[發明專利]一種混合儲能系統的功率分配方法

有效

• 申請號: 201310675017.2
• 申請日: 2013-12-11
• 公開（公告）號: CN103701144A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發明（設計）人: 陳來軍;陳鵬;鄭天文;沈沉;馬紅偉
• 申請（專利權）人: 清華大學;許繼電氣股份有限公司
• 主分類號: H02J3/32
• 分類號: H02J3/32
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 羅文群

1.一種混合儲能系統的功率分配方法，其特征在于該方法包括以下步驟：

（1）用一個波動功率信號P_HESS作為混合儲能系統的輸入信號；

（2）對混合儲能系統功率的輸入信號P_HESS進行濾波，將輸入信號P_HESS中的低頻分量P_{ref_li}作為混合儲能系統中鋰電池的有功功率輸入信號，將輸入信號P_HESS中的其它頻帶分量P_{ref_sc}作為混合儲能系統中超級電容的有功功率輸入信號，設定有功功率大于零表示放電，小于零表示充電，則混合儲能系統的有功功率分配如下式所示：

Pref_li=11+sTPHESS]]>

Pref_sc=PHESS-Pref_li=sT1+sTPHESS]]>

其中，T為濾波時間常數，T的取值范圍為[0.2，2]；

（3）構建混合儲能系統中鋰電池的功率特性模型，利用該模型進行計算，得到混合儲能系統中鋰電池的充放電功率P_li；

其中，鋰電池的一階慣性環節G_li(s)的表達式為：P_{li_ref}表示鋰電池參考功率；G_li(s)等效為鋰電池在復頻域的功率延遲效應，K_li為一階傳遞函數的增益，K_li＝1表示鋰電池能夠精確地跟蹤參考功率值，T_li為鋰電池延遲時間常數，T_li的取值范圍為[0.1，0.2]，表示鋰電池的功率延遲程度；

構建混合儲能系統中超級電容的功率特性模型，利用模型進行計算，得到混合儲能系統中超級電容的充放電功率P_sc：

其中，超級電容的一階慣性環節G_sc(s)的表達式為：P_{sc_ref}表示超級電容的參考功率；G_sc(s)等效為超級電容在復頻域的功率延遲效應，K_sc為一階傳遞函數的增益，其中K_sc＝1表示超級電容能夠精確地跟蹤參考功率值，T_sc為超級電容延遲時間常數，T_li的取值范圍為[0.002，0.005]，表示超級電容的功率延遲程度；

（4）根據步驟（3）得到的混合儲能系統中鋰電池充放電功率P_li和超級電容的充放電功率P_sc，利用下式，分別計算混合儲能系統中鋰電池和超級電容的荷電狀態值；

SOCli=SOC_li(0)-∫0tPli(τ)dτEn_li,]]>

SOCsc=SOC_sc(0)-∫0tPsc(τ)dτEn_sc,]]>

其中，SOC_li、SOC_sc分別表示在充放電時刻t的鋰電池和超級電容的荷電狀態值，SOC_{_li（0）}、SOC_{_sc（0）}分別表示設定的鋰電池和超級電容在初始狀態的荷電狀態初始值，初始值的取值范圍為0～1，E_{n_li}、E_{n_sc}分別表示鋰電池和超級電容的存儲的總能量，P_li(τ)、P_sc(τ)分別為鋰電池和超級電容的充放電功率；

（5）根據上述計算得到的混合儲能系統中鋰電池和超級電容的充放電狀態和荷電狀態，對鋰電池和超級電容充放電狀態進行判斷，并進行功率分配，以下步驟中，SOC_{high_li}和SOC_{low_li}分別表示鋰電池的過度充電警戒值和過度放電警戒值；SOC_{high_sc}和SOC_{low_sc}分別表示超級電容的過度充電警戒值和過度放電警戒值；SOC_{max_li}和SOC_{min_li}分別表示鋰電池荷電狀態的上限和下限；SOC_{max_sc}和SOC_{min_sc}分別表示超級電容荷電狀態的上限和下限；P_{ref_li}表示鋰電池的功率參考值，P_{ref_li}＞0表示鋰電池放電，P_{ref_li}＜0表示鋰電池充電；P_{ref_sc}表示超級電容的功率參考值，P_{ref_sc}＞0表示超級電容放電，P_{ref_sc}＜0表示超級電容充電：

