一种混合储能系统及其控制方法与流程

本发明涉及混合储能系统技术领域，具体涉及一种混合储能系统及其控制方法。

背景技术：

目前，常见的储能技术包括化学储能(包括铅酸蓄电池、锂电池、钠硫电池、全钒液流电池和铅炭电池)、物理储能(包括飞轮储能、压缩空气储能和抽水蓄能)、超级电容储能和燃料电池等。各种储能技术各有优点和缺点，根据不同特点将其混合使用，构成混合储能系统，实现较单个储能技术更好的功能，已经成为当前学界和业界研究的热点。

目前主要的混合储能系统一般采用功率型储能和能量型储能混合的方式，分别承担储能系统中的高频部分和低频部分，以发挥储能介质各自的优势。目前的技术主要采用蓄电池与超级电容并联，例如：《一种提高锂电池寿命的储能系统运行优化控制方法》(公布号：cn103326428a)设计了一种双电池储能单元主电路结构和协调控制方法。通过超级电容与蓄电池并联，可以减少一部分蓄电池的高频响应，一定程度上延长蓄电池的工作寿命，提高系统的经济性。

但是上述混合储能系统中仍存在以下缺陷：超级电容单元和电池单元采取简单的分别独立并联的模式，在电池充放电过程，负载电网固有的电流、电压的波动依旧会对蓄电池产生负面影响，进而影响其寿命。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种混合储能系统及其控制方法，以解决现有混合储能系统中蓄电池易受到负载电网的电流波动和电压波动的影响，进而影响其寿命的问题，提高系统的经济性。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种混合储能系统，包括蓄电池储能子系统、飞轮储能子系统、采集单元和控制单元；其中，所述蓄电池储能子系统和飞轮储能子系统并联构成储能系统，所述储能系统与负载电网连接；所述采集单元用于采集所述负载电网的电流与电压，并与所述控制单元连接；所述蓄电池储能子系统包括并联设置的第一蓄电池与第二蓄电池；所述飞轮储能子系统包括多个并联设置的飞轮单元；所述第一蓄电池、第二蓄电池和飞轮单元均与所述控制单元连接，所述控制单元根据所述采集单元的反馈信息，控制所述第一蓄电池和/或第二蓄电池向所述负载电网进行低频响应，或，控制所述飞轮单元向所述负载电网进行高频响应。

其中，每个所述飞轮单元所在的支路上均串联有ac-dc双向变换器。

其中，所述储能系统通过dc-dc双向变换器与负载电网连接。

其中，所述飞轮储能子系统还包括滤波电容和平波电感，所述滤波电容与所述飞轮单元并联，所述平波电感与所述飞轮单元串联。

本发明还提供一种上述混合储能系统的控制方法，具体包括以下步骤：

采集所述负载电网的电压和电流，并根据所述电压和电流确定所述负载电网的调频模式；

根据所述负载电网的调频模式，控制第一蓄电池、第二蓄电池和飞轮单元的运行，具体如下：

若所述负载电网的调频模式为一次调频，则执行工作模式一；

若所述负载电网的调频模式为二次调频，则执行工作模式二；

若所述负载电网的调频模式为无需调频，则执行工作模式三；

其中，所述工作模式一：所述第一蓄电池和第二蓄电池处于待机状态，所述飞轮单元对所述负载电网进行高频响应；所述工作模式二：所述第一蓄电池和/或第二蓄电池对所述负载电网进行低频响应，所述飞轮单元处于待机状态，所述工作模式三：所述第一蓄电池和第二蓄电池停止运行，所述飞轮单元处于待机状态。

其中，所述工作模式二还包括：判断所述电压和/或电流超出所述第一蓄电池或第二蓄电池的运行工况，若超出，则执行工作模式一。

其中，所述工作模式二还包括：估算所述第一蓄电池的soca值和第二蓄电池的socb值，并根据所述soca值、socb值和预设条件，控制所述第一蓄电池、第二蓄电池和飞轮单元的运行；

其中，所述soca值为第一蓄电池实时剩余电量与相同条件下额定容量的比值，所述socb值为第二蓄电池实时剩余电量与相同条件下额定容量的比值。

其中，所述预设条件具体包括：

当soca＝s0且socb＝s1时，所述第一蓄电池处于充电状态，所述第二蓄电池处于放电状态；

当soca＝s1或socb＝s0时，对所述第一蓄电池或第二蓄电池进行复位，使soca＝s1且socb＝s0，并使所述第一蓄电池处于放电状态，所述第二蓄电池处于充电状态；

当soca＝s0或socb＝s1时，对所述第一蓄电池或第二蓄电池进行复位，使soca＝s0且socb＝s1，并使所述第一蓄电池处于充电状态，所述第二蓄电池处于放电状态；

