本發(fā)明涉及一種蓄電池與超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電過(guò)程切換控制方法。

背景技術(shù)：

在目前的分布式電網(wǎng)中，風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源的比重越來(lái)越大。由于這些能源的電源輸出功率受環(huán)境因素影響具有間歇性和隨機(jī)性，將導(dǎo)致其并網(wǎng)后對(duì)電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性造成諸多不利影響。通常給可再生能源配置一定比例的靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器可以快速補(bǔ)償其無(wú)功功率，維持接入電網(wǎng)處電壓穩(wěn)定，而對(duì)于有功功率補(bǔ)償，需要在可再生能源電源側(cè)配置一定容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)。通過(guò)優(yōu)化控制儲(chǔ)能系統(tǒng)和這些能源電源的運(yùn)行(即儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率配置)，平抑可再生能源電源注入電力系統(tǒng)的功率波動(dòng)，使其輸出功率滿足電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。同時(shí)，為使儲(chǔ)能系統(tǒng)具備大容量和大功率性能，通常采用能量型儲(chǔ)能介質(zhì)(如蓄電池)和功率型儲(chǔ)能介質(zhì)(如超級(jí)電容)混合組成儲(chǔ)能系統(tǒng)。其中，能量型儲(chǔ)能介質(zhì)(如蓄電池)的能量密度大、功率密度?。幌喾矗β市蛢?chǔ)能介質(zhì)(如超級(jí)電容)的能量密度小、功率密度大，且高倍率充-放電不會(huì)損害其性能。因此，在優(yōu)化控制儲(chǔ)能系統(tǒng)和這些能源電源的運(yùn)行過(guò)程中，需要給出有效的優(yōu)化控制策略以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)合理、有效的充放電功率配置。

經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有的關(guān)于超級(jí)電容和蓄電池充放電切換控制技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，根據(jù)不同儲(chǔ)能介質(zhì)的互補(bǔ)特性，提出了超級(jí)電容與蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，并從理論上證明了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)具有更高的功率輸出能力和減少蓄電池的充放電次數(shù)。采用自動(dòng)狀態(tài)機(jī)控制方法實(shí)現(xiàn)風(fēng)能、太陽(yáng)能等發(fā)電系統(tǒng)的混合儲(chǔ)能控制，采用多滯環(huán)PID調(diào)節(jié)控制策略，研究了適用于微電網(wǎng)的蓄電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，結(jié)果表明混合系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)微網(wǎng)中頻繁快速的功率和能量變化方面具有很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。進(jìn)一步，在儲(chǔ)能介質(zhì)離散時(shí)間數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，研究功率型儲(chǔ)能介質(zhì)組成的儲(chǔ)能系統(tǒng)，利用模糊控制策略實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能優(yōu)化控制。這些成果通常側(cè)重于儲(chǔ)能過(guò)程機(jī)理分析，同時(shí)在儲(chǔ)能功率配置控制器設(shè)計(jì)中沒(méi)有顯式地考慮不同儲(chǔ)能單元的物理約束、荷電量等限制，及各儲(chǔ)能單元的充放電過(guò)程的不同特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服已有超級(jí)電容和蓄電池充放電切換控制技術(shù)的運(yùn)算量較大、技術(shù)復(fù)雜、使用不方便的不足，本發(fā)明提供一種運(yùn)算量較小、技術(shù)簡(jiǎn)單、使用方便、實(shí)用性良好的蓄電池與超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電過(guò)程切換控制方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種蓄電池與超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電過(guò)程切換控制方法，所述切換控制方法包括如下步驟：

步驟一、根據(jù)蓄電池和超級(jí)電容充放電過(guò)程能量守恒定理，建立蓄電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電過(guò)程動(dòng)態(tài)切換模型，以儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)能器件的剩余荷電量的變化表示充放電過(guò)程，應(yīng)用能量守恒定理，建立混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)能器件的充放電過(guò)程的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，見(jiàn)式(1)、(2)、(3)和(4)

