一种结合蓄电池与超级电容的微电网储能装置及控制方法与流程

本发明涉及一种结合蓄电池与超级电容的微电网储能装置及控制方法，属于微电网控制技术领域。

背景技术：

微电网在运行过程中，新能源发电功率波动与负荷波动的容易引起系统电压与频率的波动，甚至引起系统不稳定。为了维持微电网的稳定并提高电能质量，可在微电网系统中加入一定的储能装置。

蓄电池在储能设备中应用较为广泛，其能量密度较大，但是受电化学反应速率的限制，蓄电池的功率密度比较小，在短时间内不能快速的吸收或释放较大目标功率；超级电容充放电时内部发生的是物理变化，具有功率密度大的特点，可以在短时间内提供较大功率，但是能量密度比较低。鉴于超级电容与蓄电池在性能上有较强的互补性，可将它们通过构成微电网混合储能装置，以用于平抑微电网系统的功率波动。

当微电网功率发生波动时，需要采取有效的控制方法对超级电容与蓄电池进行准确的功率调度，以保证系统的稳定。现有的控制方法一般借鉴传统逆变器的功率反馈控制，而未对蓄电池与超级电容的特性差异、储能水平的变化、下垂控制器参数的自适应能力、抑制谐波等方面进行全面考虑，导致对储能装置功率调度的精度不高。

技术实现要素：

针对现有微电网中结合蓄电池与超级电容的储能装置功率调度精度不高的问题，本发明提出一种结合蓄电池与超级电容的微电网储能装置及控制方法，所述微电网储能装置包括蓄电池、超级电容、MPU控制器、第一单相逆变桥、第二单相逆变桥、第一LCL滤波器、第二LCL滤波器、第一驱动模块、第二驱动模块、第一至第四电流传感器、第一至第五电压传感器构成，并通过第一至第四电缆连接至微电网母线，其中，第一单相逆变桥由第一至第四功率管构成，第二单相逆变桥由第五至第八功率管构成；第一LCL滤波器与第二LCL滤波器均由单相逆变桥侧电感、滤波电容、电网侧电感构成；

第一驱动模块的输入端与MPU控制器连接，第一驱动模块的一输出端与第一单相逆变桥的第一功率管、第四功率管的栅极连接，第一驱动模块的另一输出端与第一单相逆变桥的第二功率管、第三功率管的栅极连接；

第二驱动模块的输入端与MPU控制器连接，第二驱动模块的一输出端与第二单相逆变桥的第五功率管、第八功率管的栅极连接，第二驱动模块的另一输出端与第二单相逆变桥的第六功率管、第七功率管的栅极连接；

超级电容的输出正端与第一电压传感器的测量正端连接，超级电容的输出负端与第一电压传感器的测量负端连接；第一电压传感器的测量输出端与MPU控制器连接；第一单相逆变桥的输入正端与超级电容的输出正端连接，第一单相逆变桥的输入负端与超级电容的输出负端连接，第一单相逆变桥的输出正端与第一电流传感器的测量正端连接，第一单相逆变桥的输出负端与第一LCL滤波器的滤波电容的负端连接；第一电流传感器的测量负端与第一LCL滤波器逆变桥侧电感的一端连接，第一电流传感器的测量输出端与MPU控制器连接；第一LCL滤波器逆变桥侧电感的另一端与第一LCL滤波器的滤波电容的正端连接；第一LCL滤波器电网侧电感的一端与第一LCL滤波器的滤波电容的正端连接，第一LCL滤波器电网侧电感的另一端与第二电流传感器的测量正端连接；第二电流传感器的测量负端与第二电压传感器的测量正端连接，第二电流传感器的测量输出端与MPU控制器连接；第二电压传感器的测量负端与第一单相逆变桥的输出负端连接，第二电压传感器的测量输出端与MPU控制器连接；第一电缆的一端与第二电流传感器的测量负端连接，第一电缆的另一端与微电网母线的正端连接；第二电缆的一端与第二电压传感器的测量负端连接，第二电缆的另一端与微电网母线的负端连接；第五电压传感器的测量正端与微电网母线的正端连接，第五电压传感器的测量负端与微电网母线的负端连接，第五电压传感器的测量输出端与MPU控制器连接；

