基于混合储能系统的微电网功率平滑控制方法

摘要

本发明公开基于混合储能系统的微电网功率平滑控制方法，其特征在于：1）设置由超导磁体和蓄电池构成混合储能系统；2）检测超导磁体的储能容量，当超导磁体中的储能容量过剩时，蓄电池充电；当超导磁体中的储能容量偏低时，蓄电池放电，由蓄电池对超导磁体反充电；构成蓄电池用于吸收混合储能系统的剩余能量、在超导磁体能量偏低时蓄电池为超导磁体充电的充/放电控制回路；3）在平抑微电网功率波动的过程中，由超导磁体优先充/放电，蓄电池作为超导磁体的能量储存单元；通过超导磁体的优先充/放电来平抑微电网的功率波动，实现微电网功率平滑控制。本发明充分结合了两者的优点，降低了储能系统的容量要求，延长了储能系统的使用寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及微电网功率平滑调节方法，具体涉及一种基于混合储能系统的微电网 功率平滑控制方法。属于微电网技术领域。

背景技术

随着微电网研究的深入和应用范围的扩大，微电网中分布式电源的种类越来越 多，数量越来越大，由间歇式可再生能源的随机性和波动性及负荷的随机波动引起的 微电网电压波动日益显著，严重影响微电网的供电质量及“友好”并网，甚至造成安 全稳定问题。储能技术由于能够实现电能的时空平移而被认为是平滑微电网内功率波 动、抑制微电网电压随机波动的有效途径。现阶段微电网中可利用的储能装置很多， 主要包括蓄电池储能、超导储能、飞轮储能、超级电容器储能等。其中蓄电池储能作 为历史最悠久的一种储能方式，技术相对最成熟，成本相对较低，且能量密度大，应 用最广泛。而其缺点也是显著的，主要包括：①循环寿命低，充放电次数仅数百或 上千次，频繁充放电会严重缩短蓄电池的使用年限；②不允许大倍率充放电，提供 功率能力低；③能量存储和释放需要经过电能与化学能间的转换，响应速度相对较 慢。超导储能是现阶段储能技术的研究热点之一，技术成熟度相对较低，但优势明显， 主要包括：①循环寿命高，充放电次数对储能元件寿命几乎无影响；②充放电速度 快，提供功率能力强；③响应速度快。其缺点在于能量密度低，且由于技术成熟度 低，价格昂贵。

微电网中日益增加的可再生能源发电系统，其波动功率既含有幅值大、持续时间 短的尖峰波动功率，又含有持续时间长、能量波动大得稳态波动功率，同时还含有频 繁往复性的波动功率。因此用于微电网功率平滑的储能装置既要能提供大功率，又要 求有一定的储能容量，且能允许频繁充放电。若能采用某种方法和策略将蓄电池储能 与超导储能混合使用，结合两者的优点，则正好可满足上述要求，达到更好的性能和 效益。

目前，用于微电网功率平滑的储能系统多为蓄电池储能，如铅酸蓄电池、锂离子 电池等，虽然也有部分工程采用超导储能，但存在能量密度低、储能量低及成本高的 缺点，并且还处于研究阶段。蓄电池与超导磁体混合储能系统的研究和应用则未有报 道。因此本发明提出一种基于蓄电池超导磁体混合储能的微电网功率平滑控制方法， 可充分发挥两种储能元件的优点，改善系统的控制效果，同时提高蓄电池的使用寿命， 降低蓄电池的容量要求。

发明内容

本发明的目的，是为了克服现有储能装置投资成本高，提供一种基于混合储能系 统的微电网功率平滑控制方法，该方法能有效控制微电网功率平滑和降低控制成本。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

基于混合储能系统的微电网功率平滑控制方法，其特征在于：

1）设置由超导磁体和蓄电池构成混合储能系统，由所述混合储能系统平抑微电 网功率波动；

2）检测超导磁体的储能容量，当超导磁体中的储能容量过剩时，蓄电池充电； 当超导磁体中的储能容量偏低时，蓄电池放电，由蓄电池对超导磁体反充电；构成蓄 电池用于吸收混合储能系统的剩余能量、在超导磁体能量偏低时蓄电池为超导磁体充 电的充/放电控制回路；

3）在平抑微电网功率波动的过程中，由超导磁体优先充/放电，蓄电池作为超导 磁体的能量储存单元；通过超导磁体的优先充/放电来平抑微电网的功率波动；形成以 超导磁体优先充/放电为主导的快速充/放电回路，以实现微电网功率平滑控制。