其中，式(1)表示超級(jí)電容的充電過(guò)程動(dòng)態(tài)模型，式(2)表示蓄電池的充電過(guò)程動(dòng)態(tài)模型，式(3)表示超級(jí)電容的放電過(guò)程動(dòng)態(tài)模型，式(4)表示蓄電池的放電過(guò)程動(dòng)態(tài)模型，t表示充放電的時(shí)間，單位min，Q₁表示超級(jí)電容的剩余荷電量，單位MW，P₁表示超級(jí)電容的充放電功率，單位MW/min，σ_c1表示超級(jí)電容的充電過(guò)程的自放電率，單位％/min，η_c1表示超級(jí)電容的充電效率，單位％，σ_d1表示超級(jí)電容的放電過(guò)程的自放電率，單位％/min，η_d1表示超級(jí)電容的放電效率，單位％，Q₂表示蓄電池的剩余荷電量，單位MW，P₂表示蓄電池的充放電功率，單位MW/min，σ_c2表示蓄電池的充電過(guò)程的自放電率，單位％/min，η_c2表示蓄電池的充電效率，單位％，σ_d2表示蓄電池的放電過(guò)程的自放電率，單位％/min，η_d2表示蓄電池的放電效率，單位％；

步驟二、考慮實(shí)際蓄電池和超級(jí)電容的充放電的情況，對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電過(guò)程動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行變換設(shè)計(jì)，定義變量x₁＝Q₁、x₂＝Q₂、u₁＝P₁和u₂＝P₂，定義向量和根據(jù)公式(1)、(2)、(3)和(4)，分別定義蓄電池和超級(jí)電容混合的充放電過(guò)程的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，見(jiàn)式(5)和(6)

其中，式(5)表示蓄電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充電過(guò)程動(dòng)態(tài)模型，式(6)表示蓄電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)放電過(guò)程動(dòng)態(tài)模型，t表示充放電的時(shí)間，單min，x表示儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)能器件的荷電量(MW)，u表示充放電功率，單位MW/min；

步驟三、考慮超級(jí)電容充放電變換模型式(5)和(6)，定義矩陣

求解不等式方程組，見(jiàn)式(7)

其中P是未知變量，利用一元二次不等式方程組求解式(7)的未知變量P，得到式(7)的解，見(jiàn)式(8)

再構(gòu)造充電過(guò)程輸入函數(shù)u_c(t)，見(jiàn)式(9)

和放電過(guò)程輸入函數(shù)u_d(t)，見(jiàn)式(10)

其中，θ₁、θ₂、θ₃和θ₄是參數(shù)。

進(jìn)一步，所述切換控制方法還包括如下步驟：

步驟四、在蓄電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電過(guò)程切換控制計(jì)算機(jī)上運(yùn)行實(shí)施，過(guò)程如下：

4.1參數(shù)設(shè)置，包括模型參數(shù)和充放電過(guò)程目標(biāo)參數(shù)；在模型導(dǎo)入界面中，分別輸入超級(jí)電容充電和放電過(guò)程自放電率σ_c1和σ_d1，蓄電池充電和放電過(guò)程自放電率σ_c2和σ_d2，超級(jí)電容充電效率為η_c1，超級(jí)電容放電效率η_d1，蓄電池充電效率為η_c2，超級(jí)電容放電效率η_d2，在控制參數(shù)設(shè)置界面中，輸入蓄電池的初始荷電量和超級(jí)電容的初始荷電量；輸入?yún)?shù)確認(rèn)后，由控制計(jì)算機(jī)將設(shè)置數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)單元RAM中保存；

