超级电容组储能均压充放电控制系统及荷电状态估计方法技术方案

本发明专利技术属于电力系统储能控制技术领域，尤其涉及一种超级电容组储能均压充放电控制系统及荷电状态估计方法，系统包括：微处理器控制模块、超级电容组测量模块、开关驱动模块、超级电容开关阵列模块、超级电容阵列模块、人机交互模块、直流充电电源模块和SOC模块；方法包括：在状态预测的基础上，基于最小均方误差估计，利用观测方程得到的观测值，对现实状态变量进行修正。本发明专利技术基于概率论和电路理论，使用传感器获取的信息，通过控制策略和SOC状态估计，保证整个超级电容器组储能系统工作在最佳状态，使系统安全充放电。与现有超级电容阵列充放电技术相比具有可靠，简单，高效，快速，节能等优点，同时为超级电容阵列的检修提供参考依据。

【技术实现步骤摘要】
超级电容组储能均压充放电控制系统及荷电状态估计方法
本专利技术属于电力系统储能控制
，尤其涉及一种超级电容组储能均压充放电控制系统及荷电状态估计方法。
技术介绍
超级电容器是一种新型电力储能器件出现在本世纪初。超级电容器的电容量极大，可达数千法拉，既具有静电电容器的高放电功率优势又像电池一样具有较大电荷储存能力。此外，超级电容器还具有容量配置灵活、易于实现模块化设计、循环使用寿命长、工作温度范围宽、环境友好、免维护等优点，使其更适于苛刻的工作环境。现有充放电方式由于超级电容器单体端电压不高，对于大功率储能系统来说，为了满足容量和电压等级的需要，一般是由多个超级电容器串联和并联的组合方式工作，它们作为一个整体进行充电，具有同样的充电电流。在串联组件设计中，由于制造工艺与材质不均，超级电容器存在离散度较大，即使在配组时经过严格的一致性筛选，但其偏差也不可避免。为了避免过充，常常在容量小的电容充满后即停止充电，这样电容组的储能容量得不到最大利用；同样，放电时为了避免过放，也不能最大利用电容器组的容量。现有电压均衡电路的类型主要划分为能耗型和非能耗型。总之，现有技术的不足之处是：复杂实用性差，可靠性差，能耗高，效率低等。这些缺点制约了超级电容的推广使用。
技术实现思路
针对现有技术中存在的超级电容单体容量误差较大等问题，本专利技术提出了一种超级电容组储能均压充放电控制系统及荷电状态估计方法。控制系统包括：微处理器控制模块1、超级电容组测量模块2、开关驱动模块3、超级电容开关阵列模块4、超级电容阵列模块5、人机交互模块6、直流充电电源模块7和SOC模块8；其中，微处理器控制模块1、开关驱动模块3、超级电容开关阵列模块4、超级电容阵列模块5、直流充电电源模块7依次相连，超级电容阵列模块5、超级电容组测量模块2、SOC模块8、人机交互模块6、微处理器控制模块1依次相连，超级电容组测量模块2和SOC模块8分别与微处理器控制模块1相连。所述超级电容开关阵列模块4由2m个开关组成，所述超级电容阵列模块5由n个超级电容器单体并联为一组，每一组超级电容与一个开关串后再与另一开关并联组成一个单位，共有m个单位。所述超级电容组分为p个子模块，子模块内与子模块间分别通过模块内电压均衡电路与模块间电压均衡电路同时进行电压均衡。所述微处理器控制模块1根据超级电容组测量模块2和SOC模块8输入的信息，完成控制超级状态的算法，输出控制信号至开关驱动模块3驱动超级电容开关阵列模块4，实现对超级电容器组的均压充放电控制；所述超级电容组测量模块2用于实时采集超级的电压和所有单体的温度数据并送至微处理器控制模块1；所述开关驱动模块3的输入端与微处理器控制模块1的控制输出端相连；将微处理器模块产生的控制信号转化为开关阵列可用的信号，控制开关阵列；所述人机交互模块6包括键盘、显示器和转换接口，用于进行参数设置、实时显示系统的数据和状态，实现系统与上位机的串行通信；所述超级电容开关阵列模块4通过控制开关组合实现将超级串入电路和从电路中切除；所述超级电容阵列模块5中的单体超级电容可以为具体的单个超级电容，也可以是经过并串组合后的超级；所述直流充电电源模块7与超级电容阵列模块5串联，充电时使用为超级电容提供充电电流；所述SOC模块8为荷电状态估计模块，根据超级电容组测量模块2和微处理器控制模块1输入的信息，通过算法对系统的荷电状态进行估计；将估算结果传递给微处理器控制模块1和人机交互模块6。