一种超容储能单位的自适应充放电速率控制方法及系统与流程

本发明涉及电力电子与能源存储，具体为一种超容储能单位的自适应充放电速率控制方法及系统。

背景技术：

1、随着对可再生能源和高效能源存储解决方案的需求日益增长，超级电容器（超容储能单位）因其快速充放电能力、高能量密度和长寿命特性而日益受到关注。超级电容器桥接了传统电容器和电池技术之间的差距，提供了一种在能量存储和快速能量释放之间平衡的解决方案。这使得它们非常适用于电动汽车、可再生能源发电和电网管理等领域，其中能量需求具有高度动态变化性。传统的能量管理方法通常依赖于固定参数的控制策略，这些策略往往无法适应快速变化的操作条件和环境因素。

2、然而，尽管超级电容器具有显著的优势，现有技术在实现最优充放电控制方面仍面临一些限制。首先，许多现有系统采用的控制策略未能充分利用超级电容器的动态响应能力，导致能量效率低下和寿命缩短。其次，现有方法往往缺乏对不同操作状态下电容器行为的预测能力，无法实现真正的自适应控制。此外，大多数控制系统未能整合先进的数据分析和实时反馈机制，从而无法实时调整控制参数以最大化性能和效率。这些问题限制了超级电容器在更广泛应用中的潜力，尤其是在需要高度可靠和效率的先进能源解决方案的场合。

技术实现思路

1、鉴于上述存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明解决的技术问题是：现有的充放电控制方法存在稳定性低，效率低，不够灵活，以及无法发挥最大能效的问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种超容储能单位的自适应充放电速率控制方法，包括采集超容储能单位充放电数据；构建状态空间模型描述超容储能单位动态行为；通过多目标优化控制充放电速率并设置约束控制；利用状态空间模型和优化目标控制构建模型预测控制策略。

4、本发明所述的超容储能单位的自适应充放电速率控制方法的一种优选方案，其中：所述采集超容储能单位充放电数据包括采集电压数据、电流数据、电荷状态、温度数据、环境条件和控制输入；

5、所述电压数据包括超容储能单位在不同充放电状态下的电压变化；

6、所述电流数据包括充电和放电时的电流值；

7、所述电荷状态包括超容储能单位的当前电荷量与总容量的比例；

8、所述温度数据包括捕捉超容储能单位在操作过程中的内部和表面温度；

9、所述环境条件包括温度和湿度；

10、所述控制输入包括电流变化率和温度变化率。

11、作为本发明所述的超容储能单位的自适应充放电速率控制方法的一种优选方案，其中：所述构建状态空间模型描述超容储能单位动态行为包括创建状态空间模型描述超容储能单位的物理和化学行为，采集状态向量和控制输入；

12、所述状态向量定义包括电压、电流、电荷状态和温度；

13、所述控制输入包括电流变化率和温度变化率；

14、引入非线性项来描述超容储能单位内部，通过确定超容储能单位的动态行为，表示为：

15、,

16、其中，表示电压，表示电流，表示电荷状态，表示温度，表示电流变化率，表示温度变化率；

17、非线性动态数学模型表示为:

18、,

19、其中，、表示线性动态矩阵和控制输入矩阵，表示电压、电流、电荷状态和温度的非线性相互作用。

20、作为本发明所述的超容储能单位的自适应充放电速率控制方法的一种优选方案，其中：所述通过多目标优化控制充放电速率并设置约束控制包括通过综合考虑电压稳定性、电流控制、电荷状态管理和温度控制，引入基于时间和状态依赖的动态权重，使得控制策略根据实际运行情况和历史数据动态调整，响应外部和内部变化，通过动态调整控制权重和目标，适应不同的操作条件和需求，表示为：

21、,

22、其中，表示预定的目标状态向量，如 表示预定的电压、电流、电荷和温度的目标状态向量，表示预定的电压理想操作点，表示预定的电流理想操作点，表示预定的电荷状态理想操作点，表示预定的温度理想操作点，和  :表示状态依赖的正定权重矩阵，调整不同状态变量对优化目标的影响， 表示动态权重函数，依赖于时间t和当前状态， 表示动态权重函数，依赖于时间t，当前状态和状态的变化率，基于当前状态和状态变化率，反映不同操作条件下的优化重点，表示控制输入依赖的正定权重矩阵，表示状态依赖的正定权重矩阵。

