适用于高压链式储能的混合储能子模块能量管理控制方法与流程

1.本发明属于高压链式储能控制技术领域，尤其涉及一种适用于高压链式储能的混合储能子模块能量管理控制方法。


背景技术：

2.在传统高压链式储能系统中，其储能模块大都由单一类型储能电池以串并联的方式接入单相全桥的方式实现。虽然近年来，储能系统在很多方面的关键技术取得了一些突破，但是，还没有一种储能技术能够兼顾高能量密度和高功率密度的特性，也就使得在面对电网复杂多变的能量需求时，现有技术在处理精度、电池寿命优化等方面难以满足要求。
3.除此之外通过对储能电池的充放电特性分析可知储能电池本身充放电电流的波动性大大缩减电池的使用寿命，增大储能设备的故障率；随着储能电池的充放电其端点电压也会随之变化，无法维持母线电压的平稳，这也就导致不能简单地将链式储能设备视为理想的电压源型设备，因此，链式储能设备的特性也将随之大打折扣。因此，要从根源上提升链式储能设备的性能，延长设备的寿命，首先应从储能电池子模块的改进入手。
4.中国专利申请cn114447971 a《具有普遍适用性的超级电容和电池混合储能设备》提出了一种直接并网型的混合储能设备，根据电源电网接入点频率及功率检测值算法自适应控制运行时，基于超级电容、电池的荷电状态阈值控制超级电容和电池充电或放电。当超级电容受其荷电状态约束限制而无法完全响应功率需求指令时，根据功率需求和超级电容的供应功率，计算所需电池输出功率，控制电池进行剩余功率输出，以满足电网功率需求。分别在充放电过程中均有不同的控制算法，运行过程中会出现频繁的切换，会出现电流指令不连续的情况。但是上述现有技术专利方案并没有充分利用超级电容和储能电池的互补特性，长短时间尺度在控制角度并没有体现，只是通过强行的功率指令分割来实现，对延长系统寿命效用有限。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中的不足，本发明提供了一种适用于高压链式储能的新型混合储能子模块能量管理控制方法，本方法引入了超级电容和储能电池构成的混合储能子模块，根据多时间尺度控制思想使储能子模块中的超级电容和储能电池工作在运行过程中响应不同频率的功率，实现两者功率的合理分配。本发明作为应用于高压链式储能系统中的子模块，无需考虑电池荷电状态的一致性和充放电控制，不是切换结构，因此对于子模块而言控制方法具有连续性，可优化高压链式储能的工作性能、延长工作寿命，增加高压链式储能设备的可靠性。
6.本发明采用如下的技术方案：
7.一种适用于高压链式储能的新型混合储能子模块能量管理控制方法，包括以下步骤:
8.步骤1，分别构建长时间尺度和短时间尺度下的子模块模型；
9.步骤2，根据短时间尺度超级电容模块模型，设计h∞鲁棒控制器，实现超级电容对功率的快速响应；
10.步骤3，根据长时间尺度储能电池模块模型，设计带虚拟阻抗的电压电流双闭环控制器，实现对储能电池电流波动的抑制。
11.所述步骤1具体设计流程如下：
12.短时间尺度内的超级电容子模块模型可以将负载电流、储能电池电流和超级电容端电压视为干扰，构建短时间尺度内的超级电容模型如下式：
[0013][0014]
其中w＝[v
sc io]
t
，d为超级电容控制脉冲占空比稳态值，分别为为超级电容电流电压、母线输出电流以及超级电容占空比的小信号值，各个矩阵的含义分别为：
[0015]
c2＝e
3x3
,d
21
＝[0],d
22
＝[0]
[0016]
其中r
sc
、l
sc
为超级电容串联等效电阻和电感值，v
sc
为超级电容电压稳态值，c为母线输出电容，r
l
为等效负载，e
3x3
为3行3列的单位矩阵，d
21
，d
22
用来保持控制器设计形式上的统一。
[0017]
长时间尺度下的系统模型可以视输出电压为稳定值，即vo≡v
o_set
，v
o_set
为母线电压给定值，是超级电容的控制目标值；则长时间尺度的储能电池模型如下：
[0018][0019]
其中d1为储能电池控制脉冲占空比，v
bat
、i
ba
为储能电池的电压和电流，l
ba
为储能电池串联等效电感值。vo为母线电压，io为母线输出电流。
[0020]
所述步骤2，具体设计流程如下：
[0021]
令y＝x,可得h∞标准模型如式所示
[0022][0023]
其中c1＝[0 0 1],d
11
＝[0 0],d
12
＝0,c2＝e
3x3
,d
21
＝[0],d
22
＝[0]。
[0024]
构建广义对象如式：
[0025][0026]
其中k＝[k
1 k
