一種分布式發(fā)電系統(tǒng)的混合儲(chǔ)能裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種分布式發(fā)電系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)的技術(shù)領(lǐng)域，具體的來說，是一種分 布式發(fā)電系統(tǒng)的混合儲(chǔ)能裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 蓄電池由于其功率密度小，放電過程中受化學(xué)反應(yīng)離子擴(kuò)散速度的影響，難以釋 放大的瞬時(shí)功率，大功率輸出能力不足。
[0003] 超級(jí)電容器作為新興的能量?jī)?chǔ)存器件，能夠?qū)崿F(xiàn)快速充放電，瞬間大電流輸出能 力強(qiáng)。與蓄電池相比，在功率密度、充電時(shí)間、使用壽命以及環(huán)境溫度等方面具有很大的優(yōu) 勢(shì)，超級(jí)電容器的能量密度比較低，無法保證長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)供電。
[0004]因此，基于蓄電池或超級(jí)電容器作為分布式發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置均無法提供良好 的供電保障。
[0005] 驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)，蓄電池功率密度小的缺點(diǎn)給系統(tǒng)帶來了成本的大幅度提高、設(shè)備體 積的增大和重量的增加，甚至引起供電可靠性的下降。超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)是功率密度大、充 放電速度快、儲(chǔ)能效率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)，缺點(diǎn)是能量密度偏低，還不適宜于大容量的電力儲(chǔ) 能應(yīng)用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 基于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種分布式發(fā)電系統(tǒng)的混合儲(chǔ)能裝置，分布式 發(fā)電系統(tǒng)包含了分布式電源、混合儲(chǔ)能系統(tǒng)、本地負(fù)荷、升降壓變壓器、交直流變流器等，其 中，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)包括電池組和超級(jí)電容器。超級(jí)電容器與電池在技術(shù)性能上具有較強(qiáng)的 互補(bǔ)性，如果將二者混合使用，使電池能量密度大與超級(jí)電容器功率密度大、充放電速度 快、儲(chǔ)能效率高，以及循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)相結(jié)合，將會(huì)給儲(chǔ)能裝置的性能帶來很大的提高。
[0007] 將電池的模型簡(jiǎn)化為理想電壓源與等效內(nèi)阻的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，將超級(jí)電容器模型簡(jiǎn)化 為理想電容器與等效內(nèi)阻的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，即為超級(jí)電容器電池的直接并聯(lián)儲(chǔ)能模型；
V(S)為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的等效電壓，Z (S)為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的等效阻抗，Vb為電池組等效電 壓，Vra為超級(jí)電容等效電壓，Rb為電池組等效內(nèi)阻，1為超級(jí)電容等效內(nèi)阻，S為拉普拉斯 算子，C為超級(jí)電容電容值； 電池支路的電流值為
IljsCt)為電池組支路的電流值，ies(t)為超級(jí)電容器支路的電流值，I e為電流峰值， K=0, 1，2…，T為電流的周期（即電流頻率的倒數(shù))，_)是標(biāo)準(zhǔn)階躍函數(shù)，D為占空； 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出的平均功率為
Wt為電池的存儲(chǔ)的總能量，Wtfe為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在時(shí)間段內(nèi)能量損耗，是電池的 總放電時(shí)間，「為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率損耗的節(jié)約率； 分布式發(fā)電系統(tǒng)并入電網(wǎng)的有功功率為，風(fēng)電經(jīng)過逆變器逆變后接入直流母線， 而光伏發(fā)電通過整流器整流后接入母線，分布式電源注入直流母線的功率為PDPi，本地負(fù) 荷包括交流負(fù)荷和直流負(fù)荷，其消耗的功率為。儲(chǔ)能電池和超級(jí)電容作為儲(chǔ)能設(shè)備接 入母線，各自發(fā)出的補(bǔ)償功率分別SP3EsjPPue，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率為P hess。那么直流母 線有功功率平衡關(guān)系如下：