所述超级电容组测量模块2包括用于模数转换的A/D转换器和以下传感器：温度传感器，安装在每个超级电容外壳上，用于测量超级电容的温度；电压传感器，并联于每一个超级电容组的两端，用于测量每组超级电容的电压；电流传感器，串联于超级电容器组，用于测量充电和放电时的电流。所述子模块间的控制方法包括：第一步：从p个串联子模块中同时选取k个子模块来满足对电压的需求，其余p-k个子模块并未接入主充放电电路；第二步：微处理器控制模块实时对每个超级电容器子模块进行SOC计算，然后对各子模块的SOC值进行排序；第三步：在充电模式时，选取电压较小的k个子模块接入主电路；在放电模式时，选取k个电压值较大的子模块接入主电路。所述子模块内的控制方法包括：在充电过程中，一个周期内，判断：当超级电容器组电压大于等于额定电压时，开关将该组从充电电路中断开，同时系统将该组从充电过程中删除并标记为充满；当超级电容器组电压小于额定电压时，进一步，求出在充电系统中的超级的平均电压，根据平均电压得到在该状态下的电压最大和最小两个阀值，逐个对在该充电系统中的超级电压进行判断；当超级电容器组电压低于最小阀值时，将该组从充电系统中删除标记该组并发出警告信息；当超级电容器组电压高于最大阀值时，将该组电容器从充电电路中断开不充电，系统不删除；当超级电容器组电压大于等于最小阀值且小于等于最大阀值时，认为该组正常，串入该系统中充电；在放电时，当超级电容器组的电压低于该状态下的最低阀值时，将该组电容从电路和系统中删除。在充放电时，当发现温度大于上限时，认为已经发生故障，将该电容所在的超级电容器组从电路和系统中切除，标记该组并发出警告信息。所述系统的控制方法包括：发现故障、处理故障、定时充放电、找出离散较大组和电能状态分析：通过电压传感器和温度传感器得到的异常数据，可发现短路、开路故障；发现故障后，通过开关组合可切除故障或通过设置预先处理方案进行处理；通过人机交互方式，设定充放电时间，进行定时充放电；开关次数反映电容器组的离散度，通过统计开关次数可判断具体组的离散度；可通过电压值和正常工作的电容器组的总电容对处于该状态下的储能系统的电能总量进行估计。估计方法是在状态预测的基础上，基于最小均方误差估计，利用观测方程得到的观测值，对现实状态变量进行修正；荷电状态估计的数学模型为：VOC(t)＝VOC[SOC(t)]Vcell(t)＝VOC[SOC(t)]-icell(t)·Rseries其中，Qn是电容器的最大可利用容量，起始SOC值SOC(t0)为上一个工作周期结束时t0时刻的SOC估计值；VOC[SOC(t)]是开路电压与SOC之间的关系实验标定；SOC则作为状态变量，系统输入为电流icell(t)，输出为开路电压VOC(t)，Rseries为内阻；离散化后的状态空间模型如下：状态方程：观测方程：yk+1＝f(xk)+υk其中，xk为k时刻的系统状态量，ik为k时刻的系统输入变量；yk为k时刻系统输出变量，可直接测量获取；ωk为k时刻系统的状态噪声；υk为k时刻系统的测量噪声；Ts表示采样时间间隔；f(xk)表示非线性观测函数，用于反映状态量和观测量的映射关系，即开路电压和SOC之间的非线性关系；将非线性函数做一阶Taylor展开，得到线性系统方程：yk＝ya,k+Ck(xk-xa,k)+υkyk表示k时刻系统输出变量的真值；xa,k表示k时刻系统状态变量的观测值；ya,k表示k时刻系统输出变量的观测值；Ck表示观测方程的动态特性统计系数，是通过对k时刻非线性观测函数f(xk)进行Jacobian矩阵的求解获得的，其求解过程可用下式表示:为状态预测值。所述方法具体如下：第一步：初始化状态x0，协方差P0；第二步：状态预测第三步本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超级电容组储能均压充放电控制系统，其特征在于，包括：微处理器控制模块(1)、超级电容组测量模块(2)、开关驱动模块(3)、超级电容开关阵列模块(4)、超级电容阵列模块(5)、人机交互模块(6)、直流充电电源模块(7)和SOC模块(8)；其中，微处理器控制模块(1)、开关驱动模块(3)、超级电容开关阵列模块(4)、超级电容阵列模块(5)、直流充电电源模块(7)依次相连，超级电容阵列模块(5)、超级电容组测量模块(2)、SOC模块(8)、人机交互模块(6)、微处理器控制模块(1)依次相连，超级电容组测量模块(2)和SOC模块(8)分别与微处理器控制模块(1)相连。