蓄电池的输出正端与第三电压传感器的测量正端连接，蓄电池的输出负端与第三电压传感器的测量负端连接；第三电压传感器的测量输出端与MPU控制器连接；第二单相逆变桥的输入正端与蓄电池的输出正端连接，第二单相逆变桥的输入负端与蓄电池的输出负端连接，第二单相逆变桥的输出正端与第三电流传感器的测量正端连接，第二单相逆变桥的输出负端与第二LCL滤波器的滤波电容的负端连接；第三电流传感器的测量负端与第二LCL滤波器逆变桥侧电感的一端连接，第三电流传感器的测量输出端与MPU控制器连接；第二LCL滤波器逆变桥侧电感的另一端与第二LCL滤波器的滤波电容的正端连接；第二LCL滤波器电网侧电感的一端与第二LCL滤波器的滤波电容的正端连接，第二LCL滤波器电网侧电感的另一端与第四电流传感器的测量正端连接；第四电流传感器的测量负端与第四电压传感器的测量正端连接，第四电流传感器的测量输出端与MPU控制器连接；第四电压传感器的测量负端与第二单相逆变桥的输出负端连接，第四电压传感器的测量输出端与MPU控制器连接；第三电缆的一端与第四电流传感器的测量负端连接，第三电缆的另一端与微电网母线的正端连接；第四电缆的一端与第四电压传感器的测量负端连接，第四电缆的另一端与微电网母线的负端连接；

所述MPU控制器的工作原理包括以下步骤：

a.采集微电网的有功功率调度指令P^*与无功功率调度指令Q^*，分别经低通滤波器滤波后，得到有功功率调度指令P^*的低频部分P_L与无功功率调度指令Q^*的低频部分Q_L，则有功功率调度指令P^*的高频部分为P_H＝P^*-P_L，无功功率调度指令Q^*的高频部分为Q_H＝Q^*-Q_L；

b.在t时刻，利用第五电压传感器采集微电网母线电压u_g，利用第二电流传感器采集第一LCL滤波器电网侧电感电流i_g1，经过第一功率计算器得到时间段T内的超级电容的并网有功功率P₁与并网无功功率Q₁；利用第四电流传感器采集第二LCL滤波器电网侧电感电流i_g2，经过第二功率计算器得到时间段T内的蓄电池的并网有功功率P₂与并网无功功率Q₂；

c.将有功功率调度指令P^*的高频部分P_H、无功功率调度指令Q^*的高频部分Q_H、超级电容的并网有功功率P₁与并网无功功率Q₁输入第一变比例下垂控制器，计算出第一LCL滤波器输出电压的参考幅值U₁^*与参考频率f₁^*为：

其中，U_1H、f_1H分别为t-1时刻第一LCL滤波器输出电压的参考幅值和参考频率，k_p1和k_q1分别为超级电容的有功下垂系数和无功下垂系数，按照下式进行计算：

式中，a₁₁、a₁₂、a₂₁、a₂₂、b₁₁、b₁₂、b₂₁、b₂₂均为常数；

将有功功率调度指令P^*的低频部分P_L、无功功率调度指令Q^*的低频部分Q_L、蓄电池的并网有功功率P₂与并网无功功率Q₂输入第二变比例下垂控制器，计算出第二LCL滤波器输出电压的参考幅值U₂^*与参考频率f₂^*为：

其中，U_2L、f_2L分别为t-1时刻第二LCL滤波器输出电压的参考幅值和参考频率，k_p2和k_q2分别为超级电容的有功下垂系数和无功下垂系数，按照下式进行计算；

式中，a₃₁、a₃₂、a₄₁、a₄₂、b₃₁、b₃₂、b₄₁、b₄₂均为常数；

d.依据第一LCL滤波器输出电压的参考幅值和频率，利用参考电压合成模块生成正弦交流信号作为LCL第一滤波器输出电压的设定值信号U_1ref，利用第二电压传感器采集LCL第一滤波器输出电压信号U₁，将它们送入第一电压环，第一电压环按照比例积分控制器进行计算；依据第二LCL滤波器输出电压的参考幅值和频率，利用参考电压合成模块生成正弦交流信号作为LCL第二滤波器输出电压的设定值信号U_2ref，利用第四电压传感器采集LCL第二滤波器输出电压信号U₂，将它们送入第二电压环，第二电压环按照比例积分控制器进行输出；

