CN118100255A - 一种混合储能控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
混合储能控制系统及方法，包括整流器、稳压电路、PLC硬件、PLC计算程序、双向DC‑DC控制器、电负荷、锂电池储能单元和超级电容储能单元、电压信号传感器、电流信号传感器、PLC及模拟量输入模块。发电机组连接整流器和稳压电路，后接可调直流负载箱，锂电池、超级电容与各自的双向DC‑DC控制器相连接后与电负荷并联。整流器、母线、锂电池、超级电容等参数经传感器至模拟量输入模块再传输至PLC，PLC计算生成的PWM信号连接稳压电路与双向DC‑DC控制器。本发明属于储能技术领域，也涉及到电力电子技术。本发明通过实时控制稳压电路、双向DC‑DC控制器的状态，保证电压的稳定与电能的分频储存，对提升风电利用率具有一定的效果。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电和混合储能的技术领域，特别涉及一种混合储能控制系统及方法。
背景技术
随着新能源行业的发展，社会对电能的要求日益增高，电力用户对电能质量、供电稳定性的要求也在逐渐提高。微电网在其中的作用正在逐渐上升。住户高负荷的用电，但是用电高峰白天居多，晚上用电基本较少，是的峰谷差日益增大，而发电站却在不停工作。因此，在夜间极易造成电力资源的浪费。而风力发电受天气、地形等因素的影响，造成电压及功率的不稳定性。而近年来，随着我国持续发展大型发电机以及核能发电机，此现象日益突出。
近二三十年来，储能技术正在不断地发展完善，通常用抽水储能、蓄热蓄冷、化学电池储能、飞轮储能等方式。化学电池储能技术是最近几年发展的新型储能技术，MW级工业储能电站在国内外都有使用，但工业储能电站以电力公司为建设单位，主要解决整个电网的电力调配，忽略了类似于家庭为单元或其他电力储能需求，大型工业储能电站难以解决类似的用电问题。
混合储能控制系统解决风力发电系统的有助于调峰、解决了风力发电不易并网的问题。适用于一些小容量、小用电功率的场合。如马路照明灯、户外临时电源等。同时，混合储能控制系统也可作为临时电源，节约电能，减少浪费。现有技术中尚且没有公开具有理想效果的混合储能控制系统的技术方案。
在现有技术中，多数仅仅涉及备用电源设备，单个或单种储能方式，例如：仅仅采用铅酸电池进行储能，作为不间断能源，没有混合储能，没有双向送电功能，因此设计一种混合储能控制系统就显得尤为必要。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种混合储能控制系统及其工作方法，混合储能控制系统可使电负荷相对稳定，能够平衡峰谷电能的使用，具有一定的“削峰填谷”的作用；且有风电系统接入，能够实现新能源接入用电系统和储能系统。混合储能控制系统能够保证电能质量的同时，还能够增强用电系统的稳定性，而且可以在一定程度上提高风电利用率。
本发明是通过以下技术方案实现的：
混合储能控制系统，包括壳体、控制系统、能源系统和储能系统；所述能源系统用于为电负荷提供能源；其中：
所述能源装置为风力发电系统；
所述风力发电系统，通过将动能转换为机械能再转换为电能；风力发电系统产生的电能用于向电负荷供电以及储存在储能系统中；
所述储能系统为储能电池组和超级电容组，所述储能系统用于储存风力发电系统的能源以及作为电负荷的电源；
所述控制系统包括有：整流器、稳压电路、电压信号传感器、电流信号传感器、模拟量输入、PLC控制器、双向DC-DC控制器；
所述整流器用于将风力发电系统发出的三相电转换为直流电，为后端电负荷以及储能系统提供能源；
所述稳压电路用于对整流过后的直流电进行升压稳压，使风力发电系统发出来的点具有一定的稳定性；
所述电压信号传感器用于采集整流电压、稳压电压、锂电池电压、超级电容电压，并将之转化为4~20mA的电流信号；
所述电流信号传感器用于采集整流电流、锂电池所在回路电流、超级电容所在回路电流并将之转化为4~20mA的电流信号；
所述模拟量输入用于接受电压信号传感器和电流信号传感器的模拟量信号转换为CPU可以识别接收的数字量信号，并传输至PLC；
