一种混合储能系统的功率分配方法

摘要

本发明涉及一种混合储能系统的功率分配方法，属于新能源发电系统技术领域。首先产生波动功率信号，通过低通滤波对功率信号进行功率分配，功率延迟等效装置等效储能设备对参考功率的响应特性，通过储能设备荷电状态计算装置对储能设备的荷电状态进行计算，最后采用时间常数综合判断装置对储能设备的工作状态进行判断控制，得到对应的可变低通滤波时间常数，对功率分配进行调整。本发明的基于储能设备荷电状态的可变滤波时间常数的混合储能系统功率分配策略，具有可实时改变低通滤波器滤波时间常数的功能，减小储能设备荷电状态的变化范围，在一定程度上缓减储能设备荷电状态的饱和或枯竭，延长储能设备的使用寿命等优点。

主权项

1.一种混合储能系统的功率分配方法，其特征在于该方法包括以下步骤：（1）用一个波动功率信号P_HESS作为混合储能系统的输入信号；（2）对混合储能系统功率的输入信号P_HESS进行滤波，将输入信号P_HESS中的低频分量P_{ref_li}作为混合储能系统中锂电池的有功功率输入信号，将输入信号P_HESS中的其它频带分量P_{ref_sc}作为混合储能系统中超级电容的有功功率输入信号，设定有功功率大于零表示放电，小于零表示充电，则混合储能系统的有功功率分配如下式所示：$P_{\mathrm{ref}\_\mathrm{li}}=\frac{1}{1+\mathrm{sT}}{P}_{\mathrm{HESS}}$$P_{\mathrm{ref}\_\mathrm{sc}}=P_{\mathrm{HESS}}-P_{\mathrm{ref}\_\mathrm{li}}=\frac{\mathrm{sT}}{1+\mathrm{sT}}{P}_{\mathrm{HESS}}$其中，T为滤波时间常数，T的取值范围为[0.2，2]；（3）构建混合储能系统中锂电池的功率特性模型，利用该模型进行计算，得到混合储能系统中锂电池的充放电功率P_li；其中，锂电池的一阶惯性环节G_li(s)的表达式为：P_{li_ref}表示锂电池参考功率；G_li(s)等效为锂电池在复频域的功率延迟效应，K_li为一阶传递函数的增益，K_li＝1表示锂电池能够精确地跟踪参考功率值，T_li为锂电池延迟时间常数，T_li的取值范围为[0.1，0.2]，表示锂电池的功率延迟程度；构建混合储能系统中超级电容的功率特性模型，利用模型进行计算，得到混合储能系统中超级电容的充放电功率P_sc：其中，超级电容的一阶惯性环节G_sc(s)的表达式为：P_{sc_ref}表示超级电容的参考功率；G_sc(s)等效为超级电容在复频域的功率延迟效应，K_sc为一阶传递函数的增益，其中K_sc＝1表示超级电容能够精确地跟踪参考功率值，T_sc为超级电容延迟时间常数，T_li的取值范围为[0.002，0.005]，表示超级电容的功率延迟程度；（4）根据步骤（3）得到的混合储能系统中锂电池充放电功率P_li和超级电容的充放电功率P_sc，利用下式，分别计算混合储能系统中锂电池和超级电容的荷电状态值；${\mathrm{SOC}}_{\mathrm{li}}={\mathrm{SOC}}_{\_\mathrm{li}\left(0\right)}-\frac{{\int }_0^t{P}_{\mathrm{li}}\left(\tau \right)\mathrm{d\tau }}{E_{n\_\mathrm{li}}},$${\mathrm{SOC}}_{\mathrm{sc}}={\mathrm{SOC}}_{\_\mathrm{sc}\left(0\right)}-\frac{{\int }_0^t{P}_{\mathrm{sc}}\left(\tau \right)\mathrm{d\tau }}{E_{n\_\mathrm{sc}}},$其中，SOC_li、SOC_sc分别表示在充放电时刻t的锂电池和超级电容的荷电状态值，SOC_{_li（0）}、SOC_{_sc（0）}分别表示设定的锂电池和超级电容在初始状态的荷电状态初始值，初始值的取值范围为0～1，E_{n_li}、E_{n_sc}分别表示锂电池和超级电容的存储的总能量，P_li(τ)、P_sc(τ)分别为锂电池和超级电容的充放电功率；（5）根据上述计算得到的混合储能系统中锂电池和超级电容的充放电状态和荷电状态，对锂电池和超级电容充放电状态进行判断，并进行功率分配，以下步骤中，SOC_{high_li}和SOC_{low_li}分别表示锂电池的过度充电警戒值和过度放电警戒值；SOC_{high_sc}和SOC_{low_sc}分别表示超级电容的过度充电警戒值和过度放电警戒值；SOC_{max_li}和SOC_{min_li}分别表示锂电池荷电状态的上限和下限；SOC_{max_sc}和SOC_{min_sc}分别表示超级电容荷电状态的上限和下限；P_{ref_li}表示锂电池的功率参考值，P_{ref_li}＞0表示锂电池放电，P_{ref_li}＜0表示锂电池充电；P_{ref_sc}表示超级电容的功率参考值，P_{ref_sc}＞0表示超级电容放电，P_{ref_sc}＜0表示超级电容充电：（5-1）当锂电池的荷电状态值SOC_li≥SOC_{high_li}，且超级电容的荷电状态值SOC_li≥SOC_{high_li}，则判定锂电池和超级电容均处于过度充电状态，在该状态下：若P_{ref_li}＞0，且P_{ref_sc}＞0，则保持锂电池和超级电容的原放电功率，保持滤波器的滤波时间常数T不变；若P_{ref_li}＞0，且P_{ref_sc}＜0，则判定储能系统中超级电容充电，锂电池放电；使滤波时间常数T＝T₀-ΔT，其中T₀为滤波时间常数初始值，ΔT为滤波时间常数调整值，ΔT＝0.05T₀；若P_{ref_li}＜0，且P_{ref_sc}＞0，则判定储能系统中锂电池充电，超级电容放电，并使T＝T₀+ΔT；若P_{ref_li}＜0,且P_{ref_sc}＜0，则判定储能系统中锂电池和超级电容均充电，并使锂电池和超级电容的充电功率按下式进行调整：$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{ref}\_\mathrm{li}}^{*}=P_{\mathrm{ref}\_\mathrm{li}}·\frac{{\mathrm{SOC}}_{\max \_\mathrm{li}}-{\mathrm{SOC}}_{\_\mathrm{li}}}{{\mathrm{SOC}}_{\max \_\mathrm{li}}-{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{high}\_\mathrm{li}}}\\ P_{\mathrm{ref}\_\mathrm{sc}}^{*}=P_{\mathrm{ref}\_\mathrm{sc}}·\frac{{\mathrm{SOC}}_{\max \_\mathrm{sc}}-{\mathrm{SOC}}_{\_\mathrm{sc}}}{{\mathrm{SOC}}_{\max \_\mathrm{sc}}-{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{high}\_\mathrm{sc}}}\end{array}\right.,$其中，表示功率指令经过调整后分配给锂电池的调整功率值，P_{ref_li}表示混合储能系统的参考功率通过滤波后分配给锂电池的功率参考值；表示功率指令经过调整后分配给超级电容的调整功率值，P_{ref_sc}表示混合储能系统的参考功率通过滤波后分配给超级电容的功率参考值；（5-2）当锂电池的荷电状态值SOC_li≥SOC_{high_li}，且超级电容的荷电状态值SOC_{low_sc}＜SOC_SC＜SOC_{high_sc}，则判定锂电池处于过度充电状态，超级电容的荷电状态处于正常工作区域，在该状态下：若P_{ref_li}＞0，则判定储能系统中锂电池放电，并增大锂电池放电功率，即减小滤波时间常数，使T＝T₀-ΔT；若P_{ref_sc}＜0，则判定储能系统中锂电池充电，并增大滤波时间常数，使T＝T₀+ΔT；（5-3）当锂电池的荷电状态值SOC_li≥SOCh_{igh_li}，且超级电容的荷电状态值SOC_SC≤SOC_{low_sc}，则