基本信息
- 项目名称：
- 微网逆变器系统中蓄电池控制策略的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 着眼于中国可再生能源的发展，微电网的特点适应于中国电力发展的需求与方向。蓄电池储能装置是微网系统中能量平衡的核心模块之一，蓄电池控制策略的研究对微电网系统的发展具有一定的推动作用。本作品适用于含蓄电池装置的微网系统。通过大量的试验数据建立适合本系统的蓄电池数学模型和充电方法，且在分析传统SOC估算方法的基础上提炼出一种较高精度的SOC估算算法，为蓄电池工作模式的确定和系统其他环节间的通信提供依据。
- 详细介绍：
- 蓄电池储能装置是微网系统中能量平衡的核心模块之一，蓄电池控制策略的研究对微电网系统的发展具有一定的推动作用。本作品适用于配有蓄电池装置的微网系统，其核心技术主要包含以下几个方面： （1）建立试验数据。双向DC/DC变换器中开关器件工作频率和占空比的确定，对充电策略的验证和评价都需要建立在试验数据的基础之上。 (2)蓄电池模型的建立。电池充放电倍率、温度、实际容量、寿命、内阻等因素息息相关，且表现出相当的非线性。本作品对现有的电池模型进行修正，建立合适的电池数学模型。 (3)提炼一种较高精度的SOC估算算法，从而实时确保蓄电池处于较高的荷电状态，延长蓄电池的使用寿命。 (4)蓄电池充电方法。本作品基于三阶段充电方法和间歇式充电方法的基础上，对三阶段充电方法进行适当的改进，从而得到适合微网系统中蓄电池充电方法。 根据市场分析蓄电池储能装置能维持微网内部的瞬时能量平衡，可频繁地吸收(发出)较大功率。蓄电池控制策略的研究对于延长电池寿命、合理充放电、增加电池管理系统的功能和可靠性、降低微网运行成本并最终推动我国微网研究技术等都具有重要意义，对缓解能源危机和环境问题均有实际的社会意义。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的： (1) 缓解能源危机，促进新技术的发展。 (2) 补偿电网无功功率的同时实现谐波抑制，提高电网的效率，保证电网运行的稳定性。并网逆变器在实现传统有功功率的功能基础上，通过控制策略控制逆变器的输出电流，实现谐波抑制和无功功率补偿。 (3) 优化充放电从而延长蓄电池寿命、增强充放电系统的可靠性，对蓄电池组充放电管理系统核心关键技术及可靠性进行深入研究。 (4)合理的DG（Distributed Generation）控制策略，能实现微网在不同运行模式下电压和频率稳定，实现各模式之间的平滑过渡。 基本思路： 本项目在研究过程中采用调查研究、分析对比、理论解析、试验验证与工程应用相结合的技术途径，走单元研究和集成系统研究循序渐进的技术路线，分项技术突破，整体协调。 创新点： (1) 结合微网系统各环节间的能量关系，确定蓄电池充放电装置参数，为提出最优的充放电策略提供依据。且对电池充放电控制算法进行对比和评价。 (2)采用大容量串联电池组进行试验、数据锻炼和分析；建立适合微网系统的蓄电池模型和提出较精确的SOC估算方法。 (3)利用间歇式法与三阶段法相结合的充电方法，充分利用系统能量在保持蓄电池较高荷电状态的同时延长蓄电池寿命。 主要技术指标： （1） 充放电电流纹波系数：5%； （2） 温度检测精度：±0.5℃； （3） SOC估算精度：5%； （4） 双向DC/DC变换器充放电效率：90%； （5） 铅酸蓄电池寿命：4000 cycle.