当soca＝s1且socb＝s0时，所述第一蓄电池处于放电状态，所述第二蓄电池处于充电状态；

其中，s0为soca与socb的最小值，s1为soca与socb的最大值，且s0+s1＝1。

其中，所述第一蓄电池或第二蓄电池进行复位具体为：所述飞轮单元向所述第一蓄电池或第二蓄电池充电，或，所述第一蓄电池或第二蓄电池向所述飞轮单元放电。

其中，所述预设条件具体包括:

当soca+socb＝1时，所述飞轮单元处于待机状态；当soca+socb<1时，所述飞轮单元处于放电状态；当soca+socb>1时，所述飞轮单元处于充电状态。

(三)有益效果

本发明提供一种混合储能系统及其控制方法，具有如下优点：

1)飞轮单元向负载电网进行高频响应，对蓄电池储能子系统进行保护，使第一蓄电池和/或第二蓄电池向负载电网进行低频响应，延长其工作寿命，提高系统的经济性；

2)飞轮单元储能具有效率高，响应速度快，充电时间短等优点，可应用于可再生能源并网、微网、调频调峰以及轨道交通列车制动能回收等工况；

3)采集单元采集负载电网的电流与电压，控制单元根据采集数据控制第一蓄电池、第二蓄电池和飞轮单元的运行，避免了负载电网固有的电流、电压的波动对蓄电池储能子系统的负面影响；同时，飞轮单元在蓄电池储能子系统工作时为其提供过电流和过电压的保护。

附图说明

图1为本发明实施例1中一种混合储能系统的结构示意图；

图2为本发明实施例2中一种混合储能系统的控制方法的流程图；

图3为本发明实施例3中一种混合储能系统的控制方法的复位功能流程图；

图4为本发明实施例4中一种混合储能系统的控制方法的补偿功能流程图；

附图标记说明

1-dc-dc双向变换器；2-第一蓄电池；3-第二蓄电池；4-滤波电容；5-平波电感；6-ac-dc双向变换器；7-飞轮单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明描述的蓄电池，包括但不仅限于铅酸蓄电池、铅炭电池、磷酸铁锂电池、三元锂电池、碳酸锂电池、钴酸锂电池等各种电化学电池。

实施例1：

如图1所示，为本实施例提供的一种混合储能系统，包括蓄电池储能子系统、飞轮储能子系统、采集单元和控制单元。

蓄电池储能子系统和飞轮储能子系统并联构成储能系统，储能系统通过dc-dc双向变换器1与负载电网连接。其中，负载电网的母线电压为1500v。采集单元用于采集负载电网的电流与电压，并与控制单元连接。

蓄电池储能子系统包括并联设置的第一蓄电池2与第二蓄电池3。本实施例中，第一蓄电池2与第二蓄电池3为18kwh锂电池模组；进一步的，每个18kwh模组包括附属的检测模块、均衡电路和保护模块等部件，其中保护模块具有热管理、电压电流保护等功能。

飞轮储能子系统包括多个并联设置的飞轮单元7。本实施例中，飞轮储能子系统由三个250kw/3kwh飞轮单元7并联设置构成；每个飞轮单元由飞轮转子、电动机/发电机、磁轴承及控制器、壳体及真空泵等附属系统组成。进一步的，每个飞轮单元7所在的支路上串联的ac-dc双向变换器6。进一步的，飞轮储能子系统还包括滤波电容4和平波电感5。滤波电容4与飞轮单元7并联，平波电感5与飞轮单元7串联。

第一蓄电池2、第二蓄电池3和飞轮单元7均与控制单元连接，控制单元根据采集单元的反馈信息，控制第一蓄电池2和/或第二蓄电池3向负载电网进行低频响应，或，控制飞轮单元7向负载电网进行高频响应。

本实施例中，飞轮储能子系统与蓄电池储能子系统的通讯控制接口通过can总线、485接口、232串口或i/o接口连接。飞轮单元7的内部通讯包括1组can接口和1组rs485接口，它们均用于控制单元与飞轮单元7的交互通讯，既可以控制飞轮单元7的充放电，又可以查询飞轮单元7的运行状态，包括：现有储电量、飞轮转速、电压和电流、温度、飞轮电池腔内真空度、工作模式以及故障模式等。

本实施例中，飞轮储能子系统串联有开关k3；第一蓄电池2所在的支路上串联有开关k1；第二蓄电池3所在的支路上串联有开关k2；三个飞轮单元7所在的支路上分别设有开关k4、开关k5、开关k6。控制单元通过上述开关控制第一蓄电池2、第二蓄电池3与飞轮单元7的启停。同时，开关k3主要是在蓄电池储能子系统或飞轮储能子系统故障时，切出飞轮储能子系统；开关k4、开关k5和开关k6主要是在某飞轮单元7故障或检修时，切出某飞轮单元7，保证整个混合储能系统和负载的安全。开关k1-开关k6分别为接触器、断路器、负载开关或熔断器的一种或几种。