4.2離線調(diào)試：混合儲(chǔ)能充放電控制系統(tǒng)進(jìn)入控制器調(diào)試階段，調(diào)整組態(tài)界面中的控制器參數(shù)θ₁、θ₂、θ₃和θ₄，觀測(cè)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電量和功率輸入的控制效果，由此確定一組能良好控制混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電過(guò)程的控制器參數(shù)值，參數(shù)θ₁、θ₂、θ₃和θ₄的取值規(guī)則：θ₁、θ₂、θ₃和θ₄為正實(shí)數(shù)，即θ₁＞0、θ₂＞0、θ₃＞0和θ₄＞0，參數(shù)θ₁、θ₂、θ₃和θ₄的調(diào)整規(guī)則：增大θ₁和θ₂的值將縮短充電過(guò)程的過(guò)渡時(shí)間，但增大充電過(guò)程的電容荷電量變化和功率值，增加對(duì)充電過(guò)程擾動(dòng)的敏感性，增大θ₃和θ₄的值將縮短放電過(guò)程的過(guò)渡時(shí)間，但增大放電過(guò)程的電容荷電量變化和功率值，增加對(duì)放電過(guò)程擾動(dòng)的敏感性；相反，減小θ₁和θ₂的值將延長(zhǎng)充電過(guò)程的過(guò)渡時(shí)間，但減小充電過(guò)程的電容荷電量變化和功率值，降低對(duì)充電過(guò)程擾動(dòng)的敏感性，減小θ₃和θ₄的值將延長(zhǎng)放電過(guò)程的過(guò)渡時(shí)間，但減小放電過(guò)程的電容荷電量變化和功率值，降低對(duì)放電過(guò)程擾動(dòng)的敏感性；實(shí)際調(diào)試控制器參數(shù)θ₁、θ₂、θ₃和θ₄時(shí)，應(yīng)在充放電過(guò)程的過(guò)渡時(shí)間、電容荷電量變化和功率值容許的范圍內(nèi)綜合權(quán)衡；

4.3在線運(yùn)行：?jiǎn)?dòng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電過(guò)程切換控制計(jì)算機(jī)的CPU讀取混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電過(guò)程模型參數(shù)和最佳控制器參數(shù)，通過(guò)在線測(cè)量混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中超級(jí)電容和蓄電池的實(shí)際荷電量，控制混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電和放電過(guò)程的充入功率和放出功率，實(shí)現(xiàn)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電過(guò)程的有效控制。

本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為：先通過(guò)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電過(guò)程的能量守恒定理建立蓄電池和超級(jí)電容充放電模型，再通過(guò)給定數(shù)據(jù)，求得共同李雅普諾夫正定對(duì)稱矩陣，進(jìn)一步求得混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電過(guò)程的切換控制器，進(jìn)一步將其代入蓄電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能充放電模型，用于其充放電切換控制。該控制器設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)潔、易用，可用于指導(dǎo)實(shí)際的蓄電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電過(guò)程的切換控制。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：運(yùn)算量較小、技術(shù)簡(jiǎn)單、使用方便、實(shí)用性良好。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)施例蓄電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電過(guò)程的剩余荷電量變化曲線圖。

圖2是實(shí)施例蓄電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電過(guò)程的功率輸入與輸出函數(shù)曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

參照?qǐng)D1和圖2，一種蓄電池與超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電過(guò)程切換控制方法，包括如下步驟：

步驟一、根據(jù)蓄電池和超級(jí)電容充放電過(guò)程能量守恒定理，建立蓄電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電過(guò)程動(dòng)態(tài)切換模型，以儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)能器件的剩余荷電量的變化表示充放電過(guò)程，應(yīng)用能量守恒定理，建立混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)能器件的充放電過(guò)程的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，見(jiàn)式(1)、(2)、(3)和(4)

