本發(fā)明涉及微電網(wǎng)或分布式發(fā)電系統(tǒng)領(lǐng)域，特別涉及一種基于adrc控制的鋰電池與超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)及其工作方法。

背景技術(shù)：

近年，隨著可再生能源的大量利用不僅能緩解能源危機(jī)，同時(shí)也能很大程度降低有害物的排放，對(duì)環(huán)境起到了積極的作用。可再生能源發(fā)電也存在一定的缺點(diǎn)，比如發(fā)電受外界影響比較大，發(fā)電不穩(wěn)等，因此儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于太陽(yáng)能、風(fēng)能等分布式發(fā)電系統(tǒng)的來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。鋰電池其輕便，體積小，能量密度大，符合分布式發(fā)電對(duì)能量密度的要求。鋰電池的缺點(diǎn)在于，受電化學(xué)反應(yīng)速率的影響，其功率密度較小，當(dāng)負(fù)載功率突變時(shí)，很難滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)要求。超級(jí)電容充放電時(shí)內(nèi)部發(fā)生的是物理變化，功率密度大是超級(jí)電容的一大特點(diǎn)，可以瞬時(shí)提供較大功率，缺點(diǎn)在于其能量密度較低，因此鋰電池與超級(jí)電容在性能上互補(bǔ)性很強(qiáng)，自然可以考慮將兩者結(jié)合構(gòu)成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢(shì)，使系統(tǒng)性能大大提高。

目前，圍繞混合儲(chǔ)能系統(tǒng)及其工作方法技術(shù)已開(kāi)展大量研究。在充分考慮各個(gè)儲(chǔ)能元件的工作狀態(tài)下，使混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率分配更合理，本發(fā)明采用adrc控制進(jìn)行混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率優(yōu)化分配。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是將鋰電池與超級(jí)電容分別通過(guò)雙向半橋變換器和直流母線相連構(gòu)成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，鋰電池維持直流母線上能量供需平衡通過(guò)穩(wěn)定直流母線電壓，超級(jí)電容立刻供應(yīng)負(fù)載波動(dòng)功率高頻分量，減小負(fù)載突變對(duì)直流母線造成的沖擊。并且本發(fā)明建立了雙向半橋變換器的數(shù)學(xué)模型和四種模式下的控制策略。利用自抗擾(adrc)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的綜合控制。補(bǔ)充混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制基礎(chǔ)理論，促使混合儲(chǔ)能技術(shù)向更高的層次發(fā)展。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種基于adrc控制的鋰電池與超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作方法，其特征在于，至少包括以下步驟：

步驟a、將鋰電池和超級(jí)電容分別通過(guò)雙向半橋接到直流母線上構(gòu)成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)；

步驟b、確定負(fù)載功率，并對(duì)負(fù)載功率進(jìn)行高頻分量的檢測(cè)；

步驟c、確定超級(jí)電容本身的充放電功率，當(dāng)負(fù)載突然增高時(shí)，確定超級(jí)電容需要釋放的功率和放電電流，當(dāng)負(fù)載突然減小時(shí)，確定超級(jí)電容需要吸收的功率和充電電流；

步驟d、通過(guò)以上結(jié)果來(lái)控制超級(jí)電容的充放電電流來(lái)實(shí)現(xiàn)其對(duì)功率的控制；

步驟e、確定控制原理圖，采用adrc實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池和超級(jí)電容的工作控制。

上述所說(shuō)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)包括：光伏發(fā)電陣列、負(fù)載、鋰電池、超級(jí)電容、dc-dc變換器，將鋰電池和超級(jí)電容分別通過(guò)雙向半橋接到直流母線上構(gòu)成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，直流母線是光伏發(fā)電陣列、負(fù)載、儲(chǔ)能系統(tǒng)三者的公共接點(diǎn)，分布式發(fā)電系統(tǒng)中的直流負(fù)載、獨(dú)立運(yùn)行逆變器、并網(wǎng)運(yùn)行逆變器為直流母線的負(fù)載。