由于分布式發(fā)電能源發(fā)出的有功功率Pdpi具有不穩(wěn)定性，而且本地負(fù)荷也具有波動(dòng) 性，因此分布式發(fā)電系統(tǒng)向電力系統(tǒng)提供的并網(wǎng)有功功率具有波動(dòng)性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，這就 需要混合儲(chǔ)能裝置進(jìn)行補(bǔ)償，減少有功功率隨機(jī)的波動(dòng)，從而使得1^?保持平滑。
[0008] 儲(chǔ)能電池和超級(jí)電容分別用于補(bǔ)償/吸收低頻和高頻的有功功率波動(dòng)，其響應(yīng)特 性為：
式中：x為BESS或UC。為傳輸時(shí)間常數(shù)。
[0009] 荷電狀態(tài)與儲(chǔ)能設(shè)備充放電功率的關(guān)系如下：
式中：Ef為儲(chǔ)能設(shè)備初始容量，neh、ndls分別為儲(chǔ)能設(shè)備充放電效率，P eh、Pdls分別為 儲(chǔ)能設(shè)備充放電功率，Is為儲(chǔ)能設(shè)備的額定容量。
[0010] 對(duì)于分布式供電的混合儲(chǔ)能微電網(wǎng)，有效穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的基本原則為： ① 微電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，分布式發(fā)電系統(tǒng)、超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)必須至少有 一個(gè)為直流母線供電； ② 微電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，分布式發(fā)電系統(tǒng)、超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)有且只有 一個(gè)處于直流母線恒壓控制運(yùn)行模式； ③ 當(dāng)分布式發(fā)電系統(tǒng)供電冗余時(shí)，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)與電池儲(chǔ)能系統(tǒng)不能處于放電狀 態(tài)； ④ 當(dāng)分布式發(fā)電系統(tǒng)供電不足時(shí)，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)與電池儲(chǔ)能系統(tǒng)不能處于充電狀 態(tài)； ⑤ 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)與電池儲(chǔ)能系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，不允許一側(cè)充電一側(cè)放電； ⑥ 分布式發(fā)電系統(tǒng)供電不足時(shí)，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)先于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)投入供電；分 布式發(fā)電系統(tǒng)供電充足時(shí)，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)先于超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)充電； 分布式發(fā)電系統(tǒng)與混合儲(chǔ)能裝置的工作模式可分為8種，具體的為： 工作模式1:當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)正常工作時(shí)，單向變換器工作在最大功率跟蹤（MPPT)模式下， 保證分布式發(fā)電系統(tǒng)輸出最大功率。如果分布式發(fā)電功率小于負(fù)載功率要求，電池提供不 足功率，通過控制雙向變換器1高壓側(cè)的電壓和電感電流，保證直流母線電壓穩(wěn)定。
[0011] 工作模式2 :單向變換器工作MPPT模式下，如果分布式發(fā)電功率大于負(fù)載功率要 求，多余的能量向電池和超級(jí)電容器充電，雙向變換器1工作在Boost模式下，保證直流母 線電壓穩(wěn)定。
[0012] 工作模式3 :在工作模式1的情況下，如果檢測(cè)到負(fù)載發(fā)生突變，雙向變換器2啟 動(dòng)工作在Boost模式下，為負(fù)載提供沖擊功率，并控制其輸出電壓，保證直流母線電壓的穩(wěn) 定。
[0013] 工作模式4:在工作模式2的情況下，負(fù)載突變時(shí)，系統(tǒng)的充電電流減小，能量向反 方向流動(dòng)。
[0014] 工作模式5:若果電池充電達(dá)到過充電壓或者充電電流達(dá)到最大允許充電電流， 單向變換器工作于恒壓模式，控制其輸出電壓，保證直流母線電壓的穩(wěn)定，雙向變換器1工 作于Buck模式，給電池充電。
[0015] 工作模式6 :分布式發(fā)電系統(tǒng)無輸出，單向變換器停止工作，雙向變換器1工作在 Boost模式，電池單獨(dú)為負(fù)載供電，控制輸出電壓，保證母線電壓穩(wěn)定。
[0016] 工作模式7:在工作模式6情況下，如果負(fù)載功率突變，啟動(dòng)超級(jí)電容器為負(fù)載放 電，提供沖擊功率。
[0017] 工作模式8:超級(jí)電容器和電池放電時(shí)間過長(zhǎng)，端電壓達(dá)到過放電壓時(shí)，三個(gè)變換 器停止工作，系統(tǒng)停止運(yùn)行，切斷負(fù)載上的開關(guān)S。
