的功率分配方式，其中socsc表示超級(jí)電容器的實(shí)際荷電值，socbat表示蓄電池的實(shí)際荷電值；socsc_high、socsc_low表示超級(jí)電容器的過度充電警戒值和過度放電警戒值；socsc_max、socsc_min分別表示超級(jí)電容器荷電狀態(tài)的上限與下限；socbat_max、socbat_min分別表示蓄電池荷電狀態(tài)的上限與下限，設(shè)定t0為初始濾波時(shí)間常數(shù)，δt為濾波時(shí)間常數(shù)t的增量，經(jīng)過限值管理后的濾波時(shí)間常數(shù)為t＝t0+δt；t0由需要平抑的光伏波動(dòng)功率決定(例如：一般需要平抑光伏波動(dòng)頻率為0.01hz以上,取t0＝50)；td與蓄電池和超級(jí)電容器容量配置有關(guān)，td的范圍為0＜td≤t0，在此范圍內(nèi)，若超級(jí)電容器配置容量較充裕，可適度增大td，使超級(jí)電容器承擔(dān)更多波動(dòng)功率的充放電；反之，若超級(jí)電容器配置容量小，可適度減小td使超級(jí)電容器承擔(dān)較少波動(dòng)功率的充放電(td的取值為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的或者可以通過有限的實(shí)驗(yàn)得到的)。設(shè)定td為δt最大變化范圍，δt的控制如下：

a.當(dāng)socsc＜socsc_min時(shí)，超級(jí)電容器限制放電，只允許充電，若psc_ref＜0，則δt＝td；若psc_ref＞0，禁止超級(jí)電容器放電，由蓄電池承擔(dān)所有輸出功率，即pbat_ref＝phess；

b.當(dāng)socsc_min＜socsc＜socsc_low時(shí)，使超級(jí)電容器減少放電量，增加充電量，減緩超級(jí)電容器socsc的下降；若psc_ref＜0，則若psc_ref＞0，則

c.當(dāng)socsc_low＜socsc＜socsc_high時(shí)，超級(jí)電容器與蓄電池的輸出不做調(diào)整，即δt＝0；

d.當(dāng)socsc_high＜socsc＜socsc_max時(shí)，使超級(jí)電容器增加放電量，減少充電量，減緩超級(jí)電容器socsc的上升；若psc_ref＜0，則若psc_ref＞0，則

e.當(dāng)socsc＞socsc_max時(shí)，超級(jí)電容器限制充電，只允許放電，若psc_ref＜0，禁止超級(jí)電容器充電，由蓄電池承擔(dān)所有吸收功率，即pbat_ref＝phess；若psc_ref＞0，則δt＝td；

f.當(dāng)蓄電池充電至socbat＞socbat_max時(shí)，光伏發(fā)電單元通過boost變換器的輸出功率由mppt模式進(jìn)入恒壓模式，對(duì)蓄電池進(jìn)行浮充；

g.當(dāng)蓄電池放電至socbat＜socbat_min時(shí)，減少負(fù)載，使負(fù)載功率與光伏發(fā)電單元通過boost變換器的輸出功率相匹配，光伏發(fā)電單元的功率輸出為mppt模式；對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行限制放電，蓄電池停止工作，超級(jí)電容器也停止工作。

三、根據(jù)步驟二中輸出的蓄電池功率p’bat_ref和超級(jí)電容器功率p’sc_ref，以及從各自電壓電流測(cè)試模塊采集回的ubat和usc，通過能量控制處理器計(jì)算出ibat_ref和isc_ref，再將蓄電池和超級(jí)電容器的電流i和參考電流iref輸入各自的雙向dc/dc變換器中，控制二者的充電或者放電過程。