23、作为本发明所述的超容储能单位的自适应充放电速率控制方法的一种优选方案，其中：所述通过多目标优化控制充放电速率并设置约束控制包括构建状态依赖的权重矩阵，电压和电流的优化重视，表示为：

24、,

25、其中，表示电压v(t)的权重函数，表示电流i(t)的权重函数，表示电荷状态soc(t)的权重函数，表示温度t(t)的权重函数；

26、控制输入的加权:

27、,

28、其中，表示电流变化率δi(t)的权重函数，依赖于当前电流i(t)和电流变化率，表示温度变化率δt(t) 的权重函数，依赖于当前温度t(t)和温度变化率。

29、作为本发明所述的超容储能单位的自适应充放电速率控制方法的一种优选方案，其中：所述通过多目标优化控制充放电速率并设置约束控制包括确保操作均在设置操作界限内进行；

30、所述设置操作界限表示电压、电流、电荷状态和温度设定安全和效率的最大最小值；

31、根据系统的实时数据和预测模型调整和监控约束条件，以适应变化的环境和状态，表示为：

32、,

33、,

34、,

35、,

36、,

37、,

38、,

39、,

40、,

41、其中， 和  表示电容器的负极和正极材料的稳定电势， 表示预留的额外电压范围， 表示最大功率损失， 表示电容器材料的比热容，  表示电容器的质量，表示最大放电深度， 表示环境温度， 和  表示的温度余量。

42、作为本发明所述的超容储能单位的自适应充放电速率控制方法的一种优选方案，其中：所述利用状态空间模型和优化目标控制构建模型预测控制策略包括利用建立的状态空间模型和优化目标函数，实时输出控制输入，预测状态，通过mpc技术，结合当前状态和预测数据，不断计算并调整控制输入，在控制策略中同时考虑性能指标优化和约束满足，确保超容器在所有条件下的最佳表现，表示为：

43、,

44、其中，表示在时间t的最优控制输入，表示成本函数，表示系统状态向量，、表示系统的状态矩阵和控制输入矩阵，表示控制输入u(t)与对系统影响之间存在的时间延迟，表示系统中不能通过线性模型a和b完全表示的动态；

45、mpc控制策略通过不断优化预测未来状态下的控制输入，来调整超容储能单位的充放电行为。

46、本发明的另外一个目的是提供一种超容储能单位的自适应充放电速率控制系统，其能通过多目标优化控制充放电速率并设置约束控制，解决了目前的充放电控制方法含有稳定性和效率低下的问题。

47、作为本发明所述的超容储能单位的自适应充放电速率控制系统的一种优选方案，其中：包括初始化模块，动态行为描述模块，多目标优化控制模块，控制策略预测模块；所述初始化模块用于采集超容储能单位充放电数据；所述动态行为描述模块用于创建状态空间模型描述超容储能单位的物理和化学行为；所述多目标优化控制模块用于构建多目标优化控制充放电速率并设置约束控制；所述控制策略预测模块用于通过控制策略，来调整超容储能单位的充放电行为。

48、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序是实现超容储能单位的自适应充放电速率控制方法的步骤。

49、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现超容储能单位的自适应充放电速率控制方法的步骤。

50、本发明的有益效果：本发明提供的超容储能单位的自适应充放电速率控制方法通过构建状态空间模型描述超容储能单位动态行为，基于实时数据和预测结果对设备进行有效管理，在面对动态变化和潜在的非线性行为时，更灵活和准确地调整控制策略，通过多目标优化控制充放电速率并设置约束控制，适应不同的操作条件和需求，显著提升控制策略的适应性和响应性，确保操作在安全和效率的最大最小值内进行，提高系统的整体稳定性和效率，利用状态空间模型和优化目标控制构建模型预测控制策略，使得控制策略具备前瞻性和高度适应性，预测并响应即将到来的状态变化，优化设备的充放电过程，从而最大化能效，延长设备寿命，并确保设备运行在最佳性能状态下，本发明在效率、准确性以及适应性方面都取得更加良好的效果。