科研创新 | 基于模型开发多能源混合储能集控实证平台

一、现代电力电子技术发展阐述

 

电力电子技术作为门新兴的交叉学科，在能源革命中扮演着重要角色，电力电子技术的应用必须要进行相应的充分准备才能将其优势发挥到最大，否则该技术的潜能不能得到工程技术人员的深刻认识，或者预期的节能效果也可能会因为错误的参数设置而无法实现。 

 

现代工业对电气工程技术人员的专业素质提出越来越高的要求，电力电子专业人员不仅要具备扎实的理论知识、全面的计划能力，还要掌握接线和参数设置等实践技能。因此，面向技术应用的高等工程必须要强调实践导向。

 

研旭驱动控制器可通过编程接口实现自由编程。借助YXSPACE实验系统可在Matlab®/Simulink®中实现复杂变速驱动的快速仿真，然后将生成的代码程序写入驱动控制器中。在可变负载条件下，学生还可以使用拓展工具对系统进行复杂分析。Matlab®/Simulink®是高等院校广泛使用的实验和科研软件，研旭电力电子实验系统实现驱动硬件系统与该软件的实时互动操作，为电力电子和驱动技术实验教学和科研提供了一种新方式。

 

二、多能源混合储能介绍

 

在微电网系统中，混合储能系统被用于改善可再生能源发电系统的性能，维持网内的整体功率平衡。常见的储能器件按照功能来划分可分为功率型和能量型器件:前者功率密度大，响应速度快，但能量密度小，只适用于平抑瞬时功率波动，代表性器件有超级电容、飞轮储能和超导储能等;后者能量密度大，但动态响应能力差，循环次数有限，适用于平滑长时间的平均功率波动，常见的有电池储能、压缩空气储能和氢储能等。

 

当前没有单--储能器件能同时满足高功率密度、高能量密度、动态响应快和循环寿命长等要求，因此将具有不同特性的储能器件组合起来形成混合储能系统(Hybrid Energy Storage System,HESS)，以提升储能系统的整体性能，降低系统建设成本。

 

目前最常用的混合储能系统是由超级电容和电池构成的。超级电容用来平抑瞬时功率波动，电池用来平滑长时间尺度的平均功率需求。通过这种方式，可以充分发挥超级电容和电池各自的优势，平滑电池的充放电电流,减少充放电次数，从而延长电池的使用寿命;同时，系统的动态响应能力也能得到显著提升。由于混合储能系统集成了多种具有不同特性的储能器件，因此控制方法成为了能否充分发挥各类储能器件优势、维持其安全稳定运行的关键。

 

由于混合储能系统集成了多种具有不同特性的储能器件，因此控制方法成为了能否充分发挥各类储能器件优势、维持其安全稳定运行的关键。基于此上研究问题，南京研旭搭建了基于模型控制的混合储能集控系统二次开发科研平台，提供完整的硬件和软件模型代码。

 

三、系统组成：

 

图1 实物组成图

 

1、SP6000/SP2000快速原型控制器（一控多）
2、双向DC-DC锂电池变流器
3、双向DC-DC超级电容变流器
4、双向DC-AC变流器（单相/三相可选）
5、磷酸铁锂电池组（含BMS管理系统）
6、超级电容电池组（含CMS管理系统）
7、配电、变压器、负载等
8、显示器电脑

 

四、验证实验

 

混合储能系统的基本控制思想是将储能系统需补偿的直流微网内不平衡功率按照频率高低进行分解。其中，低频段的平均功率波动幅值小，但持续时间长，需补偿的能量大，因此适合电池这类能量型储能器件补偿;高频段的瞬时功率波动幅值大，但持续时间短，往往是亳秒级，因而需要超级电容这类功率型器件进行平抑。由此可知，合理的功率解策略是混合储能系统控制的关键。

 

图2 系统拓扑图

 

验证实验1：基于低通滤波法的混合储能集中式功率分配策略验证

 

试验系统的结构同图2， DC-AC双向变流器在整流模式下以下垂控制模式运行，混合储能装置采用基于低通滤波法的集中式功率分配策略。

 

母线电压设置参考值，设置DC-AC下垂系数，滤波时间常数设置为0.5，设置负载的功率初始值，并于10s后突增一点的功率，持续10s后突减至一定功率，并重复该过程。该过程中系统母线电压及混合储能的输出电流的变化趋势。
通过该试验系统初步实现了不同电源之间通过下垂控制进行功率分配，其中锂电池采用虚拟电阻下垂，能够响应系统中功率波动的低频分量；超级电容器采用虚拟电容下垂控制，能够较好的响应系统中功率波动的高频分量。

验证实验2：基于虚拟阻容下垂控制的混合储能分散式功率分配策略验证

 

试验系统由电网、DC-AC/DC-DC变流器、可变电阻负载及锂电池同超级电容器组成的混合储能等构成，其结构如图2所示。DC-AC变流器及混合储能DC/DC变流器均采用RCP控制。DC-AC双向变流器在整流模式下以下垂控制模式运行，混合储能装置采用虚拟阻容下垂控制。

 

