一种基于频率分离能量管理的混合储能系统容量配置方法

(一)技术领域：

本发明涉及混合储能系统容量配置方法领域，具体是一种基于频率分离能量管理的混合储能系统容量配置方法。

(二)背景技术：

在直流微网中，随机冲击性负荷具有非周期或周期性突变特征。仅仅靠电网来支撑负荷，则会严重威胁到公共电网安全、稳定、经济运行。同时对直流母线电压的稳定性造成非常大的冲击，故需要采取一些有效措施来减小随机冲击性负荷并网后的功率波动。

针对以上问题，考虑从“源”侧解决随机冲击性负荷对电网电压波动的影响。通过加入储能元件的方法，如果只是使用单一的锂电池或超级电容作为储能系统进行平抑，则会面临容量配置过大，成本较高等缺点。通过采用锂电池、超级电容协调配合的方法进行能量补偿，能够有效的将功率型储能器件和能量型储能器件的优势互补。目前大多数文献采用各种滤波方法，例如：低通滤波算法，卡尔曼滤波算法，滑动平均滤波算法等等，来解决混合储能系统中锂电池和超级电容的功率分配问题，然而基于滤波原理的控制方法很难准确地确定波动量的高频和低频分量的频率分界点。针对这一问题，寻找合理依据来解决频率分界点的选取以及对混合储能系统容量进行合理的分配，成为需要关注的技术热点。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于频率分离能量管理的混合储能系统容量配置方法，该方法能够克服现有技术的不足，是一种操作方便且容易实现的混合储能系统容量配置方法。

本发明的技术方案：一种基于频率分离能量管理的混合储能系统容量配置方法，其特征包括以下步骤：

(1)采集负荷信号，得到负荷功率P

基于频率分离的能量管理方法，使用两个具有不同截止频率的低通滤波器，其中，第一次滤波的截止频率为f

(1-1)将负荷功率P

其中，P

(1-2)用负荷功率P

P

(1-3)将混合储能系统需要平抑的功率P

式中，P

通常，第一次滤波的截止频率f

第二次滤波的截止频率f

针对超级电容的输出功率P

其中，f

(2)求解混合储能系统元件即锂电池和超级电容的能量分配情况：

由步骤(1-3)得到锂电池的输出功率P

由于锂电池的输出功率P

W

W

式中，Δt为采样间隔时间；

(3)计算混合储能系统的所需最大分配功率和最大分配能量：

(3-1)在步骤(1)中已经得到锂电池的输出功率P

式中，η

(3-2)锂电池的所需最大分配功率P

P

P

(3-3)锂电池和超级电容的容量约束如公式(14)和公式(15)所示：

SOC

SOC

式中，SOC

(3-4)锂电池的所需最大分配能量W

(4)确定混合储能系统在不同第二次滤波的截止频率f

根据步骤(3)得到的锂电池和超级电容的所需最大分配功率和所需最大分配能量，以及所选取的锂电池和超级电容元器件的具体参数，即：单元器件的最大输出功率、最大容量；锂电池的配置个数N

其中，P

(5)建立混合储能系统质量最小质量目标函数f

f

式(20)中，min{M

式(21)中，min{C

为了将初始成本转化为年度资本成本，定义资本回收系数(CRF，CapitalRecovery Fee)，如公式(22)所示:

其中，r为贴现率，L

其中，k

(6)选取混合储能系统的最优容量配置：首先，输入初始参数，包括负荷功率P

(6-1)采集负荷功率P

(6-2)设置第一次滤波的截止频率f

(6-3)将负荷功率P

(6-4)进行第一次迭代，输入第二次滤波的截止频率f

(6-5)考虑锂电池和超级电容的充放电效率和容量的上下幅值，根据步骤(3)和步骤(4)得到锂电池所需最大能量W

(6-6)通过步骤(4)可得到锂电池和超级电容的元器件个数N

(6-7)通过步骤(5)即可求出混合储能系统最小质量目标函数f

(6-8)更新第二次滤波的截止频率f

(6-9)当第二次滤波的截止频率f

(6-10)输出混合储能系统最小质量目标函数f

本发明的优越性：

1.本发明提出电网与混合储能系统协同合作的系统，如附图4，混合储能系统通过DC-DC变换器、交直流负荷分别通过AC-DC变换器和DC-DC变换器接入直流母线，电网通过AC-DC变换器接入直流母线。一方面混合储能系统根据电网工作状态实现对负荷功率的削峰填谷，平抑负荷高频信号产生的功率波动，解决了以往拓扑结构中高频率大功率信号对电能质量和母线电压带来的不利影响；另一方面既解决了单一储能(锂电池或超级电容)容量配置过大，成本较高等问题，还充分发挥了锂电池和超级电容的互补优势；

