一种采用fal函数滤波器的混合储能系统控制方式

本发明涉及微电网中混合储能系统的控制领域，特别涉及一种锂离子电池和超级电容的滤波控制方法及装置。

背景技术：

1、储能系统是直流微电网中很重要的部分，它对整个微电网系统的稳定以及能效有很大影响，对储能具有非常高的性能要求。在几种常用的能量存储技术中，电池能量存储和超级电容器能量存储已经成熟，相对便宜，由于单个储能单元存在一些不足，因此可以采用两个储能单元进行优势互补，组成混合储能系统(hess)。hess可以更快的使母线电压趋于平稳，使整个微电网系统一直保持稳定运行与单个储能单元相比，hess能够利用各个储能单元的优势进行互补，提高了储能单元的性能和寿命。因此，对混合储能系统进行不断的研究是十分必要的。在传统控制方案中，低通滤波器将总电流分解为低频和高频分量，分别作为电池和sc的参考电流。但是电流流经低通滤波器时，不可避免的产生了一段相位的延迟，从而影响了储能系统的响应速度。对系统的稳定产生了不利影响。

技术实现思路

1、为了使混合储能系统有更快的响应速度，以平抑不稳定的新能源系统发电，并且减小蓄电池峰值电流，维持母线电压的稳定，保持微电网的供电质量。为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案。

2、本研究围绕滤波控制方法展开，首先对改进的滤波控制进行验证。在传统方案中，将总电流分解为低频和高频分量，分别作为电池和sc的参考电流。但在本研究的控制方案中(如图1)，sc参考电流由一个高频分量和电池电流的一个误差分量组成，将在下面进行讲解。

3、低频分量(ilfc)是由it推导出来的

4、ilfc＝flpf(it)  (1)

5、其中flpf是低通滤波器的函数。为了限制电池电流的充放电速率，引入了如图所示的速率限制器(rl)。给出了限流器的输出作为电池变换器的参考电流信号

6、ibattref＝frl(ilfc)  (2)

7、将电池的参考电流与实际电流进行比较，并将电流的差值给出比例积分控制器。为了使电流差最小化，pi控制器产生控制信号dbatt。如图所示，将该占空比给定给pwm发生器，以向电池转换开关(sw1,sw2)产生pwm脉冲。

8、由于dc/dc变换器的电惯性，电池变换器可能不会立即跟随参考电流ibatt-ref。因此，总电流(ic)的未补偿分量为

9、ic＝it-ibatt  (3)

10、因此，电池的未补偿功率为

11、

12、超级电容必须为电池提供无补偿的电力。因此，将超级电容的实际电流和参考电流相互比较，然后将误差信号传递给pi控制器。pi控制器产生控制信号dsc，使误差最小化。将该控制信号交给pwm发生器，产生对应于sc开关(sw3,sw4)的pwm脉冲，如图所示。

13、为了理解所提出的控制策略的思想，在(3)中加减ibatt-ref，并在(5)中替换，得到:

14、

15、其中ihfc(＝it-ibatt-ref)是it的高频部分，ibatt-err(＝ibatt-ref-ibatt)是电池电流中的误差，这是由于电池的缓慢动态。因此，sc不仅补偿了快速变化的电涌的高频分量，还补偿了未补偿的电池功率。

16、fal函数滤波器独特的性质，在输入信号波动信号很大时，其滤波性能与速度和传统低通滤波器相比相差不大，但是在微电网中输入端的信号始终处于被控状态，波动幅度较小，此时fal函数滤波器的滤波速度比传统滤波器有了显著提升，在微电网混合储能系统控制的领域中，因其出色的滤波响应速度而显著缩短储能系统中超级电容的出力响应时间，进而提升了微电网系统的鲁棒性。

17、验证控制策略的正确性后将继续引入fal函数滤波器下图为fal函数滤波器的框图。fal函数滤波器对于信号有较好的滤波效果并具有较好的状态跟踪效果。这种效果恰恰对混合储能系统极为适用，混合储能系统的滤波控制输入信号是低频波动中夹杂着很多高频信号，传统控制算法中的低通滤波器虽然可以将高低频率不同的信号进行分离处理分别交由超级电容和蓄电池进响应，但是传统的滤波器因为跟踪性能不好，这用跟踪延迟对超级电容这种低时间尺度的功率型储能元件是致命的，但是因为fal滤波器的引入，可以大大削弱这种跟踪延迟，可以对微电网的稳定性和供电效果产生稳定的优化。fal函数滤波器独特的性质，在输入信号波动信号很大时，其滤波性能与速度和传统低通滤波器相比相差不大，但是在微电网中输入端的信号始终处于被控状态，波动幅度较小，此时fal函数滤波器的滤波速度比传统滤波器有了显著提升，在微电网混合储能系统控制的领域中，因其出色的滤波响应速度而显著缩短储能系统中超级电容的出力响应时间，进而提升了微电网系统的鲁棒性。

技术特征：

1.一种采用非线性函数构建滤波器的混合储能滤波控制算法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述fal函数滤波器定义了滤波因子，并说明了滤波器的工作原理，将一种是将带有波动输出的积分定义为一个新的状态，将新的状态扩展到原有的状态观测器中实现了对新状态的跟踪从而实现了滤波，混合储能系统选择了主动式拓扑（即超级电容和锂电池都并联了dc-dc变换器），光伏系统选择了mppt的工作模式。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，fal函数滤波器对于信号有较好的滤波效果并具有较好的状态跟踪效果；这种效果恰恰对混合储能系统极为适用，混合储能系统的滤波控制输入信号是低频波动中夹杂着很多高频信号，传统控制算法中的低通滤波器虽然可以将高低频率不同的信号进行分离处理分别交由超级电容和蓄电池进响应，但是传统的滤波器因为跟踪性能不好，产生的跟踪延迟对超级电容这种低时间尺度的功率型储能元件是影响巨大的，但是因为fal滤波器的引入，可以大大削弱这种跟踪延迟，可以对微电网的稳定性和供电效果产生稳定的优化。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，fal函数滤波器独特的性质，在输入信号波动信号很大时，其滤波性能与速度和传统低通滤波器相比相差不大，但是在微电网中输入端的信号始终处于被控状态，波动幅度较小，此时fal函数滤波器的滤波速度比传统滤波器有了显著提升，在微电网混合储能系统控制的领域中，因其出色的滤波响应速度而显著缩短储能系统中超级电容的出力响应时间，进而提升了微电网系统的鲁棒性。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在系统模型中于0.4s改变光伏系统的光照强度，以此来模拟微电网中新能源的波动性和不确定性，通过母线电压的波动情况来反映当新能源系统发电波动时，微电网的鲁棒性和抗干扰能力，并且通过蓄电池的电流和功率等出力情况来反映蓄电池的寿命衰减和损耗；系统采用500w的恒功率负载，通过负载的功率、电压和电流等指标模拟微电网系统的供电质量。

技术总结
本发明提出了一种新型滤波控制算法，应用于锂电池和超级电容构成的混合储能系统，该方法主要包括以下步骤：建立混合储能系统的数学模型，基于混合储能系统数学模型，选择DC‑DC控制电路，通过电压电流双闭环控制方法得到开关信号对变换器进行控制，得到开关信号。本发明采用一种非线性函数（Fal函数）建立滤波器代替传统的低通滤波器，相比于传统的滤波控制算法，储能系统的响应速度提升了三分之一，对微电网的鲁棒性能有显著提升。

技术研发人员：于德亮,陈傲,张瀚文
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12