2 k3]。
[0027]
可得控制器为u＝ky＝ypy，y，p为控制器参数，为待求解的矩阵，k＝[k1,k2,k3]为控制增益。。
[0028]
所述步骤3，具体设计流程如下：
[0029]
为了降低储能电池电流的波动性和规划控制器的控制带宽，本发明采用在电压电流双闭环的基础上引入虚拟阻抗环节，虚拟阻抗值应随输出电流增大而增大，具体传递函数定义如图4所示，虚拟阻抗环节表达式如下：
[0030][0031]
其中a值需要在考量留出足够的稳定裕度的情况下给出，a值越大，稳定裕度越差，但是对储能电池输出电流的平滑性越好。
[0032]
电压电流双闭环的具体参数方法设计如下：
[0033]
储能电池控制器内环开环传递函数为：
[0034][0035]
其中，g
op
为系统开环传递函数，gi为电流闭环传递函数。
[0036]
设计内环的控制带宽为ωi，可得控制器内环参数为：
[0037][0038]
同理设计外环参数为：
[0039][0040]
其中ωi和ωv分别为电流环和电压环的控制带宽，通常电流环控制带宽取为电压环控制带宽的10倍，η取0.1。vo为直流母线电压稳态值，c
sc
是超级电容电容值。k
ip
，k
ii
为电流环的比例系数和积分系数；k
vp
，k
vi
为电压环的比例系数和积分系数。k
p
为控制器的比例系数，ki为积分系数。
[0041]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0042]
1、结合不同储能技术优势，实现高能量密度、高功率密度的混合储能子模块。
[0043]
2、有超级电容响应高频功率，可以改善储能电池的充放电环境，避免储能电池的
过充过放问题，增强设备的快速响应特性。
[0044]
3、子模块直压可以维持恒定，不会受储能电池充放电进程的影响，大幅提升链式储能的外部特性。
[0045]
4、混合储能模块对外只表现电池本身荷电状态特性，可以实现与外部荷电状态均衡策略的无缝衔接。
附图说明
[0046]
图1是应用本发明混合储能子模块能量管理控制方法的高压链式储能主回路示意图；
[0047]
图2是本发明中的混合储能子模块拓扑；
[0048]
图3是本发明中的短时间尺度超级电容子模块控制框图；
[0049]
图4是本发明中的长时间尺度储能电池子模块控制框图；
[0050]
图5是本发明一种适用于高压链式储能的混合储能子模块能量管理控制方法仿真试验波形。
具体实施方式
[0051]
下面结合附图对本技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本技术的保护范围。
[0052]
为了便于理解本技术的技术方案，混合储能子模块能量管理控制策略所基于的高压链式储能主回路结构如图1所示，其中三相电压源u
sa
、u
sb
、u
sc
各自串联电抗ls等效为高压电网，每一项多个储能子模块(模块1、模块2、
…
、模块n)通过串联的方式构成高压链式储能的三相桥臂，每一个储能子模块由功率模块和混合储能模块串接而成；高压链式储能设备和高压电网直接相连。
[0053]
如图2所示为本发明中的混合储能子模块拓扑，混合储能子模块采用双功率变换器的结构，图2左侧为混合储能子模块的储能电池部分，储能电池与电感l
ba
串联然后通过双功率变换器的一侧单相桥臂连接直流母线。右侧为超级电容部分，超级电容与电阻rs、电感l
sc
串联后通过双功率变换器的另一侧单相桥臂连接直流母线；直流母线并联有大电容c用于减少电压波动，r
l
为子模块的等效负载。
[0054]
在本发明中，储能电池和超级电容的控制是并行的，不分情景只是通过控制器的设计使其在面对统一工况时产生不同响应。基于长时间尺度储能电池模块模型实现对储能电池的控制以响应低频功率稳定超级电容的电压；基于短时间尺度超级电容模块模型实现对超级电容的控制以响应高频功率维持直流母线电压的稳定。所述高低频功率通过带宽来区分，200rad/s及以下的功率电流由储能电池响应，200rad/s以上由超级电容响应。
[0055]
其中储能电池的控制策略如图4所示，采用长时间尺度储能电池模块模型设计储能电池控制器，即采用考虑输出电流的虚拟阻抗 双pi环的方式对储能电池进行控制，用于稳定超级电容的电压。
[0056]
超级电容的控制策略如图3所示，采用短时间尺度超级电容模块模型设计超级电容控制器，即设计h∞鲁棒控制器控制超级电容用于稳定子模块的直流母线电压。
[0057]
本发明通过对控制器中的参数设计使得超级电容的响应速度快于储能电池的响