所述PLC控制器为两个西门子S7-200 SMART，主要用于接收模拟量输入模块所传输的信号，并使用内部CPU对其进行运算，计算出占空比，生成PWM脉冲调制信号；
所述PWM脉冲调制信号有5个，分别用于稳压电路的IGBT管、两个双向DC-DC控制器共4个IGBT管；
所述稳压电路的IGBT管，通过改变输入PWM脉冲调制信号的占空比，达到一个升压稳压的作用。
所述两个双向DC-DC控制器的IGBT管，主要起到一个控制电流流向，即控制锂电池和超级电容充放电状态的作用；
混合储能控制系统的工作方法，其中，包括如下步骤：
1、当风力发电系统足以给电负荷供电且处于稳定状态，风力发电系统对电负荷和储能系统供电；
2、当风力发电系统不足以给电负荷供电时，锂电池储能会对电负荷进行能量补充；
3、当电负荷处于稳定状态、风力发电系统出力发生突变时，超级电容器储能根据变化情况进行充电或者向电负荷供电，起到平抑功率波动、保证电负荷稳定运行的作用；
4、当风力发电系统处于稳定状态，电负荷发生突变时，超级电容器储能根据电负荷变化情况进行放电或者加大充电量；
5、当风力发电系统和电负荷状态均不稳定时，控制器能够实时监测，储能系统也会实时进行调节。
本发明具有以下有益效果。
本发明的混合储能控制系统，首先可以作为设备使用，由于能源装置为风力发电系统，控制系统包括整流器、稳压电路、电压信号传感器、电流信号传感器、模拟量输入、PLC控制器、双向DC-DC控制器。使用该控制系统可使电负荷相对稳定，平衡峰谷电能的使用，具有一定的“削峰填谷”的作用；且有风电系统接如，能够实现新能源接入用电系统和储能系统。混合储能控制系统能够保证电能质量的同时，还能够增强用电系统的稳定性，而且可以在一定程度上提高风电利用效率。PLC、具有WLAN接口，可通过连接计算机软件STEP 7-MicroWIN SMART监测实时使用状况。具体优点描述如下：
1、具有备用电源功能。混合储能控制系统中，具有锂电池和超级电容，在没有能源系统的情况下，混合储能系统能够短时间供电；
2、具有电能双向流通的功能。在发电量大或电负荷小时储能系统充电；在发电量小或用电量大时，储能系统放电；具有“削峰填谷”的作用；
3、保证电能质量以及电能供应的稳定性。在风电出力突变或者电负荷突变时，超级电容会及时做出应对，能后平抑功率波动；
提高风电利用率。混合储能由锂电池和超级电容储能组成，分别对风力发电的高低频进行响应存储，相较于单种储能方式，能在一定程度上增加储能效率，间接达到提升风电利用效率的目的。
附图说明
图1是本发明混合储能控制系统结构框图；
图2是本发明混合储能控制系统的实验示意图；
图3是本发明混合储能控制系统的控制系统示意图；
图4是本发明混合储能控制系统的两个PLC控制器接线示意图；
图5是本发明混合储能控制系统的电压信号传感器和电流信号传感器监测点示意图；
图6是本发明混合储能控制系统的迷你量输入模块接线示意图；
图7是源>荷，电负荷突变大时锂电池和超级电容功率及电流图；
图8是源>荷，电负荷突变小时锂电池和超级电容功率及电流图；
图9是源>荷，风电系统发电量突变大时锂电池和超级电容功率及电流图；
图10是源>荷，风电系统发电量突变小时锂电池和超级电容功率及电流图；
图11是源<荷，电负荷突变大时锂电池和超级电容功率及电流图；
图12是源<荷，电负荷突变小时锂电池和超级电容功率及电流图；
图13是源<荷，是风电系统发电量突变大时锂电池和超级电容功率及电流图；
图14是源<荷，风电系统发电量突变小时锂电池和超级电容功率及电流图；
图15(a)为蓄电池在不同状态下的效率变化图；(b)为超级电容在不停状态下的效率变化图；(c)为混合储能在不同状态下的效率变化图；(d)为加入PLC控制器的混合储能在不同状态下的效率变化图；(e)为四种储能效率的比较。
附图标记说明：