本發(fā)明主要是對(duì)由蓄電池和超級(jí)電容器組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)和光伏發(fā)電單元構(gòu)成的微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行功率平抑控制；所述混合儲(chǔ)能控制方法中，通過低通濾波來分配超級(jí)電容器和蓄電池各自的功率，作為儲(chǔ)能系統(tǒng)控制的參考值；當(dāng)環(huán)境變化引起母線功率波動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容器迅速提供高頻波動(dòng)功率，以抑制對(duì)直流母線的沖擊，蓄電池承擔(dān)剩余平滑部分。

直流母線電壓與系統(tǒng)各單元的功率關(guān)系為：

式中，為維持母線電壓穩(wěn)定所需功率即pdc(其中cdc為直流儲(chǔ)能電容；udc為直流母線電壓)；ppv為光伏發(fā)電單元發(fā)出功率；pbat為蓄電池吸收/釋放功率；psc為超級(jí)電容器吸收/釋放功率；pload為直流負(fù)荷功率。所述關(guān)系式中，規(guī)定流向直流母線電壓方向?yàn)檎较?。因此得出pbat+psc＝pdc+pload-ppv＝phess。

因此儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)釋放/吸收相應(yīng)功率來滿足負(fù)荷功率以及光伏發(fā)電單元輸出功率的變化，計(jì)算出儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)的功率。再將儲(chǔ)能裝置承擔(dān)功率phess經(jīng)過一階低通濾波，并結(jié)合混合儲(chǔ)能限值配置容量，得到蓄電池和超級(jí)電容器的功率分配方式。蓄電池在維持系統(tǒng)功率平衡中承擔(dān)著phess的主要部分。而在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過程中，為了避免蓄電池和超級(jí)電容器的過充和過放，應(yīng)根據(jù)二者的荷電狀態(tài)soc(soc為蓄電池或者超級(jí)電容器的荷電量百分比)進(jìn)行限值管理，并相應(yīng)調(diào)整超級(jí)電容器與蓄電池所承擔(dān)功率。本領(lǐng)域技術(shù)人員可由低通濾波原理得知，濾波時(shí)間常數(shù)t越大，phess經(jīng)過滑動(dòng)平均濾波后得到的pbat越平滑；反之，t越小，則phess經(jīng)過濾波后得到的pbat越接近phess，其中微分算子s也是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，因此可以使用前述δt的控制規(guī)則來調(diào)整蓄電池與超級(jí)電容器的分配方式。根據(jù)蓄電池的soc情況，光伏發(fā)電單元經(jīng)過boost變換器輸出功率的模式在恒壓輸出與mppt模式之間切換(mppt模式為最大功率點(diǎn)追蹤模式)。

本發(fā)明的有益效果為，獨(dú)立光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)主要是通過調(diào)節(jié)濾波時(shí)間常數(shù)t的方法來儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)功率進(jìn)行分配，系統(tǒng)功率波動(dòng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)能快速維持直流母線電壓穩(wěn)定并且保持系統(tǒng)內(nèi)功率平衡，并優(yōu)化了蓄電池充放電過程，減少了其循環(huán)次數(shù)，有效延長(zhǎng)其工作壽命；根據(jù)超級(jí)電容器容量小的缺點(diǎn)，提出一種基于超級(jí)電容器soc分區(qū)的限值控制方法，根據(jù)超級(jí)電容器soc所在分區(qū)不同對(duì)濾波時(shí)間常數(shù)t進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而對(duì)蓄電池與超級(jí)電容器各自承擔(dān)的功率再次分配，有效改善因超級(jí)電容器容易過充或過放導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作的缺點(diǎn)，此方法不僅可以維持直流母線的穩(wěn)定，也可以使蓄電池和超級(jí)電容器的性能達(dá)到最佳。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明中能量控制處理器的控制示意圖。

圖3為本發(fā)明的功率流向示意圖。

圖4為本發(fā)明中能量控制處理器的計(jì)算流程示意圖。

圖5為本發(fā)明中蓄電池soc限值控制方法示意圖。

圖6為本發(fā)明中超級(jí)電容器soc限值控制方法示意圖。

圖7為本發(fā)明中δt的取值坐標(biāo)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行說明。