上述所說(shuō)的確定負(fù)載功率并檢測(cè)是指：設(shè)pload、pbat、psc、ppv分別為負(fù)載、鋰電池、超級(jí)電容以及光伏電池的功率，則有

pload＝pbat+psc+ppv

對(duì)于負(fù)載功率高頻分量的檢測(cè)，采用單極點(diǎn)高通濾波器實(shí)現(xiàn)。設(shè)pscr為負(fù)載突變時(shí)超級(jí)電容的高頻功率給定量，則單極點(diǎn)高通濾波器的通用表達(dá)式為

上述所說(shuō)的超級(jí)電容本身的充放電功率包括2個(gè)狀態(tài)：設(shè)超級(jí)電容所連接的雙向變換器效率為vsc和isc分別為超級(jí)電容端電壓和電流，對(duì)于超級(jí)電容本身的充放電功率psc有

psc＝vscisc

當(dāng)負(fù)載突然增加時(shí)，經(jīng)濾波得出的超級(jí)電容功率給定pscr為正值，即此時(shí)超級(jí)電容應(yīng)該釋放功率

此時(shí)超級(jí)電容放電電流應(yīng)該為

當(dāng)負(fù)載突減時(shí)，經(jīng)過(guò)濾波得出的pscr為負(fù)值，即此時(shí)超級(jí)電容應(yīng)該吸收功率

psc＝vscisc＝pscrη

則此時(shí)超級(jí)電容的充電電流大小為

在負(fù)載突然增加或突然減小時(shí)，通過(guò)式(1)和式(2)計(jì)算結(jié)果來(lái)控制超級(jí)電容的充放電電流來(lái)實(shí)現(xiàn)其功率的控制。

上述所說(shuō)的控制原理圖：是在整個(gè)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中。鋰電池和超級(jí)電容分別通過(guò)一個(gè)雙向變換器連接到直流母線上，其中，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制中包括四個(gè)控制器。

本發(fā)明的工作原理：

本案所涉及的一種基于adrc控制的鋰電池與超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)及其工作方法的工作原理為：本發(fā)明將鋰電池與超級(jí)電容分別通過(guò)雙向半橋變換器連接到直流母線上構(gòu)成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，鋰電池穩(wěn)定直流母線電壓以維持母線上能量供需平衡，超級(jí)電容立即供應(yīng)負(fù)載波動(dòng)功率高頻分量，抑制負(fù)載突變對(duì)直流母線造成的影響。本發(fā)明分析解釋了負(fù)載功率高頻分量的檢測(cè)方法，建立了雙向半橋變換器的數(shù)學(xué)模型和四種模式下的控制策略。利用adrc實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的綜合控制。

本發(fā)明的優(yōu)越性和技術(shù)效果在于：利用adrc實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的精準(zhǔn)綜合控制，并易于分析系統(tǒng)的控制特性，特別是變換器系統(tǒng)的一些由開(kāi)關(guān)切換引起的復(fù)雜特性。

附圖說(shuō)明

附圖1為本發(fā)明的簡(jiǎn)化的分布式發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

pload——分布式發(fā)電系統(tǒng)負(fù)載的功率

pbat——分布式發(fā)電系統(tǒng)鋰電池的功率

psc——分布式發(fā)電系統(tǒng)超級(jí)電容的功率

ppv——分布式發(fā)電系統(tǒng)光伏電池的功率

附圖2為本發(fā)明的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制原理圖。

鋰電池和超級(jí)電容分別通過(guò)一個(gè)雙向變換器連接到直流母線上，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，設(shè)計(jì)了四個(gè)控制器。

附圖3為本發(fā)明的雙向半橋變換器電路結(jié)構(gòu)圖。

c——儲(chǔ)能元件等效電容

r——串聯(lián)內(nèi)阻

u2——儲(chǔ)能元件的端壓

l——電感

s1，s2，c1——開(kāi)關(guān)管以及輸出側(cè)濾波電容構(gòu)成雙向半橋變換器

rl——等效負(fù)載

u1——輸出電壓

附圖4為本發(fā)明的控制器1的控制框圖。

在變換器處于boost單端穩(wěn)壓模式時(shí)，負(fù)載rl在數(shù)值上能取正負(fù)值，即變換器正向工作時(shí)為正，反向時(shí)為負(fù)。雙向變換器boost型單端穩(wěn)壓模式采用電壓電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)，單端穩(wěn)壓模式的控制框圖如附圖4所示。