（5-1）當鋰電池的荷電狀態值SOC_li≥SOC_{high_li}，且超級電容的荷電狀態值SOC_li≥SOC_{high_li}，則判定鋰電池和超級電容均處于過度充電狀態，在該狀態下：

若P_{ref_li}＞0，且P_{ref_sc}＞0，則保持鋰電池和超級電容的原放電功率，保持濾波器的濾波時間常數T不變；

若P_{ref_li}＞0，且P_{ref_sc}＜0，則判定儲能系統中超級電容充電，鋰電池放電；使濾波時間常數T＝T₀-ΔT，其中T₀為濾波時間常數初始值，ΔT為濾波時間常數調整值，ΔT＝0.05T₀；

若P_{ref_li}＜0，且P_{ref_sc}＞0，則判定儲能系統中鋰電池充電，超級電容放電，并使T＝T₀+ΔT；

若P_{ref_li}＜0,且P_{ref_sc}＜0，則判定儲能系統中鋰電池和超級電容均充電，并使鋰電池和超級電容的充電功率按下式進行調整：

Pref_li*=Pref_li·SOCmax_li-SOC_liSOCmax_li-SOChigh_liPref_sc*=Pref_sc·SOCmax_sc-SOC_scSOCmax_sc-SOChigh_sc,]]>

其中，表示功率指令經過調整后分配給鋰電池的調整功率值，P_{ref_li}表示混合儲能系統的參考功率通過濾波后分配給鋰電池的功率參考值；表示功率指令經過調整后分配給超級電容的調整功率值，P_{ref_sc}表示混合儲能系統的參考功率通過濾波后分配給超級電容的功率參考值；

（5-2）當鋰電池的荷電狀態值SOC_li≥SOC_{high_li}，且超級電容的荷電狀態值SOC_{low_sc}＜SOC_SC＜SOC_{high_sc}，則判定鋰電池處于過度充電狀態，超級電容的荷電狀態處于正常工作區域，在該狀態下：

若P_{ref_li}＞0，則判定儲能系統中鋰電池放電，并增大鋰電池放電功率，即減小濾波時間常數，使T＝T₀-ΔT；

若P_{ref_sc}＜0，則判定儲能系統中鋰電池充電，并增大濾波時間常數，使T＝T₀+ΔT；

（5-3）當鋰電池的荷電狀態值SOC_li≥SOCh_{igh_li}，且超級電容的荷電狀態值SOC_SC≤SOC_{low_sc}，則判定鋰電池處于過度充電狀態，超級電容處于過度放電狀態，在該狀態下：

若P_{ref_li}＞0,且P_{ref_sc}＞0，則判定儲能系統中鋰電池和超級電容均放電，并減小超級電容的放電功率，即減小濾波時間常數，使T＝T₀-ΔT，增大鋰電池的放電功率，；

若P_{ref_li}＞0,且P_{ref_sc}＜0，則判定儲能系統中鋰電池放電，超級電容充電，保持鋰電池和超級電容的充放電功率，并保持濾波時間常數T不變；

若P_{ref_li}＜0,且P_{ref_sc}＞0，則判定儲能系統中鋰電池充電，超級電容放電，使鋰電池和超級電容的功率按下式進行調整：

Pref_li*=Pref_li·SOCmax_li-SOC_liSOCmax_li-SOChigh_liPref_sc*=Pref_sc·SOC_sc-SOCmin_scSOClow_sc-SOCmin_sc,]]>

若P_{ref_li}＜0,且P_{ref_sc}＜0，則判定儲能系統中鋰電池和超級電容均充電，并減小鋰電池的充電功率，增大超級電容的充電功率，即增大濾波器的濾波時間常數，使T＝T₀+ΔT；

（5-4）當鋰電池的荷電狀態值SOC_{low_li}＜SOC_li＜SOC_{high_li}，且超級電容的荷電狀態值SOC_SC≥SOC_{max_sc}，則判定鋰電池荷電狀態處于正常工作區域，超級電容處于過度充電狀態，在該狀態下：

若P_{ref_sc}＞0，則判定儲能系統中超級電容放電，增大超級電容的放電功率，即增大濾波時間常數，使T＝T₀+ΔT；

若P_{ref_sc}＜0，則判定儲能系統中超級電容充電，減小超級電容的充電功率，即減小濾波時間常數，使T＝T₀-ΔT；

（5-5）當鋰電池的荷電狀態值為SOC_{low_li}＜SOC_li＜SOC_{high_li}，且超級電容的荷電狀態值為SOC_{low_sc}＜SOC_SC＜SOC_{high_sc}時，則判定鋰電池和超級電容荷電狀態均處于正常工作區域，保持濾波時間常數T不變；