一種獨(dú)立光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量控制方法，如圖1、圖2、圖3所示，一種獨(dú)立光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)包括蓄電池、超級(jí)電容器、光伏發(fā)電單元、直流母線以及直流負(fù)載，所述蓄電池和超級(jí)電容器分別通過各自的雙向dc/dc變換器連接于直流母線，所述光伏發(fā)電單元陣列通過boost變換器連接于直流母線；所述雙向dc/dc變換器與所述boost變換器均由能量控制處理器控制，該光伏混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量控制方法包括以下步驟：

一、計(jì)算混合儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)功率phess：

①采集直流母線電壓udc，cdc為已知固定直流儲(chǔ)能電容，應(yīng)用上位機(jī)計(jì)算維持母線電壓穩(wěn)定所需功率pdc：

②應(yīng)用上位機(jī)采集直流負(fù)載功率pload，應(yīng)用光伏發(fā)電單元兩端的電壓電流檢測(cè)模塊采集光伏發(fā)電功率ppv；

③將采集到的功率數(shù)據(jù)輸入能量控制處理器，計(jì)算儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)功率phess，

phess＝pdc+pload-ppv(2)

二、根據(jù)計(jì)算得出的phess來分配蓄電池與超級(jí)電容器的功率：

①由于phess＝pbat+psc，pbat表示蓄電池吸收/釋放功率；psc表示為超級(jí)電容器吸收/釋放功率；將功率phess經(jīng)過能量控制處理器的一階低通濾波器，得到蓄電池和超級(jí)電容器的參考功率分別為：

其中，s為微分算子；t為濾波時(shí)間常數(shù)；

②通過蓄電池和超級(jí)電容器各自兩端的電壓電流檢測(cè)模塊采集荷電值soc，輸入能量控制處理器，根據(jù)二者的soc進(jìn)行限值控制，得到蓄電池和超級(jí)電容器的功率分配方式，其中socsc表示超級(jí)電容器的實(shí)際荷電值，socbat表示蓄電池的實(shí)際荷電值；socsc_high、socsc_low表示超級(jí)電容器的過度充電警戒值和過度放電警戒值；socsc_max、socsc_min分別表示超級(jí)電容器荷電狀態(tài)的上限與下限；socbat_max、socbat_min分別表示蓄電池荷電狀態(tài)的上限與下限，設(shè)定t0為初始濾波時(shí)間常數(shù)，t0根據(jù)需要平抑的光伏波動(dòng)功率決定，本實(shí)施例中t0＝50；td由蓄電池和超級(jí)電容器容量配置決定，td的范圍為0＜td≤t0，若超級(jí)電容器配置容量較充裕，可適度增大td使超級(jí)電容器承擔(dān)更多波動(dòng)功率的充放電；反之，若超級(jí)電容器配置容量小，可適度減小td使超級(jí)電容器承擔(dān)較少波動(dòng)功率的充放電。δt的控制如下：

a.當(dāng)socsc＜socsc_min時(shí)，超級(jí)電容器限制放電，只允許充電，若psc_ref＜0，則δt＝td；若psc_ref＞0，禁止超級(jí)電容器放電，由蓄電池承擔(dān)所有輸出功率，即pbat_ref＝phess；

b.當(dāng)socsc_min＜socsc＜socsc_low時(shí)，使超級(jí)電容器減少放電量，增加充電量，減緩超級(jí)電容器socsc的下降；若psc_ref＜0，則若psc_ref＞0，則

c.當(dāng)socsc_low＜socsc＜socsc_high時(shí)，超級(jí)電容器與蓄電池的輸出不做調(diào)整，即δt＝0；

d.當(dāng)socsc_high＜socsc＜socsc_max時(shí)，使超級(jí)電容器增加放電量，減少充電量，減緩超級(jí)電容器socsc的上升；若psc_ref＜0，則若psc_ref＞0，則