其中K_pU2表示第二电压环比例系数，K_iU2表示第二电压环积分系数；

e.利用第一电流传感器采集第一LCL滤波器逆变桥侧电感电流i₁，利用第二电流传感器采集第一LCL滤波器电网侧电感电流i_g1，计算第一LCL滤波器滤波电容电流为i_c1＝i₁-i_g1，将其乘以虚拟阻抗R_d1Cs，然后与第一电压环的输出相加作为第一LCL滤波器逆变桥侧电感电流i₁的设定值i_1ref；将第一LCL滤波器逆变桥侧电感电流i₁与其设定值i_1ref送入第一电流环，第一电流环按照比例积分控制器进行输出；利用第三电流传感器采集第二LCL滤波器逆变桥侧电感电流i₂，利用第四电流传感器采集第二LCL滤波器电网侧电感电流i_g2，计算第二LCL滤波器滤波电容电流为i_c2＝i₂-i_g2，将其乘以虚拟阻抗R_d2Cs，然后与第二电压环的输出相加作为第二LCL滤波器逆变桥侧电感电流i₂的设定值i_2ref；将第二LCL滤波器逆变桥侧电感电流i₂与其设定值i_2ref送入第二电流环，第二电流环按照比例积分控制器进行输出；

f.利用第一电压传感器采集超级电容端电压U_d1，乘以前馈系数K₁，再与第一电流环的输出相乘作为第一驱动模块的占空比控制信号d₁，前馈系数K₁的计算公式为

其中U_d1s为超级电容的额定电压；

利用第三电压传感器采集蓄电池端电压U_d2，乘以前馈系数K₂，再与第二电流环的输出相乘作为第二驱动模块的占空比控制信号d₂，前馈系数K₂的计算公式为

其中U_d2s为蓄电池的额定电压。

本发明的有益效果在于：

(1)所提出的功率调度策略针对蓄电池与超级电容的特性差异，采用低通滤波器进行了功率调度指令的分解，由超级电容按照功率调度指令的高频部分进行输出，由蓄电池按照功率调度指令的低频部分进行输出；

(2)考虑到超级电容与蓄电池储能水平的变化，利用超级电容与蓄电池的端电压构造前馈信号对电流环的输出进行了修正；

(3)为了抑制LCL滤波器的谐波，将虚拟阻抗信号引入了电压环的设定值；

(4)随着功率工作点的变化，对所建立的功率下垂控制器中的参数进行相应调整，提高了功率控制环的自适应能力。

附图说明

图1为本发明提出的结合超级电容与蓄电池的储能装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案做进一步的详细描述，以使本领域技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举的实施例不作为对本发明的限定。

所述微电网储能装置包括蓄电池、超级电容、MPU控制器、第一单相逆变桥、第二单相逆变桥、第一LCL滤波器、第二LCL滤波器、第一驱动模块、第二驱动模块、第一至第四电流传感器(CT1～CT4)、第一至第五电压传感器(VT1～VT5)构成，并通过第一至第四电缆(Z1～Z4)连接至微电网母线，其中，第一单相逆变桥由第一至第四功率管(S1～S4)构成，第二单相逆变桥由第五至第八功率管构成(S5～S8)；第一LCL滤波器由单相逆变桥侧电感L11、滤波电容C₁、电网侧电感L12构成，第二LCL滤波器由单相逆变桥侧电感L21、滤波电容C₂、电网侧电感L22构成；

第一驱动模块的输入端与MPU控制器连接，第一驱动模块的一输出端与第一单相逆变桥的第一功率管S1、第四功率管S4的栅极连接，第一驱动模块的另一输出端与第一单相逆变桥的第二功率管S2、第三功率管S3的栅极连接；

第二驱动模块的输入端与MPU控制器连接，第二驱动模块的一输出端与第二单相逆变桥的第五功率管S5、第八功率管S8的栅极连接，第二驱动模块的另一输出端与第二单相逆变桥的第六功率管S6、第七功率管S7的栅极连接；