下面通过具体的过程，进一步详细的说明。

采集单元采集负载电网的电压电流等参数，控制单元根据电压和电流确定负载电网的调频模式；负载电网所需的调频模式包括一次调频、二次调频和无需调频；

根据负载电网的调频模式，控制第一蓄电池2、第二蓄电池3和飞轮单元7的运行，实现向负载电网进行低频响应或高频相应，具体如下：

若负载电网的调频模式为一次调频，即负载电网的波动特点为幅度小，周期短，负荷变动具有很大的偶然性。此时，开关k1和开关k2断开，开关k3～开关k6闭合，飞轮单元根据各自的储能情况对负载电网进行高频响应，直到负载电网平衡。

若负载电网的调频模式为二次调频，即负载电网的波动特点为幅度较大，周期较长。此时，开关k1和/或开关k2闭合，第一蓄电池和/或第二蓄电池进入充放电工作。

若负载电网的调频模式为无需调频，开关k1和开关k2断开，开关k3～开关k6闭合，此时，第一蓄电池和第二蓄电池关闭，各飞轮单元处于待机状态，不进行充放电操作。

进一步的，若负载电网的调频模式为二次调频，判断电压和/或电流是否超出第一蓄电池和第二蓄电池本身的运行工况。若超出，则开关k1和开关k2断开，飞轮单元根据各自的储能情况对负载电网进行响应，为第一蓄电池和第二蓄电池提供过电流和过电压的保护。

本实施例提供一种混合储能系统，飞轮单元向负载电网进行高频响应，对蓄电池储能子系统进行保护，使第一蓄电池和/或第二蓄电池向负载电网进行低频响应，延长其工作寿命，提高系统的经济性，并可应用于可再生能源并网、微网、调频调峰以及轨道交通列车制动能回收等工况；另一方面，采集单元采集负载电网的电流与电压，确定负载电网的调频模式，进而控制第一蓄电池、第二蓄电池和飞轮单元的运行，避免了负载电网固有的电流、电压的波动对蓄电池储能子系统的负面影响。

实施例2：

如图2所示，本实施例提供一种混合储能系统的控制方法，具体包括如下步骤：

采集负载电网的电压和电流，并根据电压和电流确定负载电网的调频模式；

根据负载电网的调频模式，控制第一蓄电池、第二蓄电池和飞轮单元的运行，具体如下：

若负载电网的调频模式为一次调频，执行工作模式一：第一蓄电池和第二蓄电池处于待机状态，飞轮单元对负载电网进行高频响应；此时，开关k1和开关k2断开，开关k3～开关k6闭合，飞轮单元根据各自的储能情况对负载电网进行高频响应，直到负载电网平衡。

若负载电网的调频模式为二次调频，执行工作模式二：第一蓄电池和/或第二蓄电池对负载电网进行低频响应，飞轮单元处于待机状态；此时，开关k1和/或开关k2闭合，开关k3闭合，开关k4～开关k6闭合，第一蓄电池和/或第二蓄电池进入充放电工作

若负载电网的调频模式为无需调频，执行工作模式三：第一蓄电池和第二蓄电池停止运行，飞轮单元处于待机状态。此时，开关k1和开关k2断开，开关k3～开关k6闭合，各飞轮单元处于待机状态，不进行充放电操作。

进一步的，为第一蓄电池和第二蓄电池提供过电流和过电压的保护。工作模式二还包括：判断所述电压和/或电流超出所述第一蓄电池或第二蓄电池的运行工况，若超出，则执行工作模式一。

本实施例提供一种混合储能系统的控制方法，通过采集负载电网的电流与电压，确定负载电网的调频模式，进而控制第一蓄电池、第二蓄电池和飞轮单元的工作模式，避免了负载电网固有的电流、电压的波动对蓄电池储能子系统的负面影响；同时，本实施例中通过飞轮单元向负载电网进行高频响应，对第一蓄电池和第二蓄电池进行保护，延长其工作寿命，提高系统的经济性，并可应用于可再生能源并网、微网、调频调峰以及轨道交通列车制动能回收等工况。

实施例3：

本实施例与实施例2基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例2相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例2不同之处：

如图3所示，工作模式二还包括：估算第一蓄电池的soca值和第二蓄电池的socb值，并根据soca值、socb值和预设条件，控制第一蓄电池、第二蓄电池和飞轮单元的运行。本实施例中，预设条件具体包括：