1、壳体，2、空气开关，3、220V转24开关电源，4、PLC主站，5、PLC从站，6、模拟量输入模块，7、电压信号传感器，8、电流信号传感器，9、稳压电路，10、双向DC-DC控制器I，11双向DC-DC控制器II，12锂电池，13超级电容组，14、电动机，15、转速扭矩传感器，16、发电机，17、整流器，18、电负荷。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案做进一步详细描述：
如图1所示，本发明公开了一种混合储能控制系统及其工作方法，包括有壳体1、控制系统、风力发电系统（14、15、16）、混合储能系统（12、13）；所述风力发电系统用于为电负荷提供能源以及为储能装置提供能源；
所述风力发电系统用于将风力中所包含的动能转化为机械能在转化为电能。该系统中用电动机14通过扭矩仪15带动发电机16旋转模拟风力发电系统；
所述混合储能系统为一种储能锂电池和一种超级电容器所组成的混合储能，所述混合储能系统用于存储风力发电系统产生的能源以及为电负荷18提供能源；
所述双向DC-DC控制器是一种能量转化装置，且具有双向导通的作用能够在风电出力较小时，向电负荷18供电，也能在风电出力较大时进行储能；
所述整流器17与稳压电路9用于实现交流电到直流电的转换，控制并调整稳定的电压对负载端进行供电；
所述PLC控制系统，是控制系统各个组成模块协调控制的主要控制部分，以模拟量输入模块或通讯的方式连接各个模块，依据监测整流参数、电池参数、超级电容参数、设定参数、直流母线电压，制定并向各个组成模块输出相应的控制指令。
所述锂电池12和超级电容13通过双向DC-DC控制器（10、11）与直流母线连接，并监测其电压电流连接至电流信号传感器8和电压信号传感器7，所述整流过后的电压电流以及母线电压同样进行监测并连接至传感器，传感器信号转换并传输至模拟量输入模块6，模拟量输入模块通过S7-200 SMART所自带的扩展接口与之相连接。S7-200 SMART（4、5）输出信号对控制电路（9、10、11）的IGBT管进行控制。
如图3、图4所示，所述的混合储能控制系统，所述PLC控制器包括2个型号为S7-200SMART的CPU主机以及一个模拟量输入扩展模块6，混合储能控制系统留有WLAN接口，能够连接网络监测实时数据进行能耗统计，还可以实时监测各系统状态。
如图3所示，所述的混合储能控制系统，所述储能系统包括一组锂电池储能和一组超级电容器储能。
如图3、图4图5、图6所述的PLC控制器，模拟量输入模块将数字信号传输至PLC的CPU部分，CPU将所接受到的风电出力信号与期望电压进行比较，进行PI调节、进行低通滤波后与锂电池的实时电流进行比较，计算误差电流，进行PI调节，生成合适的占空比D，根据D生成PWM脉冲调制信号传输至双向DC-DC控制器的IGBT管，进行下一时间周期对锂电池充放电状态控制；超级电容器13端的双向DC-DC控制器11与之类似，通过总电流、锂电池误差电流、低频滤波电流作差，得到高频电流，高频电流与超级电容器的实时电流作比较，得到超级电容器误差电流，经过PI调节生成占空比D，生成PWM信号，通过控制双向DC-DC控制器11来控制超级电容器13的充放电。
如图6所示，所述的模拟量输入模块，其特征在于：电流信号传感器8分别监测转换整流电流、锂电池电流、超级电容电流，电压信号传感器7分别检测转换整流电压、稳压电压、锂电池电压、超级电容电压以及预设一个52V的期望电压，传感器模块将信号转换为4~20mA的电流信号，电流信号经模拟量输入模块传输至PLC控制器的CPU进行检测并计算；
所述的PLC控制器的工作方法，包括如下步骤：
① 当风力发电系统足以给电负荷供电且处于稳定状态，风力发电系统对电负荷和储能系统供电；
② 当风力发电系统不足以给电负荷供电时，锂电池储能会对电负荷进行能量补充；
③ 当电负荷处于稳定状态、风力发电系统出力发生突变时，超级电容器储能根据变化情况进行充电或者向电负荷供电，起到平抑功率波动、保证电负荷稳定运行的作用；
④ 当风力发电系统处于稳定状态，电负荷发生突变时，超级电容器储能根据电负荷变化情况进行放电或者加大充电量；
⑤ 当风力发电系统和电负荷状态均不稳定时，控制器能够实时监测，储能系统也会实时进行调节。
所述的混合储能控制系统的工作方法：包括如下具体步骤：