判定锂电池处于过度充电状态，超级电容处于过度放电状态，在该状态下：若P_{ref_li}＞0,且P_{ref_sc}＞0，则判定储能系统中锂电池和超级电容均放电，并减小超级电容的放电功率，即减小滤波时间常数，使T＝T₀-ΔT，增大锂电池的放电功率，；若P_{ref_li}＞0,且P_{ref_sc}＜0，则判定储能系统中锂电池放电，超级电容充电，保持锂电池和超级电容的充放电功率，并保持滤波时间常数T不变；若P_{ref_li}＜0,且P_{ref_sc}＞0，则判定储能系统中锂电池充电，超级电容放电，使锂电池和超级电容的功率按下式进行调整：$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{ref}\_\mathrm{li}}^{*}=P_{\mathrm{ref}\_\mathrm{li}}·\frac{{\mathrm{SOC}}_{\max \_\mathrm{li}}-{\mathrm{SOC}}_{\_\mathrm{li}}}{{\mathrm{SOC}}_{\max \_\mathrm{li}}-{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{high}\_\mathrm{li}}}\\ P_{\mathrm{ref}\_\mathrm{sc}}^{*}=P_{\mathrm{ref}\_\mathrm{sc}}·\frac{{\mathrm{SOC}}_{\_\mathrm{sc}}-{\mathrm{SOC}}_{\min \_\mathrm{sc}}}{{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{low}\_\mathrm{sc}}-{\mathrm{SOC}}_{\min \_\mathrm{sc}}}\end{array}\right.,$若P_{ref_li}＜0,且P_{ref_sc}＜0，则判定储能系统中锂电池和超级电容均充电，并减小锂电池的充电功率，增大超级电容的充电功率，即增大滤波器的滤波时间常数，使T＝T₀+ΔT；（5-4）当锂电池的荷电状态值SOC_{low_li}＜SOC_li＜SOC_{high_li}，且超级电容的荷电状态值SOC_SC≥SOC_{max_sc}，则判定锂电池荷电状态处于正常工作区域，超级电容处于过度充电状态，在该状态下：若P_{ref_sc}＞0，则判定储能系统中超级电容放电，增大超级电容的放电功率，即增大滤波时间常数，使T＝T₀+ΔT；若P_{ref_sc}＜0，则判定储能系统中超级电容充电，减小超级电容的充电功率，即减小滤波时间常数，使T＝T₀-ΔT；（5-5）当锂电池的荷电状态值为SOC_{low_li}＜SOC_li＜SOC_{high_li}，且超级电容的荷电状态值为SOC_{low_sc}＜SOC_SC＜SOC_{high_sc}时，则判定锂电池和超级电容荷电状态均处于正常工作区域，保持滤波时间常数T不变；（5-6）当锂电池的荷电状态值为SOC_{low_li}＜SOC_li＜SOC_{high_li}，且超级电容的荷电状态值为SOC_SC≤SOC_{low_sc}，则判定锂电池荷电状态处于正常工作区域，超级电容处于过度放电状态，在该状态下：若P_{ref_sc}＞0，则判定储能系统中超级电容放电，减小超级电容的放电功率，即减小滤波时间常数，使T＝T₀-ΔT；若P_{ref_sc}＜0，则判定储能系统中超级电容充电，增大超级电容的充电功率，即增大滤波时间常数，使T＝T₀+ΔT；（5-7）当锂电池的荷电状态值为SOC_li≤SOC_{low_li}，且超级电容的荷电状态值为SOC_SC≥SOC_{high_sc}时，则判定锂电池处于过度放电状态，超级电容处于过度充电状态，在该状态下：若P_{ref_li}＞0,且P_{ref_sc}＞0，则判定储能系统中锂电池和超级电容均放电，减小锂电池的放电功率，增大超级电容的放电功率，即增大滤波器的滤波时间常数，使T＝T₀+ΔT；若P_{ref_li}＜0,且P_{ref_sc}＞0，则判定储能系统中锂电池放电，超级电容充电，使锂电池和超级电容的充电功率按下式进行调整：$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{ref}\_\mathrm{li}}^{*}=P_{\mathrm{ref}\_\mathrm{li}}·\frac{Q_{\mathrm{SOC}\_\mathrm{li}}-Q_{\min \_\mathrm{li}}}{Q_{\mathrm{SOClow}\_\mathrm{li}}-Q_{\mathrm{SOC}\min \_\mathrm{li}}}\\ P_{\mathrm{ref}\_\mathrm{sc}}^{*}=P_{\mathrm{ref}\_\mathrm{sc}}·\frac{Q_{\mathrm{SOC}\max \_\mathrm{sc}}-Q_{\mathrm{SOC}}}{Q_{\mathrm{SOC}\max \_\mathrm{sc}}-Q_{\mathrm{SOChigh}\_\mathrm{sc}}}\end{array}\right.,$其中，分别为调整后的锂电池和超级电容的充电功率；若P_{ref_li}＜0,且P_{ref_sc}＞0，则判定储能系统中锂电池充电，超级电容放电，保持滤波时间常数T不变；若P_{ref_li}＜0,且P_{ref_sc}＜0，则判定储能系统中锂电池和超级电容均充电，减小超级电容的充电功率，增大锂电池的充电功率，即减小滤波时间常数，使T＝T₀-ΔT；（5-8）当锂电池的荷电状态值为SOC_li≤SOC_{low_li}，且超级电容的荷电状态值SOC_{low_sc}＜SOC_SC＜SOC_{high_sc}时，则判定锂电池处于过度放电状态，超级电容荷电状态处正常工作区域，在该状态下：若P_{ref_sc}＞0，则判定储能系统中锂电池放电，减小锂电池放电功率，增大滤波时间常数，使T＝T₀+ΔT；若P_{ref_li}＜0，则判定储能系统中锂电池充电，增大锂电池的充电功率，减小滤波时间常数，使T＝T₀-ΔT；（5-9）当锂电池的荷电状态值为SOC_li≤SOC_{low_li}，且超级电容的荷电状态值为SOC_SC≤SOC_{low_sc}，则判定锂电池和超级电容均处于过度放电状态，在该状态下：若P_{ref_li}＞0,且P_{ref_sc}＞0，则判定储能系统中锂电池和超级电容均放电，使锂电池和超级电容的充电功率按下式进行调整：$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{ref}\_\mathrm{li}}^{*}=P_{\mathrm{ref}\_\mathrm{li}}·\frac{Q_{\mathrm{SOC}\_\mathrm{li}}-Q_{\mathrm{SOC}\min \_\mathrm{li}}}{Q_{\mathrm{SOClow}\_\mathrm{li}}-Q_{\mathrm{SOC}\min \_\mathrm{li}}}\\ P_{\mathrm{ref}\_\mathrm{sc}}^{*}=P_{\mathrm{ref}\_\mathrm{sc}}·\frac{Q_{\mathrm{SOC}\_\mathrm{sc}}-Q_{\mathrm{SOC}\min \_\mathrm{sc}}}{Q_{\mathrm{SOClow}\_\mathrm{sc}}-Q_{\mathrm{SOC}\min \_\mathrm{sc}}}\end{array}\right.,$其中，分别为调整后的锂电池和超级电容的充电功率；若P_{ref_li}＞0，且P_{ref_sc}＜0，则判定储能系统中锂电池放电，超级电容充电，并增大超级电容充电功率，即增大滤波器的滤波时间常数，使T＝T₀+ΔT；若P_{ref_li}＜0,且P_{ref_sc}＞0，则判定储能系统中锂电池充电，超级电容放电，并增大锂电池的充电功率，并减小滤波器的滤波时间常数，使T＝T₀-ΔT，；若P_{ref_li}＜0,且P_{ref_sc}＜0，则判定储能系统中锂电池和超级电容均充电，保持锂电池和超级电容的充电功率不变，保持滤波时间常数T不变。