应速度，也就使得在出现直流母线功率突变的情况下超级电容反应更加灵敏从而反应功率突变，能充分利用超级电容高功率密度的特点；储能电池则负责给超级电容平稳充电，充分利用储能电池高能量密度的特点，且由于虚拟阻抗的存在可以使得储能电池电流更加平稳，利于延长电池寿命。长时间尺度模型和短时间尺度模型用于控制器参数的设计，两者的控制策略是并行运行的，并对功率的反应灵敏度不同。其长短时间尺度是通过控制带宽的来进行区分，在本发明中，长短时间尺度的带宽差10倍。
[0058]
所述短时间尺度内的超级电容子模块模型可以将负载电流、储能电池电流和超级电容端电压视为干扰，构建短时间尺度内的超级电容模型如式(1)：
[0059][0060]
其中w＝[v
sc io]
t
，d为超级电容控制脉冲占空比稳态值，分别为为超级电容的电流和电压、母线输出电流以及超级电容占空比的小信号值，为直流母线电压小信号值，为中间变量，s为微分符号，各个矩阵的含义分别为：
[0061]
c2＝e
3x3
,d
21
＝[0],d
22
＝[0]
[0062]
其中r
sc
、l
sc
为超级电容串联等效电阻和电感值，v
sc
为超级电容电压稳态值，c为母线输出电容，r
l
为等效负载，e
3x3
为3行3列的单位矩阵，d
21
，d
22
用来保持控制器设计形式上的统一。
[0063]
视输出电压为稳定值，即vo＝v
o_set
，v
o_set
为母线电压给定值，是超级电容的控制目标值；则长时间尺度的储能电池模型如式(2)：
[0064][0065]
其中d1为储能电池控制脉冲占空比，v
bat
、i
ba
为储能电池的电压和电流，l
ba
为储能电池串联等效电感值。令y＝x,u＝d,w＝[v
sc io],z＝ξ，可得h∞标准模型如式所示
[0066][0067]
其中c1＝[0 0 1],d
11
＝[0 0],d
12
＝0,c2＝e
3x3
,d
21
＝[0],d
22
＝[0]。
[0068]
构建广义对象如式：
[0069][0070]
其中k＝[k
1 k
2 k3]。
[0071]
为了使系统在渐近稳定的同时鲁棒性能好，求解以下等价线性目标函数(5)
[0072][0073]
其中γ为鲁棒因子，反应系统的鲁棒性是干扰与输出之比；
[0074]
可得短时间尺度的h∞鲁棒控制器为u＝ky＝ypy，其中y，p为控制器参数，为待求解的矩阵，k＝[k1,k2,k3]为控制增益。控制框架如图3所示。
[0075]
电压电流双闭环控制器采用pi控制器作为内外环的主要控制器，外环为电压闭环进行电压跟踪并输出电流给定值，内环跟踪电流给定值并输出占空比。其中pi控制器的传递函数为：
[0076][0077]
其中k
p
为控制器的比例系数，ki为积分系数。
[0078]
引入虚拟阻抗环节，具体传递函数定义如图4所示，虚拟阻抗环节表达式如下：
[0079][0080]
其中a值需要在考量留出足够的稳定裕度的情况下给出，a值越大，稳定裕度越差，但是对储能电池输出电流的平滑性越好。
[0081]
电压电流双闭环的具体参数方法设计如下：
[0082]
储能电池控制器内环开环传递函数为：
[0083][0084]
其中，g
op
为系统开环传递函数，gi为电流闭环传递函数。
[0085]
在确定设计带宽后，可结合电路参数，直接确定内外环控制参数如式(7)、(8)
[0086]
长时间尺度内环控制参数为：
[0087]
[0088]
同理设计外环参数为：
[0089][0090]
其中ωi和ωv分别为电流环和电压环的控制带宽，通常电流环控制带宽取为电压环控制带宽的10倍，η为控制系数，取值为0.1。vo为直流母线电压稳态值，c
sc
是超级电容电容值。k
ip
，k
ii
为电流环的比例系数和积分系数；k
vp
，k
vi
为电压环的比例系数和积分系数。k
p
为控制器的比例系数，ki为积分系数。
[0091]
图5为应用本发明的混合储能能量管理控制方法后储能子模块的外部特性，可以实现在负载突变的情况下维持直流母线电压的恒定，并实现储能电池响应低频功率，超级电容响应高频功率的设计目标。从而，结合混合储能使系统具有高能量密度高功率密度的特点可以显著提升系统动态性能，同时，还能有效降低储能电池的电流的波动率，延长设备寿命除此之外，当子模块接入链式储能设备时，不用跟母系统进行信息交互，可以直接接入，易于使用。
[0092]
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。