（5-6）當鋰電池的荷電狀態值為SOC_{low_li}＜SOC_li＜SOC_{high_li}，且超級電容的荷電狀態值為SOC_SC≤SOC_{low_sc}，則判定鋰電池荷電狀態處于正常工作區域，超級電容處于過度放電狀態，在該狀態下：

若P_{ref_sc}＞0，則判定儲能系統中超級電容放電，減小超級電容的放電功率，即減小濾波時間常數，使T＝T₀-ΔT；

若P_{ref_sc}＜0，則判定儲能系統中超級電容充電，增大超級電容的充電功率，即增大濾波時間常數，使T＝T₀+ΔT；

（5-7）當鋰電池的荷電狀態值為SOC_li≤SOC_{low_li}，且超級電容的荷電狀態值為SOC_SC≥SOC_{high_sc}時，則判定鋰電池處于過度放電狀態，超級電容處于過度充電狀態，在該狀態下：

若P_{ref_li}＞0,且P_{ref_sc}＞0，則判定儲能系統中鋰電池和超級電容均放電，減小鋰電池的放電功率，增大超級電容的放電功率，即增大濾波器的濾波時間常數，使T＝T₀+ΔT；

若P_{ref_li}＜0,且P_{ref_sc}＞0，則判定儲能系統中鋰電池放電，超級電容充電，使鋰電池和超級電容的充電功率按下式進行調整：

Pref_li*=Pref_li·QSOC_li-Qmin_liQSOClow_li-QSOCmin_liPref_sc*=Pref_sc·QSOCmax_sc-QSOCQSOCmax_sc-QSOChigh_sc,]]>

其中，分別為調整后的鋰電池和超級電容的充電功率；

若P_{ref_li}＜0,且P_{ref_sc}＞0，則判定儲能系統中鋰電池充電，超級電容放電，保持濾波時間常數T不變；

若P_{ref_li}＜0,且P_{ref_sc}＜0，則判定儲能系統中鋰電池和超級電容均充電，減小超級電容的充電功率，增大鋰電池的充電功率，即減小濾波時間常數，使T＝T₀-ΔT；

（5-8）當鋰電池的荷電狀態值為SOC_li≤SOC_{low_li}，且超級電容的荷電狀態值SOC_{low_sc}＜SOC_SC＜SOC_{high_sc}時，則判定鋰電池處于過度放電狀態，超級電容荷電狀態處正常工作區域，在該狀態下：

若P_{ref_sc}＞0，則判定儲能系統中鋰電池放電，減小鋰電池放電功率，增大濾波時間常數，使T＝T₀+ΔT；

若P_{ref_li}＜0，則判定儲能系統中鋰電池充電，增大鋰電池的充電功率，減小濾波時間常數，使T＝T₀-ΔT；

（5-9）當鋰電池的荷電狀態值為SOC_li≤SOC_{low_li}，且超級電容的荷電狀態值為SOC_SC≤SOC_{low_sc}，則判定鋰電池和超級電容均處于過度放電狀態，在該狀態下：

若P_{ref_li}＞0,且P_{ref_sc}＞0，則判定儲能系統中鋰電池和超級電容均放電，使鋰電池和超級電容的充電功率按下式進行調整：

Pref_li*=Pref_li·QSOC_li-QSOCmin_liQSOClow_li-QSOCmin_liPref_sc*=Pref_sc·QSOC_sc-QSOCmin_scQSOClow_sc-QSOCmin_sc,]]>

其中，分別為調整后的鋰電池和超級電容的充電功率；

若P_{ref_li}＞0，且P_{ref_sc}＜0，則判定儲能系統中鋰電池放電，超級電容充電，并增大超級電容充電功率，即增大濾波器的濾波時間常數，使T＝T₀+ΔT；

若P_{ref_li}＜0,且P_{ref_sc}＞0，則判定儲能系統中鋰電池充電，超級電容放電，并增大鋰電池的充電功率，并減小濾波器的濾波時間常數，使T＝T₀-ΔT，；

若P_{ref_li}＜0,且P_{ref_sc}＜0，則判定儲能系統中鋰電池和超級電容均充電，保持鋰電池和超級電容的充電功率不變，保持濾波時間常數T不變。