超级电容的输出正端与第一电压传感器VT1的测量正端连接，超级电容的输出负端与第一电压传感器VT1的测量负端连接；第一电压传感器VT1的测量输出端与MPU控制器连接；第一单相逆变桥的输入正端与超级电容的输出正端连接，第一单相逆变桥的输入负端与超级电容的输出负端连接，第一单相逆变桥的输出正端与第一电流传感器CT1的测量正端连接，第一单相逆变桥的输出负端与第一LCL滤波器的滤波电容C₁的负端连接；第一电流传感器CT1的测量负端与第一LCL滤波器逆变桥侧电感L11的一端连接，第一电流传感器CT1的测量输出端与MPU控制器连接；第一LCL滤波器逆变桥侧电感L11的另一端与第一LCL滤波器的滤波电容C₁的正端连接；第一LCL滤波器电网侧电感L12的一端与第一LCL滤波器的滤波电容C₁的正端连接，第一LCL滤波器电网侧电感L12的另一端与第二电流传感器CT2的测量正端连接；第二电流传感器CT2的测量负端与第二电压传感器VT2的测量正端连接，第二电流传感器CT2的测量输出端与MPU控制器连接；第二电压传感器VT2的测量负端与第一单相逆变桥的输出负端连接，第二电压传感器VT2的测量输出端与MPU控制器连接；第一电缆Z₁的一端与第二电流传感器CT2的测量负端连接，第一电缆Z₁的另一端与微电网母线的正端连接；第二电缆Z₂的一端与第二电压传感器VT2的测量负端连接，第二电缆Z₂的另一端与微电网母线的负端连接；第五电压传感器VT5的测量正端与微电网母线的正端连接，第五电压传感器VT5的测量负端与微电网母线的负端连接，第五电压传感器VT5的测量输出端与MPU控制器连接；

蓄电池的输出正端与第三电压传感器VT3的测量正端连接，蓄电池的输出负端与第三电压传感器VT3的测量负端连接；第三电压传感器VT3的测量输出端与MPU控制器连接；第二单相逆变桥的输入正端与蓄电池的输出正端连接，第二单相逆变桥的输入负端与蓄电池的输出负端连接，第二单相逆变桥的输出正端与第三电流传感器CT3的测量正端连接，第二单相逆变桥的输出负端与第二LCL滤波器的滤波电容C₂的负端连接；第三电流传感器CT3的测量负端与第二LCL滤波器逆变桥侧电感L21的一端连接，第三电流传感器的测量输出端与MPU控制器连接；第二LCL滤波器逆变桥侧电感L21的另一端与第二LCL滤波器的滤波电容C₂的正端连接；第二LCL滤波器电网侧电感的一端与第二LCL滤波器的滤波电容的正端连接，第二LCL滤波器电网侧电感L21的另一端与第四电流传感器CT4的测量正端连接；第四电流传感器CT4的测量负端与第四电压传感器VT4的测量正端连接，第四电流传感器CT4的测量输出端与MPU控制器连接；第四电压传感器VT4的测量负端与第二单相逆变桥的输出负端连接，第四电压传感器VT4的测量输出端与MPU控制器连接；第三电缆Z₃的一端与第四电流传感器CT4的测量负端连接，第三电缆Z₃的另一端与微电网母线的正端连接；第四电缆Z₄的一端与第四电压传感器VT4的测量负端连接，第四电缆Z₄的另一端与微电网母线的负端连接；

所述MPU控制器的工作原理包括以下步骤：

a.采集微电网的有功功率调度指令P^*与无功功率调度指令Q^*，分别经低通滤波器滤波后，得到有功功率调度指令P^*的低频部分P_L与无功功率调度指令Q^*的低频部分Q_L，低通滤波器的计算公式为

其中，ω_c为低通滤波器截止频率，ω为输入信号的频率，则有功功率调度指令P^*的高频部分为

P_H＝P^*-P_L

无功功率调度指令Q^*的高频部分为

Q_H＝Q^*-Q_L

b.在t时刻，利用第五电压传感器采集微电网母线电压u_g，利用第二电流传感器采集第一LCL滤波器电网侧电感电流i_g1，经过第一功率计算器得到时间段T内的超级电容的并网有功功率P₁与并网无功功率Q₁；利用第四电流传感器采集第二LCL滤波器电网侧电感电流i_g2，经过第二功率计算器得到时间段T内的蓄电池的并网有功功率P₂与并网无功功率Q₂，第一功率计算器的原理为