附圖5為本發(fā)明的控制器2的控制框圖。

在超級(jí)電容正常工作時(shí)，超級(jí)電容供應(yīng)負(fù)載高頻功率，檢測(cè)環(huán)節(jié)得到功率的高頻部分，計(jì)算得出超級(jí)電容充放電電流的參考值，再通過(guò)控制超級(jí)電容充放電電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)用adrc控制器就可以使電感電流穩(wěn)定，其控制框圖如附圖5所示。

附圖6為本發(fā)明的控制器3,4的控制框圖。

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，如果負(fù)載波動(dòng)幅度小于設(shè)定的閾值，則需要對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行恒壓限流充電，使得超級(jí)電容的端電壓回到給定值。另外，當(dāng)鋰電池端電壓過(guò)低時(shí)，為了避免鋰電池過(guò)量放電，也需要對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，此時(shí)變換器的控制目標(biāo)是低壓端輸出電壓，采用電壓外環(huán)電流雙內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)的控制策略，控制框圖如附圖6所示。

附圖7為本發(fā)明的自抗擾控制的原理結(jié)構(gòu)框圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例：基于adrc控制的鋰電池與超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)及其工作方法(見(jiàn)圖2)，其特征在于，至少包括以下步驟：

步驟a、將鋰電池和超級(jí)電容分別通過(guò)雙向半橋接到直流母線上構(gòu)成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。

步驟b、確定負(fù)載功率，并對(duì)負(fù)載功率進(jìn)行高頻分量的檢測(cè)。

步驟c、確定超級(jí)電容本身的充放電功率。當(dāng)負(fù)載突然增高時(shí)，確定超級(jí)電容需要釋放的功率和放電電流。當(dāng)負(fù)載突然減小時(shí)，確定超級(jí)電容需要吸收的功率和充電電流。

步驟d、通過(guò)以上結(jié)果來(lái)控制超級(jí)電容的充放電電流來(lái)實(shí)現(xiàn)其對(duì)功率的控制。

步驟e、確定控制原理圖，采用adrc實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池和超級(jí)電容的工作控制。該系統(tǒng)及其工作方法反映了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)鋰電池穩(wěn)定直流母線電壓、超級(jí)電容提供負(fù)載突變功率高頻分量的運(yùn)行方式，能夠充分利用兩種儲(chǔ)能元件的優(yōu)點(diǎn)，使整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)具有高能量密度和高功率密度的特點(diǎn)。另外恒壓限流充電環(huán)節(jié)能在負(fù)載突變后對(duì)超級(jí)電容自動(dòng)充放電，使其端電壓回到給定值，為下一次負(fù)載突變做準(zhǔn)備，極大地提高了超級(jí)電容的利用率，減小了系統(tǒng)對(duì)超級(jí)電容的容量要求。

上述所說(shuō)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)包括：光伏發(fā)電陣列、負(fù)載、鋰電池和超級(jí)電容，dc-dc變換器。將鋰電池和超級(jí)電容分別通過(guò)雙向半橋接到直流母線上構(gòu)成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)如附圖1所示，直流母線可認(rèn)為是光伏發(fā)電陣列、負(fù)載、儲(chǔ)能系統(tǒng)三者的公共接點(diǎn)，把分布式發(fā)電系統(tǒng)中的直流負(fù)載、獨(dú)立運(yùn)行逆變器、并網(wǎng)運(yùn)行逆變器統(tǒng)稱為直流母線的負(fù)載。