当soca＝s0且socb＝s1时，蓄电池储能子系统处于初始状态1；此时，第一蓄电池为充电状态，第二蓄电池为放电状态。

当soca＝s1或socb＝s0时，蓄电池储能子系统处于临界状态1，对第一蓄电池或第二蓄电池进行复位，使soca＝s1且socb＝s0。此时，蓄电池储能子系统处于初始状态2，第一蓄电池为放充电状态，第二蓄电池为充电状态。第一蓄电池或第二蓄电池进行复位具体为：飞轮单元向第一蓄电池充电，或，第二蓄电池向飞轮单元放电。

当soca＝s0或socb＝s1时，蓄电池储能子系统处于临界状态2，对第一蓄电池或第二蓄电池进行复位，使soca＝s0且socb＝s1。此时，蓄电池储能子系统处于初始状态1，第一蓄电池为充电状态，第二蓄电池为放充电状态。第一蓄电池或第二蓄电池进行复位具体为：飞轮单元向第二蓄电池充电，或，第一蓄电池向飞轮单元放电。

当soca＝s1且socb＝s0时，蓄电池储能子系统处于初始状态2，此时，第一蓄电池为放电状态，第二蓄电池为充电状态。

电池在一定放电倍率下，剩余电量与相同条件下额定容量的比值是soc值。本实施例中，定义soca值为第一蓄电池实时剩余电量与相同条件下额定容量的比值；定义socb值为第二蓄电池实时剩余电量与相同条件下额定容量的比值；soca与socb的取值范围为0～1。s0为设计的电池放空到最小时的soc值，s1为设计的电池充满到最大时的soc值，即s0为soca与socb的最小值，s1为soca与socb的最大值，且s0+s1＝1。

本实施例中，s0和s1通过开路电压法估算得到，soca和socb通过电流积分法估算得到。进一步的，考虑到锂电池的衰减，可以每隔若干充放电周期，复位时再次通过开路电压法估算s0和s1值，重新进行s0和s1值的设定。

本实施例提供一种混合储能系统的控制方法，通过设定s0、s1，切换第一蓄电池与第二蓄电池的运行状态，实现充电和放电同时进行；另一方面，通过在临界状态1和临界状态2时，对soca与socb进行复位，减小了soca与socb在估算过程中给的误差，避免在充放电的反复进行后，估算误差的逐渐累积放大，进而导致第一蓄电池与第二蓄电池趋于浅充浅放，保证第一蓄电池与第二蓄电池处于深充深放的使用模式，提高了混合储能系统的经济性。

实施例4：

本实施例与实施例3基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例3相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例3不同之处：

如图4所示，预设条件具体包括:当soca+socb＝1时，飞轮单元处于待机状态；当soca+socb<1时，飞轮单元处于放电状态；当soca+socb>1时，飞轮处于单元处于充电状态。

具体的，为了描述方便，本实施例中以第一蓄电池负责充电，第二蓄电池负责放电为例进行说明。定义第一蓄电池的充电功率为pa，第二蓄电池的放电功率为pb，三个飞轮单元总的充放电功率为pf，储能系统总的充放电功率为p。

当soca+socb＝1时，飞轮单元处于待机状态，不参与蓄电池的充放电；此时，第一蓄电池充电时，p＝pa；第二蓄电池放电时，p＝pb。

当soca+socb<1时，蓄电池储能子系统处于充少放多的状态，控制飞轮单元工作于放电状态，对蓄电池储能子系统进行补偿。此时，第一蓄电池充电时，pa＝p+pf；第二蓄电池放电时，pb＝p-pf。其中，储能系统总的充放电功率p主要根据负载电网负荷变化的需求计算得到；飞轮单元总的充放电功率pf由下式计算得到：

pf＝α0k1k2p0

其中，α0＝soca+socb，k1为飞轮单元的剩余储能量系数，0<k1<1，k2为飞轮单元的容量功率比，p0为飞轮单元的额定功率。

当soca+socb>1时，蓄电池储能子系统处于充多放少的状态，控制飞轮单元工作于充电状态，对蓄电池储能子系统进行补偿。此时，第一蓄电池充电时，pa＝p-pf；第二蓄电池放电时，pb＝p+pf。

本实施例提供一种混合储能系统的控制方法，根据soca+socb的值，控制飞轮单元的运行，进而对第一蓄电池和第二蓄电池的soc值的偏离进行补偿，平衡第一蓄电池和第二蓄电池的soc差值，使soca+socb尽可能的等于1。避免因soc值的误差，使第一蓄电池与第二蓄电池趋向于浅充浅放，提高了混合储能系统的经济性。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。