科学性、先进性
- 作品科学性与先进性 （1）能量的有效流动。不恰当的充电控制方法会导致光伏阵列发出的能量得不到充分利用，且对蓄电池造成过充或欠充。本项目中的直流控制策略能使能量有效分配的同时保证蓄电池正常充电。 （2）强大的功能。一般的蓄电池管理系统，只具有监测电池电压、温度、电流的简单功能。本电池管理系统除了监测电池工作状态参数之外还具有精确估算电池荷电状态（SOC）、通讯、电池故障诊断、电池状态监测人机界面等方面的强大功能。 (3)采用改进后的三阶段充电方法。三阶段充电方法存在充电末期过充，蓄电池温度较高的缺点，但该充电方法能确保蓄电池在较短的时间内使蓄电池处于较高的荷电状态，有利于延长蓄电池的使用寿命。本项目在三阶段充电方法中结合间歇式充电的优点作了相应的改进，保证了蓄电池在不过充的同时能在较短的时间内达到期望的荷电状态。 (4)良好的经济效益。本项目的蓄电池管理系统能与整个逆变器控制系统通讯，实现优化充放电，避免蓄电池在使用过程中因过充过放而影响电池寿命，降低了运行成本。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 图纸、图片和现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明： 上位机显示蓄电池的工作模式、电压、电流、温度及SOC等。 技术特点及优势： （1）较快的充电方法和较精确地SOC估算方法。（2）高可靠、高精度的采样和检测电路。 技术性说明： 本作品主要解决适合于微网逆变器系统中的蓄电池充放电控制策略的难点和关键： 一是如何根据微电源、蓄电池及电网间能量关系，确定充电器的工作模式； 二是选择适合蓄电池充电方法； 三是建立合适的动力电池组的数学模型； 四是找到一种合适的算法能实时在线准确的估算SOC。 市场分析及经济预测： 频繁的大功率充放电和深度放电会造成铅酸蓄电池温度升高、正负极板上的活性物质脱落等现象，严重影响电池的使用寿命。寻求最优的蓄电池控制策略具有重要意义。 从经济成本上分析，本项目所设计的充电系统对蓄电池进行充电，在1小时内充入电量达152Ah，荷电状态为84.4%，至1小时25分钟，充入电量为177.5Ah，充电过程基本结束。整个充电期间，除在荷电状态达85%左右时，蓄电池电解液的温升约为21.8℃。
同类课题研究水平概述
- 国外研究： 德国著名的全球光伏领域领导企业SMA推出了很多市场化的产品（如Sunny Boy系列），美国、日本也已经实现了并网逆变器的产品化。欧洲所有的微网研究计划都围绕着可靠性、可接入性和灵活性三个方面来考虑。电网的智能化、能量利用的多元化等将是欧洲未来电网的重要特点。日本的微网对于储能和控制十分重视。日本学者提出了灵活性可靠性和智能能量供给系统，其主要思想是在配电网中加入一些灵活交流输电系统装置，利用控制器快速、灵活的控制性能，实现对配电网能源结构的优化，并满足用户的多种电能质量需求。日本为在新能源方面专门成立了“新能源与工业技术发展组织”，它负责统一协调国内高校、企业与国家重点实验室对新能源的开发及其应用的研究。 NEDO在2003“RegionalPower Grid with Renewable Energy Resources Projiect”项目中，开始了微网试点项目。其中京都微网2005年12月投入运行，该系统的控制中心能够在五分钟之内实现系统能量的平衡，也可以根据需要设置更短的时限。 国内研究： 目前，我国对微网的研究还基本处在起步阶段，只是在分布式发电和分布式储能上开展了相关的研究。但微网的特点适应我国电力发展的需求和方向，在我国有着广阔的发展前景。光伏充放电控制技术主要的趋势是在光伏电池与蓄电池之间的通过DC/DC电力变换设备，对光伏电池的输出能量进行电力变换，控制其输送到蓄电池的充电电压、充电电流符合蓄电池的要求，从而保护蓄电池，延长系统的使用寿命。蓄电池光伏充放电控制器国内已有产品问世，如北京汇能精电科技有限公司太阳能路灯控制器，哈尔滨格瑞太阳能公司太阳能路灯控制器等。大多数光伏充放电控制器产品是采用脉冲式电压的充电方式对蓄电池进行充电，控制器对功率主回路输出的电压、电流控制性能指标分析与设计稍显不足。国外的控制器多采用专门设计的集成芯片控制，价格昂贵，在性价比上也有欠缺。