其中，式(1)表示超級(jí)電容的充電過(guò)程動(dòng)態(tài)模型，式(2)表示蓄電池的充電過(guò)程動(dòng)態(tài)模型，式(3)表示超級(jí)電容的放電過(guò)程動(dòng)態(tài)模型，式(4)表示蓄電池的放電過(guò)程動(dòng)態(tài)模型，t表示充放電的時(shí)間(min)，Q₁表示超級(jí)電容的剩余荷電量(MW)，P₁表示超級(jí)電容的充放電功率(MW/min)，σ_c1表示超級(jí)電容的充電過(guò)程的自放電率(％/min)，η_c1表示超級(jí)電容的充電效率(％)，σ_d1表示超級(jí)電容的放電過(guò)程的自放電率(％/min)，η_d1表示超級(jí)電容的放電效率(％)，Q₂表示蓄電池的剩余荷電量(MW)，P₂表示蓄電池的充放電功率(MW/min)，σ_c2表示蓄電池的充電過(guò)程的自放電率(％/min)，η_c2表示蓄電池的充電效率(％)，σ_d2表示蓄電池的放電過(guò)程的自放電率(％/min)，η_d2表示蓄電池的放電效率(％)。

步驟二、考慮實(shí)際蓄電池和超級(jí)電容的充放電的情況，對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電過(guò)程動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行變換設(shè)計(jì)，定義變量x₁＝Q₁、x₂＝Q₂、u₁＝P₁和u₂＝P₂，定義向量和根據(jù)公式(1)、(2)、(3)和(4)，分別定義蓄電池和超級(jí)電容混合的充放電過(guò)程的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，見(jiàn)式(5)和(6)

其中，式(5)表示蓄電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充電過(guò)程動(dòng)態(tài)模型，式(6)表示蓄電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)放電過(guò)程動(dòng)態(tài)模型，t表示充放電的時(shí)間(min)，x表示儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)能器件的荷電量(MW)，u表示充放電功率(MW/min)。

步驟三、考慮超級(jí)電容充放電變換模型式(5)和(6)，定義矩陣

求解不等式方程組，見(jiàn)式(7)

其中P是未知變量。利用一元二次不等式方程組求解式(7)的未知變量P，得到式(7)的解，見(jiàn)式(8)

再構(gòu)造充電過(guò)程輸入函數(shù)u_c(t)，見(jiàn)式(9)

和放電過(guò)程輸入函數(shù)u_d(t)，見(jiàn)式(10)

其中，θ₁、θ₂、θ₃和θ₄是參數(shù)。

步驟四、在蓄電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電過(guò)程切換控制計(jì)算機(jī)上運(yùn)行實(shí)施，可以大致分為3個(gè)階段：

4.1參數(shù)設(shè)置，包括模型參數(shù)和充放電過(guò)程目標(biāo)參數(shù)；在模型導(dǎo)入界面中，分別輸入超級(jí)電容充電和放電過(guò)程自放電率σ_c1和σ_d1，蓄電池充電和放電過(guò)程自放電率σ_c2和σ_d2，超級(jí)電容充電效率為η_c1，超級(jí)電容放電效率η_d1，蓄電池充電效率為η_c2，超級(jí)電容放電效率η_d2，在控制參數(shù)設(shè)置界面中，輸入蓄電池的初始荷電量和超級(jí)電容的初始荷電量；輸入?yún)?shù)確認(rèn)后，由控制計(jì)算機(jī)將設(shè)置數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)單元RAM中保存；