步骤s1：启动发电机、整流器、电负荷、PLC控制器、锂电池和超级电容侧空气开关；
步骤s2：采集发电机状态，采集整流信息通过电压、电流信号传感器传输至PLC控制器；
步骤s3：PLC控制器的CPU对信号进行处理运算得到占空比，生成PWM脉冲调制信号；本文针对的就是源-荷不匹配和源荷改变的问题，所以大多数量为变量，占空比也是根据前端输入电压计算生成的变量，占空比的计算公式为： ，D在工程中一般取0~0.9；
步骤s4：脉冲信号传输至升压稳压电路的IGBT管，将电压升至52V：
步骤s5：采集母线电压、采集锂电池、超级电容储能的电压电流，经过电压电流传感器传输至PLC控制器，且将期望电压（52V）输入至PLC控制器；
步骤s6：将步骤5传输的信号在PLC控制器的CPU进行处理计算生成PWM脉冲调制信号；传输至锂电池和超级电容储能充放电回路上的IGBT管控制锂电池和超级电容的充放电状态。根据情况不同，分别对应步骤7~10；
步骤s7：风电出力较大，整流后电压电流大，无明显功率波动，锂电池充电，超级电容充电，蓄电池充电电流根据风电出力与电负荷差值正相关，超级电容充电电流较小；
步骤s8：风电出力较小，整流后电压电流小，无明显功率波动，锂电池放电，超级电容放电，蓄电池放电电流根据风电出力与电负荷差值正相关，超级电流放电电流较小；
步骤s9：风电出力较大，整流电压电流较大，电负荷发生改变。超级电容随放电快，但电流上升需要一定时间，这段时间内，母线电容会对电荷进行功率补偿，造成母线电压跌落，为避免母线电压出现跌落情况的发生，在电荷改变初期，蓄电池承担一定的放电任务，维持母线电压的稳定。
步骤s10：风电出力较大，整流电压电流较大，风电出力改变时，超级电容快速响应，锂电池稍慢，进行充放电。通过储能系统吸收或释放电能，来保证电负荷功率稳定。
步骤s11：风电出力较小，整流电压电流较小，风电出力或电负荷改变时，超级电容快速响应，锂电池稍慢，进行放电，电流大小改变。锂电池放电变化后较稳定，由于负载相较于风电出力发生改变，超级电容发生一定的波动来保证负载的稳定。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (7)
1.混合储能控制系统，其特征在于：包括有壳体（1）、控制系统、风力发电系统、混合储能系统；所述风力发电系统用于为电负荷提供能源以及为储能装置提供能源；该系统中用电动机（14）通过转速扭矩传感器（15）带动发电机（16）旋转模拟风力发电系统；
所述混合储能系统为一组锂电池和一组超级电容器所组成的混合储能，所述混合储能系统用于存储风力发电系统产生的能源以及为电负荷（18）提供能源；
所述双向DC-DC控制器是一种能量转化装置，且具有双向导通的作用；能够在风电出力不足电负荷要求时向电负荷（18）供电，也能够在风电出力足够或更多时进行储能；
所述整流器（17）与稳压电路（9）用于实现交流电到直流电的转换，控制并调整稳定的电压对负载端进行供电；
所述PLC控制系统，是控制系统各个组成模块协调控制的主要控制部分，以模拟量输入模块或通讯的方式连接各个模块，依据监测整流参数、电池参数、超级电容参数、设定参数、直流母线电压，制定并向各个组成模块输出相应的控制指令；
所述锂电池（12）通过双向DC-DC控制器I（10）与直流母线并联，所述超级电容（13）通过双向DC-DC控制器II（11）与直流母线并联，并监测其电压电流连接至电流信号传感器（8）和电压信号传感器（7），所述整流过后的电压电流以及母线电压同样进行监测并连接至传感器，传感器信号转换并传输至模拟量输入模块（6），模拟量输入模块通过S7-200 SMART所自带的扩展接口与之相连接；PLC主站（4）和PLC从站（5）输出PWM信号对稳压电路、双向DC-DC控制器I（10）、双向DC-DC控制器II（11）的IGBT管进行控制。
2.根据权利要求1所述的混合储能控制系统，其特征在于：所述PLC主站（4）和PLC从站（5）包括2个型号为S7-200 SMART的CPU主机以及一个模拟量输入扩展模块（6），混合储能控制系统留有WLAN接口，能够连接网络监测实时数据进行能耗统计，并实时监测各系统状态。