e.當(dāng)socsc＞socsc_max時(shí)，超級(jí)電容器限制充電，只允許放電，若psc_ref＜0，禁止超級(jí)電容器充電，由蓄電池承擔(dān)所有吸收功率，即pbat_ref＝phess；若psc_ref＞0，則δt＝td；

f.當(dāng)蓄電池充電至socbat＞socbat_max時(shí)，光伏發(fā)電單元通過boost變換器的輸出功率由mppt模式進(jìn)入恒壓模式，對(duì)蓄電池進(jìn)行浮充；

g.當(dāng)蓄電池放電至socbat＜socbat_min時(shí)，減少負(fù)載，使負(fù)載功率與光伏發(fā)電單元通過boost變換器的輸出功率相匹配，光伏發(fā)電單元的功率輸出為mppt模式；對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行限制放電，蓄電池停止工作，超級(jí)電容器也停止工作。

三、根據(jù)步驟二中輸出的蓄電池功率p’bat_ref和超級(jí)電容器功率p’sc_ref，以及從各自電壓電流測(cè)試模塊采集回的ubat和usc，通過能量控制處理器計(jì)算出ibat_ref和isc_ref，再將蓄電池和超級(jí)電容器的電流i和參考電流iref輸入各自的雙向dc/dc變換器中，控制二者的充電或者放電過程。

如圖4所示，是本實(shí)施例中能量控制處理器的計(jì)算流程圖，將維持母線電壓穩(wěn)定所需功率pdc與直流負(fù)載pload相加后，減去光伏發(fā)電單元輸出功率ppv，即為儲(chǔ)能系統(tǒng)所需承擔(dān)功率phess，將計(jì)算出的phess通過低通濾波來分配超級(jí)電容器和蓄電池各自的功率，即通過公式(3)，得出蓄電池的參考功率pbat_ref，再用phess減去pbat_ref得到超級(jí)電容器的參考功率psc_ref，二者作為儲(chǔ)能系統(tǒng)控制的參考值，在經(jīng)過限值管理模塊以后，調(diào)整了δt，也就是調(diào)整了t，δt取值如圖7所示，根據(jù)δt的取值情況，便可以對(duì)蓄電池和超級(jí)電容器的功率再次分配，通過此分配，再將電流值輸入二者分別的雙向dc/dc變換器，使蓄電池和超級(jí)電容器發(fā)揮作用，使混合儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)直流母線起到穩(wěn)定的作用，當(dāng)環(huán)境變化引起母線功率波動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容器迅速提供高頻波動(dòng)功率，以抑制對(duì)直流母線的沖擊，蓄電池承擔(dān)剩余平滑部分。

蓄電池的soc限值管理方法如圖5所示：蓄電池在維持系統(tǒng)功率平衡中承擔(dān)著phess的主要部分，因此當(dāng)socbat＞socbat_max時(shí)，光伏發(fā)電單元通過boost變換器的輸出功率由mppt模式進(jìn)入恒壓模式，對(duì)蓄電池進(jìn)行浮充；蓄電池放電時(shí)，當(dāng)socbat＜socbat_min時(shí)，應(yīng)切除部分負(fù)荷，使其與光伏發(fā)電單元的負(fù)荷相匹配，光伏發(fā)電單元通過boost變換器的輸出功率為mppt控制方式，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行限制放電，蓄電池停止工作，超級(jí)電容器也停止工作。

超級(jí)電容器soc限值管理方法如圖6所示：超級(jí)電容器屬于功率型儲(chǔ)能器件，其儲(chǔ)能容量一般較低。使用傳統(tǒng)的限值管理方法會(huì)使超級(jí)電容器在持續(xù)充放電的過程中易達(dá)到限制充放電的限值，頻繁達(dá)到超級(jí)電容器充放電極值，致使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。考慮到超級(jí)電容器的特性，將超級(jí)電容器soc劃分為五個(gè)工作區(qū)域，在各個(gè)區(qū)域內(nèi)分別調(diào)整其承擔(dān)的功率，避免超級(jí)電容器達(dá)到其限充、限放值。