4.2離線調(diào)試，點(diǎn)擊組態(tài)界面中的“調(diào)試”按鈕，混合儲(chǔ)能充放電控制系統(tǒng)進(jìn)入控制器調(diào)試階段，調(diào)整組態(tài)界面中的控制器參數(shù)θ₁、θ₂、θ₃和θ₄，觀測(cè)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電量和功率輸入的控制效果，由此確定一組能良好控制混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電過(guò)程的控制器參數(shù)值，參數(shù)θ₁、θ₂、θ₃和θ₄的取值規(guī)則：θ₁、θ₂、θ₃和θ₄為正實(shí)數(shù)，即θ₁＞0、θ₂＞0、θ₃＞0和θ₄＞0，參數(shù)θ₁、θ₂、θ₃和θ₄的調(diào)整規(guī)則：增大θ₁和θ₂的值將縮短充電過(guò)程的過(guò)渡時(shí)間，但增大充電過(guò)程的電容荷電量變化和功率值，增加對(duì)充電過(guò)程擾動(dòng)的敏感性，增大θ₃和θ₄的值將縮短放電過(guò)程的過(guò)渡時(shí)間，但增大放電過(guò)程的電容荷電量變化和功率值，增加對(duì)放電過(guò)程擾動(dòng)的敏感性；相反，減小θ₁和θ₂的值將延長(zhǎng)充電過(guò)程的過(guò)渡時(shí)間，但減小充電過(guò)程的電容荷電量變化和功率值，降低對(duì)充電過(guò)程擾動(dòng)的敏感性，減小θ₃和θ₄的值將延長(zhǎng)放電過(guò)程的過(guò)渡時(shí)間，但減小放電過(guò)程的電容荷電量變化和功率值，降低對(duì)放電過(guò)程擾動(dòng)的敏感性。因此，實(shí)際調(diào)試控制器參數(shù)θ₁、θ₂、θ₃和θ₄時(shí)，應(yīng)在充放電過(guò)程的過(guò)渡時(shí)間、電容荷電量變化和功率值容許的范圍內(nèi)綜合權(quán)衡；

4.3在線運(yùn)行，點(diǎn)擊組態(tài)界面“運(yùn)行”按鈕，啟動(dòng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電過(guò)程切換控制計(jì)算機(jī)的CPU讀取混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電過(guò)程模型參數(shù)和最佳控制器參數(shù)，并執(zhí)行“混合儲(chǔ)能系統(tǒng)放電過(guò)程控制程序”，通過(guò)在線測(cè)量混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中超級(jí)電容和蓄電池的實(shí)際荷電量，控制混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電和放電過(guò)程的充入功率和放出功率，實(shí)現(xiàn)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電過(guò)程的有效控制。

為了驗(yàn)證所建模型的性能，需要對(duì)模型進(jìn)行擬合和校驗(yàn)。選取超級(jí)電容最大荷電量Q_1max＝0.75(MW)，超級(jí)電容充電過(guò)程自放電率σ_c1＝0.01(％/min)，超級(jí)電容放電過(guò)程自放電率σ_d1＝0.01(％/min)，超級(jí)電容充電效率為η_c1＝0.95和放電效率η_d1＝0.95；蓄電池最大荷電量Q_2max＝1.5(MW)，蓄電池充電過(guò)程自放電率σ_c2＝0.01(％/min)，蓄電池放電過(guò)程自放電率σ_d2＝0.01(％/min)，蓄電池充電效率為η₂＝0.90和放電效率η_d2＝0.90。在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)處于充電過(guò)程中，超級(jí)電容的充電過(guò)程控制目標(biāo)是貯能電量Q_ce1＝0.95Q_1max和蓄電池的充電過(guò)程控制目標(biāo)是貯能電量Q_ce2＝0.9Q_2max；在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)處于放電過(guò)程中，超級(jí)電容的放電過(guò)程控制目標(biāo)是貯能電量Q_de1＝0.25Q_1max和蓄電池的放電過(guò)程控制目標(biāo)是貯能電量Q_de2＝0.2Q_2max。設(shè)置混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的初始剩余荷電量，超級(jí)電容為0.6Q_1max和蓄電池為0.55Q_2max，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充電過(guò)程結(jié)束后將切換到放電過(guò)程。

通過(guò)離線調(diào)試，設(shè)置參數(shù)θ₁＝0.5、θ₂＝1、θ₃＝0.5和θ₄＝1，將其帶入式(9)和式(10)，求得混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充電過(guò)程和放電過(guò)程的功率輸入輸出函數(shù)，得到如圖2所示。之后將該函數(shù)帶入公式(5)和公式(6)，得到如圖1所示，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中超級(jí)電容和蓄電池的充放電過(guò)程的剩余荷電量的變化結(jié)果。

上述實(shí)施例用來(lái)解釋說(shuō)明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明做出的任何修改，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。