本发明的目的还可以通过以下技术方案实现：

进一步地，所述混合储能系统通过DC/AC变流器接入微电网，通过DC/AC变流器 集中控制混合储能系统的输出功率，以满足微电网的功率平滑要求；所述蓄电池的充 /放电由DC/DC双向变流器控制，所述超导磁体的充/放电由DC/DC斩波器控制。

进一步地，由超导磁体和蓄电池构成的混合储能系统平抑微电网功率波动，满足 如下表达式：

$\left(\begin{array}{c}{P}_2+P_m=P_s\\ Q_2+Q_m=Q_s\\ P_2=P_b+P_{\mathrm{sc}}\\ Q_2=Q_b+Q_{\mathrm{sc}}\end{array}\right)$

表达式中，P_m+jQ_m表示微电网的输出功率，P_s+jQ_s表示经过平滑后微电网向大电 网输出的功率，P₂+jQ₂表示混合储能系统用于平滑微电网输出的功率，P_b+jQ_b表示蓄 电池输出的功率，P_sc+jQ_sc表示超导磁体输出的功率。

进一步地，所述对混合储能系统采用有功/无功（PQ）控制：

混合储能系统的输出功率控制目标为：

P_2，ref=P_b，ref+P_sc，ref＝P_s，ref-P_m

P_m是微电网的实际输出功率，P_s,ref是经过功率平滑后微电网向大电网输出功率的 目标值，两者的差值即为储能系统功率控制目标值P_2,ref。

进一步地，所述对蓄电池充/放电的具体控制方法如下：

1）超导磁体的最优工作范围为[Idown Iup]，通过实时监测超导磁体3的电流I，当 Idown≤I≤Iup时，超导磁体运行于最优工作状况，控制蓄电池电流Ib为0；

2）当超导磁体电流I>Iup时，超导磁体中储存的能量偏大，控制蓄电池以额定充 电电流Ib-rate1充电，以吸收超导磁体中的多余能量，直至I=Iup，再次控制蓄电池电 流Ib为0；

3）当超导磁体电流I<Idown时，超导磁体中储存的能量偏低，此时控制蓄电池 以额定放电电流Ib-rate2放电，对超导磁体进行能量补充，直至I=Idown。

进一步地，所述超导磁体充/放电的具体控制方法如下：

1）当超导磁体运行于最优工作状况时，蓄电池电流Ib为0，蓄电池提供的功率为 0，超导磁体的输出功率控制目标为：

P_sc，ref＝P_s，ref-P_m；

2）当超导磁体中储存的能量偏大时，蓄电池充电，充电功率为Pb，则此时超导 磁体的输出功率控制目标为：

P_sc，ref＝P_s，ref-P_m+P_b;

3）当超导磁体中储存的能量偏小时，蓄电池放电，放电功率为Pb，此时超导磁 体的输出功率控制目标为：

P_sc，ref＝P_s，ref-P_m-P_b；

4)当P_b＞P_s，ref-P_m时，P_sc，ref＜0，超导磁体充电，否则超导磁体放电。

本发明具有如下突出的有益效果：

1、本发明采用蓄电池和超导磁体构成的混合储能系统，由超导磁体优先充放电， 实时提供功率补偿微电网的功率波动，充分发挥了超导储能响应快、提供功率能力强 以及循环寿命长的特点。且蓄电池无需提供大功率，降低了蓄电池的容量要求。

2、本发明将蓄电池作为超导磁体的能量储存单元，蓄电池仅当微电网存在较大 的能量盈余或缺额时，蓄电池才动作（充电或放电），蓄电池充放电次数少、寿命长， 充分发挥了蓄电池能量密度高、价格低的优点，降低了储能装置的成本，经济性好。

3、本发明通过控制蓄电池按照额定充放电电流充电/放电，确保蓄电池工作在经 济、安全运行范围内，不会出现大电流充放电的工作状况，可起到保护蓄电池的作用， 提高电池寿命。

附图说明

图1是蓄电池用于微电网功率平滑控制示意图。

图2是超导储能系统用于微电网功率平滑控制示意图。

图3是本发明的混合储能系统用于微电网功率平滑控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步地说明。

