适用于高压链式储能的混合储能子模块能量管理控制方法技术

一种适用于高压链式储能的混合储能子模块能量管理控制方法，其在单一储能电池串并联的传统储能模块基础上引入超级电容构成混合储能子模块，并根据多时间尺度控制思想使储能子模块中的超级电容和储能电池工作在运行过程中响应不同频率的功率，实现两者功率的合理分配。优化高压链式储能的工作性能、延长工作寿命。寿命。寿命。

【技术实现步骤摘要】
适用于高压链式储能的混合储能子模块能量管理控制方法


[0001]本专利技术属于高压链式储能控制
，尤其涉及一种适用于高压链式储能的混合储能子模块能量管理控制方法。

技术介绍

[0002]在传统高压链式储能系统中，其储能模块大都由单一类型储能电池以串并联的方式接入单相全桥的方式实现。虽然近年来，储能系统在很多方面的关键技术取得了一些突破，但是，还没有一种储能技术能够兼顾高能量密度和高功率密度的特性，也就使得在面对电网复杂多变的能量需求时，现有技术在处理精度、电池寿命优化等方面难以满足要求。
[0003]除此之外通过对储能电池的充放电特性分析可知储能电池本身充放电电流的波动性大大缩减电池的使用寿命，增大储能设备的故障率；随着储能电池的充放电其端点电压也会随之变化，无法维持母线电压的平稳，这也就导致不能简单地将链式储能设备视为理想的电压源型设备，因此，链式储能设备的特性也将随之大打折扣。因此，要从根源上提升链式储能设备的性能，延长设备的寿命，首先应从储能电池子模块的改进入手。
[0004]中国专利申请CN114447971 A《具有普遍适用性的超级电容和电池混合储能设备》提出了一种直接并网型的混合储能设备，根据电源电网接入点频率及功率检测值算法自适应控制运行时，基于超级电容、电池的荷电状态阈值控制超级电容和电池充电或放电。当超级电容受其荷电状态约束限制而无法完全响应功率需求指令时，根据功率需求和超级电容的供应功率，计算所需电池输出功率，控制电池进行剩余功率输出，以满足电网功率需求。分别在充放电过程中均有不同的控制算法，运行过程中会出现频繁的切换，会出现电流指令不连续的情况。但是上述现有技术专利方案并没有充分利用超级电容和储能电池的互补特性，长短时间尺度在控制角度并没有体现，只是通过强行的功率指令分割来实现，对延长系统寿命效用有限。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术中的不足，本专利技术提供了一种适用于高压链式储能的新型混合储能子模块能量管理控制方法，本方法引入了超级电容和储能电池构成的混合储能子模块，根据多时间尺度控制思想使储能子模块中的超级电容和储能电池工作在运行过程中响应不同频率的功率，实现两者功率的合理分配。本专利技术作为应用于高压链式储能系统中的子模块，无需考虑电池荷电状态的一致性和充放电控制，不是切换结构，因此对于子模块而言控制方法具有连续性，可优化高压链式储能的工作性能、延长工作寿命，增加高压链式储能设备的可靠性。
[0006]本专利技术采用如下的技术方案：
[0007]一种适用于高压链式储能的新型混合储能子模块能量管理控制方法，包括以下步骤:
[0008]步骤1，分别构建长时间尺度和短时间尺度下的子模块模型；
[0009]步骤2，根据短时间尺度超级电容模块模型，设计H∞鲁棒控制器，实现超级电容对功率的快速响应；
[0010]步骤3，根据长时间尺度储能电池模块模型，设计带虚拟阻抗的电压电流双闭环控制器，实现对储能电池电流波动的抑制。
[0011]所述步骤1具体设计流程如下：
[0012]短时间尺度内的超级电容子模块模型可以将负载电流、储能电池电流和超级电容端电压视为干扰，构建短时间尺度内的超级电容模型如下式：
[0013][0014]其中w＝[v
sc i
o
]T
，D为超级电容控制脉冲占空比稳态值，分别为为超级电容电流电压、母线输出电流以及超级电容占空比的小信号值，各个矩阵的含义分别为：
[0015]C2＝E
3X3
,D
21
＝[0],D
22
＝[0][0016]其中r
sc
、L
sc
为超级电容串联等效电阻和电感值，V
sc
为超级电容电压稳态值，C为母线输出电容，R
L
为等效负载，E
3X3
为3行3列的单位矩阵，D
21
，D
22
用来保持控制器设计形式上的统一。
[0017]长时间尺度下的系统模型可以视输出电压为稳定值，即v
o
≡V
o_set
，V
o_set