母线电压设置参考值，设置DC-AC下垂系数，锂电池的虚拟电阻下垂系数为0.5，超级电容器的虚拟电容下垂系数为1，设置负载的功率初始值，并于10s后突增一点的功率，持续10s后突减至一定功率，并重复该过程。该过程中系统母线电压及三个电源电流的变化趋势如图3.49和图3.50所示。

 

该试验系统初步实现了不同电源之间通过下垂控制进行功率分配，其中锂电池采用虚拟电阻下垂，能够响应系统中功率波动的低频分量；超级电容器采用虚拟电容下垂控制，能够较好的响应系统中功率波动的高频分量。

 

Simulink模型：

 

 

快速原型控制器运行界面：

 

 

设备运行界面：

 

 

五、系统特点

系统特点：

 

• 系统采用真实锂电池储能和超级电容系统，磷酸铁锂电池/超级电容的充电/放电、电池管理系统BMS控制均达到工业储能系统的标准。
• 系统包含双向DC-DC变流器和双向DC-AC变流器，可满足常规的直流母线变流系统和交流母线变流系统。
• 控制器兼具2种控制方式：DSP编程和RCP模型控制（Simulink快速原型开发），两种模式可应用于不同的开发阶段和实验场景，优势互补。
• DSP模式下，可通过C代码编程方式实现变流模块的电能变换、故障保护、UI交互以及模式策略的变更等，熟悉掌握工业控制的开发流程。
• RCP模式下，可通过Simiulink模型配合上位机实时控制系统完成变流模块的控制功能，图形化的控制方式更容易上手，实时交互调试模式使核心算法的调试更为有效便捷。
• RCP一控多，同时控制多个变流驱动器，可实现验证各种算法功能，实时控制，在线调参，提供完整控制模型。
• 提供整体系统的Simulink离线仿真模型，可与实际物理设备一一对应，对比运行效果。
• 整体系统采用开源模式，提供完整的硬件原理图、接口图、DSP软件源代码、Similink完整可运行模型。具备非常灵活的二次开发的基础，方便做各类教学和科研实验。

 

六、设备介绍：

 

6.1  YXSPACE系列快速原型控制器

 

YXSPACE产品系列能够将用户设计的图形化的高级语言编写的控制算法（Simulink）转换成DIDO、AIAO量，完成实际硬件控制。其基本控制框图如下所示：

 

 

控制算法模型一般采用Matlab中的Simulink工具搭建，将模型中的接口与硬件驱动接口绑定后，再结合TI公司的CCS编译工具产生可执行文件，下载至YXSPACE控制器中运行。

 

研旭YXSPACE-VIEW2000软件主要用于配置YXSPACE控制器工作模式，同时可以实时监测控制过程中的各类运行量，包括采集量、中间控制变量等。YXSPACE-VIEW2000包括了6类组态控件，分别为遥控控件、遥信控件、遥调控件、遥测控件、示波器控件以及文字编辑控件等。用户可以借助这些控件，直观、方便的搭建监控界面，监控控制器内部运行的详细信息。

 

YXSPACE-SP2000（点击图片看详情）

 

YXSPACE-SP6000（点击图片看详情）

 

6.2 桌面型功率模块YXPHM

 

 

YXPHM多功能桌面型电力电子功率转换平台，采用积木式搭建形式，将功率转换电路中的电感，电容，功率开关等器件方便的组合在一起，形成电力电子积木PEBB（Power Electronics Building Block）。 

开发平台包括硬件部分、软件驱动，是针对高校开展电力电子技术研究推出的一种开放式的二次开发教学科研平台。该平台在硬件上采用分体化设计，控制板、采集板、功率板、电容板等模块化，外壳采用透明的亚克力板材，美观实用，用户可以方便观察内部的硬件结构。同时顶盖可以打开，方便进行相关信号的测量。

 

YXPHM-TP310b-I三电平三相DC-AC变流模块（点击图片看详情）

 

YXPHM-DAB05b-I 双有源全桥双向模块（点击图片看详情）

 

6.3 磷酸铁锂电池组（含BMS管理系统）

 

磷酸铁锂电池组由3.2v50AH锂电池模块组成，多个电池串联。

 

 

（1）产品特点

1）电池正极采用磷酸亚铁锂(LiFePO4)材料制作，安全性能好、循环寿命长；
2）电池系统采用高性能的专用BMS电池管理模块，该BMS具备电压、电流、温度等保护功能，并使用系统与主机良好通讯；
3）监控单元自动测量电池的充放电电流、充放电电压、单体电芯表面温度和环境温度；
4）二次下电功能，电池电压低于告警值有告警信息，电压过低时自动下电，保护电池；
5）系统具有良好的电磁兼容性；
6）全智能设计，配置有集中监控模块，具有四要（遥测、遥信、遥控和遥调）功能，实现计算机管理，可以通过与远端中央监控中心通信；
7）电源控制技术与计算机结合，可以实时监测和控制各种参数及状态；
8）采用自冷方式，整个系统具有极低的噪音。

 

6.4 超级电容组（含CMS管理系统）

超级电容组是由多组48V，165F电容模块组成，可为系统提供瞬间功率支撑。

（2）48V 165F模组参数
 

 

六、实物图