2.本发明针对随机冲击性负荷并网，提出了一种基于频率分离能量管理的混合储能系统容量配置方法。将负荷功率分为高、中、低频功率，一方面降低了电网侧的电压波动和高次谐波分量，另一方面即保证了锂电池和超级电容满足功率和能量两个角度的负荷需求，又能够根据频率分界点的设定，为混合储能系统进行最优容量配置。该能量管理方法为本发明的核心思想；

3.本发明在目前已有的滤波方法(例如：低通滤波算法，卡尔曼滤波算法，滑动平均滤波法等等)的基础上，考虑到基于滤波原理的混合储能系统控制方法很难准确地确定波动量的高频和低频分量的频率分界点。针对该问题，提出一项依据来确定频率分界点的范围，弥补了现有技术中锂电池和超级电容之间截止频率确定困难的问题；

4.本发明基于频率分离能量管理的混合储能系统容量配置方法，将锂电池的截止频率f

(四)附图说明：

图1为本发明所涉一种基于频率分离能量管理的混合储能系统容量配置方法中基于滤波的能量管理的结构示意图。

图2为锂电池的Ragone图。

图3为本发明所涉一种基于频率分离能量管理的混合储能系统容量配置方法的整体流程示意图。

图4为本发明所涉直流微网混合储能系统的拓扑结构示意图。

图5为本发明所涉实施例中负荷功率的曲线图(其中，图5-a为本发明所涉实施例中负荷功率曲线图，图5-b为图5-a中截取的600～800s时间段的负荷功率曲线)。

图6为本发明所涉实施例中电网的功率曲线图(其中，图6-a为本发明所涉实施例中电网功率曲线，图6-b为图6-a中截取的600～800s时间段的电网功率曲线)。

图7为本发明所涉实施例中第一次滤波后电网功率与负荷功率曲线的对比图(其中，图7-a为本发明所涉实施例中第一次滤波后电网功率与负荷功率曲线对比图，图7-b为图7-a中截取的600～800s时间段的电网功率与负荷功率曲线对比图)。

图8为本发明所涉实施例中混合储能系统功率曲线图(其中，图8-a为本发明所涉实施例中混合储能系统功率曲线图，图8-b为图8-a中截取的600～800s时间段的混合储能系统功率曲线图)。

图9为本发明所涉实施例中锂电池在f

图10为本发明所涉实施例中超级电容在f

图11为本发明所涉实施例中f

图12为本发明所涉实施例中f

图13为本发明所涉实施例中混合储能系统最小质量目标函数f

图14为本发明所涉实施例中混合储能系统最小成本目标函数f

(五)具体实施方式：

实施例：在直流微网中，通过混合储能系统的加入，与电网协同合作承担负荷功率的馈电的拓扑结构，如附图4，混合储能系统通过DC-DC变换器、交直流负荷分别通过AC-DC和DC-DC变换器接入直流母线，电网通过AC-DC变换器接入直流母线。电网负责主要供能，混合储能系统进行功率补偿，根据电网的实际运行实现对负荷功率曲线的削峰填谷。

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施方式作进一步地详细描述。

S1：采集随机冲击性负荷信号。

本发明的目的是针对负荷均有较大随机冲击性的波动信号，负荷峰谷差较大而引起的线路过载或供电能力不足，导致直流母线电压的稳定性不可靠的情况。提出一种基于频率分离的能量管理方法，在不同第二次滤波的截止频率下，锂电池和超级电容分别有不同的容量配置。本发明的最终目的是选择锂电池的最优第二次滤波的截止频率，并找到在该截止频率下，锂电池和超级电容的最优容量配置。该实例是在matlab中进行，本实例模拟了一组具有随机冲击性的负荷功率曲线，见附图5，从该图中可以看到负荷具有较强的随机波动性，考虑功率波动范围在0～20kW。为了更清楚看到功率变化，本实施例的功率曲线都将600～800s时间段进行放大，以便于观察。