上述所說(shuō)的確定負(fù)載功率并檢測(cè)是指：設(shè)pload、pbat、psc、ppv分別為負(fù)載、鋰電池、超級(jí)電容以及光伏電池的功率，則有

pload＝pbat+psc+ppv

鋰電池在系統(tǒng)中的作用一般是維持母線上能量的功率平衡，在負(fù)載功率突變時(shí)，光伏電池的功率可認(rèn)為是不變的，這要求鋰電池迅速的改變其充放電功率以供應(yīng)負(fù)載。但是鋰電池功率密度小，所以鋰電池很難滿足實(shí)際情況。此時(shí)假如超級(jí)電容來(lái)提供負(fù)載功率突變的部分，這樣鋰電池就只需提供負(fù)載功率變化的低頻分量。這樣可以大大地減小負(fù)載突變對(duì)鋰電池產(chǎn)生的影響，從而降低了對(duì)鋰電池功率密度的要求，并提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。同時(shí)鋰電池能更好的平衡直流母線電壓，并且降低了充放電電流的變化速率，這樣能減小對(duì)鋰電池的傷害，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

對(duì)于負(fù)載功率高頻分量的檢測(cè)，采用單極點(diǎn)高通濾波器即可以實(shí)現(xiàn)，且控制簡(jiǎn)便易行，數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方便。設(shè)pscr為負(fù)載突變時(shí)超級(jí)電容的高頻功率給定量，則單極點(diǎn)高通濾波器的通用表達(dá)式為

上述所說(shuō)的超級(jí)電容本身的充放電功率包括2個(gè)狀態(tài)：設(shè)超級(jí)電容所連接的雙向變換器效率為vsc和isc分別為超級(jí)電容端電壓和電流，對(duì)于超級(jí)電容本身的充放電功率psc有

psc＝vscisc

當(dāng)負(fù)載突然增加時(shí)，經(jīng)濾波得出的超級(jí)電容功率給定pscr為正值，即此時(shí)超級(jí)電容應(yīng)該釋放功率

此時(shí)超級(jí)電容放電電流應(yīng)該為

當(dāng)負(fù)載突減時(shí)，經(jīng)過(guò)濾波得出的pscr為負(fù)值，即此時(shí)超級(jí)電容應(yīng)該吸收功率

psc＝vscisc＝pscrη

則此時(shí)超級(jí)電容的充電電流大小為

在負(fù)載突然增加或突然減小時(shí)，通過(guò)式(1)和式(2)計(jì)算結(jié)果來(lái)控制超級(jí)電容的充放電電流來(lái)實(shí)現(xiàn)其功率的控制。

控制器1采集鋰電池充放電電流和直流母線電壓，并根據(jù)給定的直流母線電壓值控制雙向變換器工作于單端穩(wěn)壓模式，穩(wěn)定直流母線的電壓?？刂破?采集超級(jí)電容端壓和充放電電流，根據(jù)負(fù)載功率高頻分量檢測(cè)環(huán)節(jié)的高頻功率信號(hào)，得出超級(jí)電容實(shí)時(shí)充放電電流值的大小，以實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容充放電功率的控制，提供或吸收突變功率的高頻部分，給鋰電池提供緩沖?？刂破?工作在負(fù)載功率波動(dòng)值小于設(shè)定閾值時(shí)，采集超級(jí)電容電流和端壓，根據(jù)設(shè)定的超級(jí)電容端壓參考值vscref進(jìn)行恒壓限流充電，這能使超級(jí)電容的電壓時(shí)刻維持在設(shè)定值，為下一次負(fù)載突變做準(zhǔn)備?？刂破?運(yùn)行在鋰電池過(guò)放時(shí)，鋰電池已經(jīng)不能在維持母線電壓穩(wěn)定，應(yīng)斷開(kāi)負(fù)載，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，采集蓄電池電壓和電流，進(jìn)行恒壓限流充電。

上述所說(shuō)的雙向半橋變換器包括兩種模式的數(shù)學(xué)模型：當(dāng)變換器運(yùn)行于boost單端穩(wěn)壓模式時(shí)，設(shè)d為s1的開(kāi)關(guān)函數(shù)，可以得到其小信號(hào)模型為

當(dāng)變換器運(yùn)行于buck模式時(shí)，設(shè)d為s2的開(kāi)關(guān)函數(shù)，可以得到其小信號(hào)模型為