具体实施例1：

参照图1-图3，本实施例涉及的基于混合储能系统的微电网功率平滑控制方法， 其特征在于：

1）设置由超导磁体和蓄电池构成混合储能系统，由所述混合储能系统平抑微电 网功率波动；

2）检测超导磁体的储能容量，当超导磁体中的储能容量过剩时，蓄电池充电； 当超导磁体中的储能容量偏低时，蓄电池放电，由蓄电池对超导磁体反充电；构成蓄 电池用于吸收混合储能系统的剩余能量、在超导磁体能量偏低时蓄电池为超导磁体充 电的充/放电控制回路；

3）在平抑微电网功率波动的过程中，由超导磁体3优先充/放电，蓄电池4作为超 导磁体3的能量储存单元；通过超导磁体3的优先充/放电来平抑微电网的功率波动；形 成以超导磁体优先充/放电为主导的快速充/放电回路，以实现微电网功率平滑控制。

本实施例中：

所述混合储能系统通过DC/AC变流器接入微电网，通过DC/AC变流器集中控制混 合储能系统的输出功率，以满足微电网的功率平滑要求；所述蓄电池的充/放电由 DC/DC双向变流器控制，所述超导磁体的充/放电由DC/DC斩波器控制。

进一步地，由超导磁体和蓄电池构成的混合储能系统平抑微电网功率波动，满足 如下表达式：

$\left(\begin{array}{c}{P}_2+P_m=P_s\\ Q_2+Q_m=Q_s\\ P_2=P_b+P_{\mathrm{sc}}\\ Q_2=Q_b+Q_{\mathrm{sc}}\end{array}\right)$

表达式中，P_m+jQ_m表示微电网的输出功率，P_s+jQ_s表示经过平滑后微电网向大电 网输出的功率，P₂+jQ₂表示混合储能系统用于平滑微电网输出的功率，P_b+jQ_b表示蓄 电池输出的功率，P_sc+jQ_sc表示超导磁体输出的功率。

进一步地，所述对混合储能系统采用有功/无功（PQ）控制：

混合储能系统的输出功率控制目标为：

P_2，ref=P_b，ref+P_sc，ref＝P_s，ref-P_m

P_m是微电网的实际输出功率，P_s,ref是经过功率平滑后微电网向大电网输出功率的 目标值，两者的差值即为储能系统功率控制目标值P_2,ref。

进一步地，所述对蓄电池充/放电的具体控制方法如下：

1）超导磁体的最优工作范围为[Idown Iup]，通过实时监测超导磁体3的电流I，当 Idown≤I≤Iup时，超导磁体运行于最优工作状况，控制蓄电池电流Ib为0；

2）当超导磁体电流I>Iup时，超导磁体中储存的能量偏大，控制蓄电池以额定充 电电流Ib-rate1充电，以吸收超导磁体中的多余能量，直至I=Iup，再次控制蓄电池电 流Ib为0；

3）当超导磁体电流I<Idown时，超导磁体中储存的能量偏低，此时控制蓄电池 以额定放电电流Ib-rate2放电，对超导磁体进行能量补充，直至I=Idown。

进一步地，所述超导磁体充/放电的具体控制方法如下：

1）当超导磁体运行于最优工作状况时，蓄电池电流Ib为0，蓄电池提供的功率为 0，超导磁体的输出功率控制目标为：

P_sc，ref＝P_s，ref-P_m；

2）当超导磁体中储存的能量偏大时，蓄电池充电，充电功率为Pb，则此时超导 磁体的输出功率控制目标为：

P_sc，ref＝P_s，ref-P_m+P_b;

3）当超导磁体中储存的能量偏小时，蓄电池放电，放电功率为Pb，此时超导磁 体的输出功率控制目标为：

P_sc，ref＝P_s，ref-P_m-P_b；

4)当P_b＞P_s，ref-P_m时，P_sc，ref＜0，超导磁体充电，否则超导磁体放电。

态。

本实施例中，DC/AC变流器、超导磁体和蓄电池可有采用常规技术的DC/AC变流器、 超导磁体和蓄电池，其连接方式和使用方法采用常规的连接方式和使用方法。PQ有功 /无功控制为常规技术的PQ有功/无功控制技术。

本发明将蓄电池储能与超导储能混合使用构成混合储能系统，结合两个储能元件 的优点来调节微电网功率平滑，该混合储能系统既能提供大功率，又有一定的储能容 量，且能允许频繁充放电，改善了微电网系统的控制效果，达到更好的性能和效益。