S2：第一次滤波得到电网需要响应的低频功率信号。

随机冲击性负荷进行第一次滤波后得到的低频功率信号由电网供应。电网主要负责长时间的能量供应。其余的峰值和低谷功率交由混合储能系统来响应。电网需要响应的功率为：

其中P

负荷与电网的差馈电由混合储能系统进行平抑，混合储能系统需要平抑的功率P

P

其中P

S3：确定容量配置的约束条件(锂电池的截止频率范围)。

针对高频信号功率和中频信号功率的“频率分界点”(第二次滤波的截止频率f

第二次滤波的截止频率f

由于功率密度和能量密度的比值单位为1/s，故其为频率。

第一次滤波的截止频率f

S4：第二次滤波得到锂电池分配的中频信号和超级电容分配的高频信号。

发明内容步骤(6)中详细介绍，以混合储能系统的最小成本目标函数f

中频信号功率P

S5：在各储能元件功率已知情况下，求解能量分配情况。

在得到混合储能系统的功率后，可根据锂电池和超级电容的输出功率，进行积分求和，分别得到锂电池的输出能量W

由于该能量信号为离散信号，需要设定采样间隔时间，对功率进行累加求和，可得到锂电池的输出能量W

Δt为采样间隔时间(此处设置为0.02s)。

S6：求混合储能系统的所需最大分配功率和最大分配能量。

在锂电池和超级电容的功率特性和能量响应已知的情况下，分别确定锂电池和超级电容的充放电效率η

在得到锂电池和超级电容的输出功率后，即可得到锂电池和超级电容的所需最大分配功率P

P

P

考虑锂电池和超级电容需要满足荷电状态的约束，即：

SOC

SOC

式中，SOC

运用枚举法，将第二次滤波的截止频率f

S7：确定混合储能系统在不同第二次滤波的截止频率f

在锂电池和超级电容的所需最大分配功率和所需最大分配能量已知的情况下，确定选取的锂电池和超级电容型号，该型号的数据包括：单元器件的最大输出功率、最大容量、单元质量等。即可分别得到在每个截止频率下锂电池和超级电容分配的元器件个数N

其中，P

表1为配置过程锂电池和超级电容的详细参数表

S8：建立混合储能系统的最小质量和最小成本优化目标函数。

锂电池和超级电容的元件配置数量确定的情况下，即可确定其对应的混合储能系统配置的质量M

M

m

f

本研究全面考虑了混合储能系统的初始投资成本、运维成本、置换成本、剩余成本，以混合储能系统最低年度资本成本为目标。混合储能系统最小成本目标函数f

f

＝min{C

C

为了将初始成本转化为年度资本成本，资本回收系数(CRF)由下式定义:

其中r为贴现率，L

C

其中k

C

其中k

C

其中k

C

其中k

C

其中k

S9:求解混合储能的最优容量配置。

首先，设置第一次滤波的截止频率f

将负荷功率P

然后，进行第一次迭代，输入第二次滤波的截止频率f

考虑锂电池和超级电容的充放电效率和容量的上下幅值，根据步骤S6所述，即可得到锂电池所需最大能量W

接着按照步骤S7所述，即可求解出锂电池的元器件分配个数N

通过步骤S8即可求出混合储能系统最小质量目标函数f

更新第二次滤波的截止频率f

当第二次滤波的截止频率f

以上迭代步骤可将每个第二次滤波的截止频率f

表2混合储能系统的最小质量配置结果

同理，按照以上迭代过程，混合储能系统的最小成本目标函数f

表3混合储能系统最小成本配置表

本发明建立了两个目标函数，第一个目标函数与混合储能系统重量有关，第二个目标函数关注混合储能系统器件的配比对投入成本的影响，在第二次滤波的截止频率f

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。