为母线电压给定值，是超级电容的控制目标值；则长时间尺度的储能电池模型如下：
[0018][0019]其中d1为储能电池控制脉冲占空比，v
bat
、i
ba
为储能电池的电压和电流，L
ba
为储能电池串联等效电感值。v
o
为母线电压，i
o
为母线输出电流。
[0020]所述步骤2，具体设计流程如下：
[0021]令y＝x,可得H∞标准模型如式所示
[0022][0023]其中C1＝[0 0 1],D
11
＝[0 0],D
12
＝0,C2＝E
3X3
,D
21
＝[0],D
22
＝[0]。
[0024]构建广义对象如式：
[0025][0026]其中K＝[k
1 k
2 k3]。
[0027]可得控制器为u＝Ky＝YPy，Y，P为控制器参数，为待求解的矩阵，K＝[k1,k2,k3]为控制增益。。
[0028]所述步骤3，具体设计流程如下：
[0029]为了降低储能电池电流的波动性和规划控制器的控制带宽，本专利技术采用在电压电流双闭环的基础上引入虚拟阻抗环节，虚拟阻抗值应随输出电流增大而增大，具体传递函数定义如图4所示，虚拟阻抗环节表达式如下：
[0030][0031]其中a值需要在考量留出足够的稳定裕度的情况下给出，a值越大，稳定裕度越差，但是对储能电池输出电流的平滑性越好。
[0032]电压电流双闭环的具体参数方法设计如下：
[0033]储能电池控制器内环开环传递函数为：
[0034][0035]其中，G
op
为系统开环传递函数，G
i
为电流闭环传递函数。
[0036]设计内环的控制带宽为ω
i
，可得控制器内环参数为：
[0037][0038]同理设计外环参数为：
[0039][0040]其中ω
i
和ω
v
分别为电流环和电压环的控制带宽，通常电流环控制带宽取为电压环控制带宽的10倍，η取0.1。V
o
为直流母线电压稳态值，C
sc
是超级电容电容值。k
ip
，k
ii
为电流环的比例系数和积分系数；k
vp
，k
vi
为电压环的比例系数和积分系数。k
p
为控制器的比例系数，k
i
为积分系数。
[0041]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0042]1、结合不同储本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于高压链式储能的混合储能子模块能量管理控制方法，混合储能子模块采用双功率变换器的结构；其特征在于，所述控制方法包括以下内容：储能电池与第一电感串联后通过双功率变换器的一侧单相桥臂连接直流母线；超级电容与电阻、第二电感串联后通过双功率变换器的另一侧单相桥臂连接直流母线；基于长时间尺度储能电池模块模型实现对储能电池的控制以稳定超级电容的电压；基于短时间尺度超级电容模块模型实现对超级电容的控制以稳定直流母线电压。2.根据权利要求1所述的混合储能子模块能量管理控制方法，其特征在于：根据短时间尺度超级电容模块模型，设计H∞鲁棒控制器。3.根据权利要求2所述的混合储能子模块能量管理控制方法，其特征在于：短时间尺度内的超级电容模型定义为：其中分别为超级电容电流、超级电容电压、母线输出电流以及超级电容占空比的小信号值，各个矩阵的定义分别为：C2＝E
3X3
,D
21
＝[0],D
22
＝[0]其中r
sc
、L
sc
为超级电容串联等效电阻和电感值，V
sc
为超级电容电压稳态值，C为母线输出电容，R
L
为等效负载，D为超级电容控制脉冲占空比稳态值。4.根据权利要求3所述的混合储能子模块能量管理控制方法，其特征在于：所述H∞鲁棒控制器为u＝Ky＝YPy，其标准模型定义为：其中C1＝[0 0 1],D
11
＝[0 0],D
12
＝0,C2＝E
3X3
,D
21
＝[0],D
22
＝[0]，E
3X3
为3行3列的单位矩阵，D
21
，D
22
用来保持控制器设计形式上的统一，Y，P为控制器参数，是待求解的矩阵，K＝[k1,k2,k3]为控制增益。5.根据权利要求1所述的混合储能子模块能量管理控制方法，其特征在于：根据长时间尺度储能电池模块模型，设计带虚...

【专利技术属性】
技术研发人员：于华龙，操丰梅，王立华，梅红明，刘静佳，李思，李昆，
申请(专利权)人：北京四方继保工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：