3.根据权利要求1所述的混合储能控制系统，其特征在于：所述储能系统包括一组锂电池储能和一组超级电容器储能。
4.根据权利要求2所述的混合储能控制系统，其特征在于：模拟量输入模块将数字信号传输至PLC的CPU部分，CPU将所接受到的稳压电压信号与期望电压进行比较，进行PI调节、进行低通滤波后与锂电池的实时电流进行比较，计算误差电流，进行PI调节，计算出占空比D，根据D生成PWM脉冲调制信号传输至双向DC-DC控制器的IGBT管，进行下一时间周期对锂电池充放电状态控制；超级电容器（13）端的双向DC-DC控制器（11）与之类似，通过总电流、锂电池误差电流、低频滤波电流作差，得到高频电流，高频电流与超级电容器的实时电流作比较，得到超级电容器误差电流，经过PI调节算出占空比D，生成PWM信号，通过控制双向DC-DC控制器（11）来对下一时间周期超级电容器（13）的充放电状态进行。
5.根据权利要求4所述的混合储能控制系统，其特征在于：电流信号传感器（8）分别监测转换整流电流、锂电池电流、超级电容电流，电压信号传感器（7）分别检测转换，整流电压、稳压电压、锂电池电压、超级电容电压以及预设一个52V的期望电压，传感器模块将信号转换为4~20mA的电流信号，电流信号经模拟量输入模块传输至PLC控制器的CPU进行监测并计算。
6.根据权利要求4所述的混合储能控制系统，其特征在于：PLC控制器的工作方法，包括如下步骤：
当风力发电系统足以给电负荷供电且处于稳定状态，风力发电系统对电负荷和储能系统供电；
当风力发电系统不足以给电负荷供电时，锂电池储能会对电负荷进行能量补充；
当电负荷处于稳定状态、风力发电系统出力发生突变时，超级电容器储能根据变化情况进行充电或者向电负荷供电，起到平抑功率波动、保证电负荷稳定运行的作用；
当风力发电系统处于稳定状态，电负荷发生突变时，超级电容器储能根据电负荷变化情况进行放电或者加大充电量；
当风力发电系统和电负荷状态均不稳定时，控制器能够实时监测，储能系统也会实时进行调节。
7.如权利要求1所述的混合储能控制系统的工作方法，其特征在于：包括如下具体步骤：
步骤s1：启动发电机、整流器、电负荷、PLC控制器、锂电池和超级电容侧空气开关；
步骤s2:采集发电机状态，采集整流信息通过电压、电流传感器传输至PLC控制器；
步骤s3：PLC控制器的CPU对信号进行处理运算得到占空比，生成PWM脉冲调制信号；
步骤s4：脉冲信号传输至稳压电路的IGBT管，对信号进行升压稳压处理；
步骤s5：采集母线电压、采集锂电池、超级电容储能的电压电流，经过电压电流传感器传输至PLC控制器，且将期望电压输入至PLC控制器；
步骤s6：将步骤5传输的信号在PLC控制器的CPU进行处理计算生成PWM脉冲调制信号；传输至锂电池和超级电容储能充放电回路上的IGBT管控制锂电池和超级电容的充放电状态，根据情况不同，分别对应步骤s7~s11；
步骤s7：风电出力较大，整流后电压电流大，无明显功率波动，锂电池充电，超级电容充电，蓄电池充电电流根据风电出力与电负荷差值正相关，超级电容充电电流较小；
步骤s8：风电出力较小，整流后电压电流小，无明显功率波动，锂电池放电，超级电容放电，蓄电池放电电流根据风电出力与电负荷差值正相关，超级电流放电电流较小；
步骤s9：风电出力较大，整流电压电流较大，电负荷发生突变时，超级电容快速响应，锂电池稍慢，进行充放电，通过不断改变充放电状态，来保证电负荷功率稳定；
步骤s10：风电出力较大，整流电压电流较大，风电出力改变时，超级电容快速响应，锂电池稍慢，进行充放电，通过储能系统吸收或释放电能，来保证电负荷功率稳定；
步骤s11：风电出力较小，整流电压电流较小，风电出力或电负荷改变时，超级电容快速响应，锂电池稍慢，进行放电，电流大小改变，锂电池放电变化后较稳定，由于负载相较于风电出力发生改变，超级电容发生一定的波动来保证负载的稳定。
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