第二功率计算器的原理为

c.将有功功率调度指令P^*的高频部分P_H、无功功率调度指令Q^*的高频部分Q_H、超级电容的并网有功功率P₁与并网无功功率Q₁输入第一变比例下垂控制器，计算出第一LCL滤波器输出电压的参考幅值U₁^*与参考频率f₁^*为：

其中，U_1H、f_1H分别为t-1时刻第一LCL滤波器输出电压的参考幅值和参考频率，k_p1和k_q1分别为超级电容的有功下垂系数和无功下垂系数，按照下式进行计算：

式中，a₁₁、a₁₂、a₂₁、a₂₂、b₁₁、b₁₂、b₂₁、b₂₂均为常数；

将有功功率调度指令P^*的低频部分P_L、无功功率调度指令Q^*的低频部分Q_L、蓄电池的并网有功功率P₂与并网无功功率Q₂输入第二变比例下垂控制器，计算出第二LCL滤波器输出电压的参考幅值U₂^*与参考频率f₂^*为：

其中，U_2L、f_2L分别为t-1时刻第二LCL滤波器输出电压的参考幅值和参考频率，k_p2和k_q2分别为超级电容的有功下垂系数和无功下垂系数，按照下式进行计算；

式中，a₃₁、a₃₂、a₄₁、a₄₂、b₃₁、b₃₂、b₄₁、b₄₂均为常数；

d.依据第一LCL滤波器输出电压的参考幅值和频率，利用参考电压合成模块生成正弦交流信号作为LCL第一滤波器输出电压的设定值信号U_1ref，利用第二电压传感器采集LCL第一滤波器输出电压信号U₁，将它们送入第一电压环，第一电压环按照比例积分控制器进行计算，其传递函数为

其中K_pU1表示第一电压环比例系数，K_iU1表示第一电压环积分系数；

依据第二LCL滤波器输出电压的参考幅值和频率，利用参考电压合成模块生成正弦交流信号作为LCL第二滤波器输出电压的设定值信号U_2ref，利用第四电压传感器采集LCL第二滤波器输出电压信号U₂，将它们送入第二电压环，第二电压环按照比例积分控制器进行输出，其传递函数为

其中K_pU2表示第二电压环比例系数，K_iU2表示第二电压环积分系数；

e.利用第一电流传感器采集第一LCL滤波器逆变桥侧电感电流i₁，利用第二电流传感器采集第一LCL滤波器电网侧电感电流i_g1，计算第一LCL滤波器滤波电容电流为i_c1＝i₁-i_g1，将其乘以虚拟阻抗R_d1C_s，然后与第一电压环的输出相加作为第一LCL滤波器逆变桥侧电感电流i₁的设定值i_1ref；将第一LCL滤波器逆变桥侧电感电流i₁与其设定值i_1ref送入第一电流环，第一电流环按照比例积分控制器进行输出，其传递函数为

其中K_pi1表示第一电流环比例系数，K_ii1表示第一电流环积分系数；

利用第三电流传感器采集第二LCL滤波器逆变桥侧电感电流i₂，利用第四电流传感器采集第二LCL滤波器电网侧电感电流i_g2，计算第二LCL滤波器滤波电容电流为i_c2＝i₂-i_g2，将其乘以虚拟阻抗R_d2Cs，然后与第二电压环的输出相加作为第二LCL滤波器逆变桥侧电感电流i₂的设定值i_2ref；将第二LCL滤波器逆变桥侧电感电流i₂与其设定值i_2ref送入第二电流环，第二电流环按照比例积分控制器进行输出，其传递函数为

其中K_pi2表示第二电流环比例系数，K_ii2表示第二电流环积分系数；

f.利用第一电压传感器采集超级电容端电压U_d1，乘以前馈系数K₁，再与第一电流环的输出相乘作为第一驱动模块的占空比控制信号d₁，前馈系数K₁的计算公式为

其中U_d1s为超级电容的额定电压；

利用第三电压传感器采集蓄电池端电压U_d2，乘以前馈系数K₂，再与第二电流环的输出相乘作为第二驱动模块的占空比控制信号d₂，前馈系数K₂的计算公式为

其中U_d2s为蓄电池的额定电压。