【技术特征摘要】
1.一种超级电容组储能均压充放电控制系统，其特征在于，包括：微处理器控制模块(1)、超级电容组测量模块(2)、开关驱动模块(3)、超级电容开关阵列模块(4)、超级电容阵列模块(5)、人机交互模块(6)、直流充电电源模块(7)和SOC模块(8)；其中，微处理器控制模块(1)、开关驱动模块(3)、超级电容开关阵列模块(4)、超级电容阵列模块(5)、直流充电电源模块(7)依次相连，超级电容阵列模块(5)、超级电容组测量模块(2)、SOC模块(8)、人机交互模块(6)、微处理器控制模块(1)依次相连，超级电容组测量模块(2)和SOC模块(8)分别与微处理器控制模块(1)相连；所述超级电容开关阵列模块(4)由2m个开关组成，所述超级电容阵列模块(5)由n个超级电容器单体并联为一组，每一组超级电容器与一个开关串后再与另一开关并联组成一个单位，共有m个单位；通过开关的有选择的开断控制，使每组超级电容器处于两种状态：串入主电路充电和与主电路断开悬空不充电；所述超级电容组分为p个子模块，子模块内与子模块间分别通过模块内电压均衡电路与模块间电压均衡电路同时进行电压均衡；所述子模块间的控制方法包括：第一步：从p个串联子模块中同时选取k个子模块来满足对电压的需求，其余p-k个子模块并未接入主充放电电路；第二步：微处理器控制模块(1)实时对每个超级电容组子模块进行SOC计算，然后对各子模块的SOC值进行排序；第三步：在充电模式时，选取电压较小的k个子模块接入主电路；在放电模式时，选取k个电压值较大的子模块接入主电路；所述子模块内的控制方法包括：在充电过程中，一个周期内，判断：当超级电容器组电压大于等于额定电压时，开关将该超级电容器组从充电电路中断开，同时系统将该超级电容器组从充电过程中删除并标记为充满；当超级电容器组电压小于额定电压时，进一步，求出在充电系统中的平均电压，根据平均电压得到在该状态下的电压最大和最小两个阀值，逐个对在该充电系统中的超级电容器组电压进行判断；阀值计算方法为：根据超级电容器标准充放电曲线和额定电压，在保证安全的条件下取得：V′阀t1＝(V额定-Vt1)w1V′阀t2＝Vt1×w2V阀max＝Vt1+V′阀t1V阀min＝Vt1-V′阀t2其中，V′阀t1、V′阀t2为中间量阀值；V额定为超级电容器额定电压；Vt1为充电电压平均值；w1，w2为权重，不同充电阶段不同，其值小于1；V阀max、V阀min为微处理器控制模块(1)调用的阀值；当超级电容器组电压低于最小阀值时，将该超级电容器组从充电系统中删除标记该超级电容器组并发出警告信息；当超级电容器组电压高于最大阀值时，将该超级电容器组从充电电路中断开不充电，系统不删除；当超级电容器组电压大于等于最小阀值且小于等于最大阀值时，认为该超级电容器组正常，串入系统中充电；在放电时，当超级电容器组的电压低于该状态下的最低阀值时，将该超级电容器组从电路和系统中删除；在充放电时，当发现温度大于上限时，认为已经发生故障，将超级电容器组从电路和系统中切除，标记该超级电容器组并发出警告信息；所述系统的控制方法包括：发现故障、处理故障、定时充放电、找出离散较大组和电能状态分析：通过电压传感器和温度传感器得到的异常数据，发现短路、开路故障；发现故障后，通过开关组合切除故障或通过设置预先处理方案进行处理；通过人机交互方式，设定充放电时间，进行定时充放电；开关次数反映超级电容器组的离散度，通过统计开关次数判断具体组的离散度；通过电压值和正常工作的电容器组的总电容对处于该状态下的储能系统的电能总量进行估计。2.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：李岩松，刘君，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京;11