[0018] 另外，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)首先檢測(cè)分布式發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓，大于設(shè)定值時(shí)，開關(guān)S開通 接入負(fù)載，單向變換器開始工作；如果分布式發(fā)電系統(tǒng)輸出功率較小，不能滿足負(fù)載要求， 而此時(shí)儲(chǔ)能元件的端電壓達(dá)到設(shè)定的過放電壓時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)將停止工作，對(duì)應(yīng)于第8種工 作模式。
[0019] 從上述8種工作模式可以看出，單向變換器在MPPT模式、恒壓工作模式和停止工 作之間切換；而雙向變換器在Buck模式、Boost模式和停止工作之間切換。
[0020] 通過建立混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的等效電路模型，分析混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的電流及功率輸出， 并根據(jù)分布式發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行規(guī)則，從而制定分布式發(fā)電系統(tǒng)與混合儲(chǔ)能裝置協(xié)調(diào)運(yùn) 行的工作模式。
【附圖說明】
[0021] 圖1為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池與超級(jí)電容分別輸出的電路。
[0022] 圖2為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)并聯(lián)輸出的等效電路。
[0023] 圖3為帶混合儲(chǔ)能的分布式發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] -種分布式發(fā)電系統(tǒng)的混合儲(chǔ)能裝置，分布式發(fā)電系統(tǒng)包含了分布式電源、混合 儲(chǔ)能系統(tǒng)、本地負(fù)荷、升降壓變壓器、交直流變流器等，其中，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)包括電池組和超 級(jí)電容器。超級(jí)電容器與電池在技術(shù)性能上具有較強(qiáng)的互補(bǔ)性，如果將二者混合使用，使電 池能量密度大與超級(jí)電容器功率密度大、充放電速度快、儲(chǔ)能效率高，以及循環(huán)壽命長(zhǎng)等特 點(diǎn)相結(jié)合，將會(huì)給儲(chǔ)能裝置的性能帶來很大的提高。
[0025] 將電池的模型簡(jiǎn)化為理想電壓源與等效內(nèi)阻的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，將超級(jí)電容器模型簡(jiǎn)化 為理想電容器與等效內(nèi)阻的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，即為超級(jí)電容器電池的直接并聯(lián)儲(chǔ)能模型；
V(S)為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的等效電壓，Z(S)為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的等效阻抗，Vb為電池組等效電 壓，Vm為超級(jí)電容等效電壓，Rb為電池組等效內(nèi)阻，R sS超級(jí)電容等效內(nèi)阻，S為拉普拉斯 算子，C為超級(jí)電容電容值； 電池支路的電流值為
超級(jí)電容器支路電流
ifc.5(t)為電池組支路的電流值，U.t)為超級(jí)電容器支路的電流值，1 0為電流峰值， K=0, 1，2…，T為電流的周期（即電流頻率的倒數(shù))，_)是標(biāo)準(zhǔn)階躍函數(shù)，D為占空比； 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出的平均功率為
Wt為電池的存儲(chǔ)的總能量，Wibe為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在be時(shí)間段內(nèi)能量損耗，是電池的 總放電時(shí)間，「為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率損耗的節(jié)約率； 分布式發(fā)電系統(tǒng)并入電網(wǎng)的有功功率為，風(fēng)電經(jīng)過逆變器逆變后接入直流母線， 而光伏發(fā)電通過整流器整流后接入母線，分布式電源注入直流母線的功率為Pepi，本地負(fù) 荷包括交流負(fù)荷和直流負(fù)荷，其消耗的功率為!^^。儲(chǔ)能電池和超級(jí)電容作為儲(chǔ)能設(shè)備接 入母線，各自發(fā)出的補(bǔ)償功率分別為P 3ESdPPU￡：，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率為Phess。那么直流母 線有功功率平衡關(guān)系如下：
由于分布式發(fā)電能源發(fā)出的有功功率Pdpi具有不穩(wěn)定性，而且本地負(fù)荷也具有波動(dòng) 性，因此分布式發(fā)電系統(tǒng)向電力系統(tǒng)提供的并網(wǎng)有功功率具有波動(dòng)