CN102832808B - 一种用于混合储能系统协同出力的部分功率变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于混合储能系统协同出力的部分功率变换器，包括稳流电路单元和与之相连的稳压电路单元；稳流电路单元用于通过控制各II型储能介质的电流大小，来调节功率变换器的输出功率在混合储能系统中各储能介质上的功率分配；稳压电路单元用于构造稳定的输出直流母线电压。本发明利用I型储能介质与稳压电容串联，提高了I型储能介质的电压利用率、储能效率以及输出直流母线电压的稳定性，实现了I型储能介质和II型储能介质的优势互补；利用稳流电路单元实现了部分功率变换，降低了开关管的电压应力，减小了开关管的损耗，提高了整个变换器的效率，优化了混合储能系统的功率分配，提高了混合储能系统的可靠性。

Description

一种用于混合储能系统协同出力的部分功率变换器

技术领域

本发明属于功率变换技术领域，具体涉及一种用于混合储能系统协同出力的部分功率变换器。

背景技术

在可再生能源发电系统中，由于其出力随机波动、间歇，与负荷难于实时匹配，因此需要相应的电能存储机制配合来协同系统的正常运转。然而，蓄电池、超级电容和超导线圈等不同的储能介质在存储效率、存储容量、功率密度以及响应时间等方面又存在着明显的差异性和互补性，单一储能技术很可能难以满足具体应用所提出的所有技术经济性能要求，以较为常见的两类储能介质为例：蓄电池响应速度慢、使用寿命短，作为单一储能介质应用在快速响应以及功率吞吐比较频繁的场合时效果比较差；超级电容能量存储密度低、价格高，作为单一储能介质不适宜应用在大容量、大功率充放电场合，因此采用单一储能技术无法充分发挥储能介质本身的优势并且无法满足储能系统的技术经济性要求，造成储能介质的应用受到比较大的局限。

对于响应速度快、能量密度低的I型储能介质应用于快速响应以及功率吞吐比较频繁的场合能够更好的利用其优势；然而对于响应速度慢、能量密度高的II型储能介质，则适合应用于大功率充放电以及响应速度要求稍低的场合。两种储能介质的特性差别较大，如何充分利用两者的优势对于储能系统来说非常重要。

采用混合储能技术可以最大程度发挥不同储能介质的优势，提高混合储能系统的效率和稳定性。可见，混合储能技术在储能系统中发挥了重要的作用。

常规的混合储能功率变换器主要有无源级联、有源级联和有源并联等三种结构，无源级联结构由于直流工作电压变化范围比较窄，对于超级电容等响应速度快、能量密度低的I型储能介质其容量利用率低；在有源级联结构中，以双储能介质结构为例，如图1所示，双储能介质分别为I型储能介质和II型储能介质，当I型储能介质通过变换器接入，则对变换器瞬态响应性能、峰值功率能力要求很高，且不利于工况敏感的II型储能介质长期正常工作，从而影响储能系统的稳定性；而如果将I型储能介质和II型储能介质位置互换，当大容量的II型储能介质通过变换器接入必然会引起较大的能量损失，降低储能系统效率。

在有源并联结构中，以双储能介质结构为例，如图2所示，由于所采用的变换器均为全功率变换，整个储能系统的变换器成本较高，可靠性问题以及能量损耗问题更加严重，同时I型储能介质对应的变换器瞬态响应性能和峰值功率能力要求很高，不易达到。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种高效率、结构简单且可靠性高的用于混合储能系统协同出力的部分功率变换器，该变换器应用于混合储能系统中，可以获取快速的系统响应和较高的储能效率。

一种用于混合储能系统协同出力的部分功率变换器，包括稳流电路单元和与之相连的稳压电路单元；

所述的混合储能系统包括一I型储能介质和n个II型储能介质，n为大于0的自然数；

所述的稳流电路单元用于通过控制各II型储能介质的电流大小，来调节部分功率变换器的输出功率P₀在各储能介质上的功率分配；

所述的稳压电路单元用于构造部分功率变换器的输出直流母线电压V₀，且在I型储能介质正常工作情况下对输出直流母线电压V₀进行稳压控制。

所述的稳流电路单元由n个稳流模块组成；其中，所述的稳流模块的输入端与对应的II型储能介质的正极相连，各稳流模块的正输出端共连且为稳流电路单元的正输出端，各稳流模块的负输出端共连且为稳流电路单元的负输出端。

所述的稳流模块由电感L₂和两个开关管S₃～S₄组成；其中，电感L₂的一端为稳流模块的输入端，开关管S₃的输入端为稳流模块的正输出端，开关管S₄的输出端为稳流模块的负输出端，电感L₂的另一端与开关管S₃的输出端和开关管S₄的输入端相连；开关管S₃和开关管S₄的控制端均接收外部设备提供的驱动信号。

所述的稳压电路单元由电感L₁、稳压电容C_S、输出电容C₀和两个开关管S₁～S₂组成；其中，稳压电容C_S的一端与开关管S₁的输入端、输出电容C₀的一端和稳流电路单元的正输出端相连，稳压电容C_S的另一端与电感L₁的一端、稳流电路单元的负输出端和I型储能介质的正极相连，电感L₁的另一端与开关管S₁的输出端和开关管S₂的输入端相连，开关管S₂的输出端与输出电容C₀的另一端以及各储能介质的负极相连；开关管S₁和开关管S₂的控制端均接收外部设备提供的驱动信号。

所述的开关管S₁接收的驱动信号与开关管S₂接收的驱动信号相位互补。

所述的开关管S₃接收的驱动信号与开关管S₄接收的驱动信号相位互补。

由于部分功率变换器的输出直流母线电压V₀和输出功率P₀是根据实际系统指令确定的，本发明充分考虑了I型储能介质能量密度低，响应时间快，工作电压范围宽的特点，将其与稳压电容串联来构建稳定的输出直流母线电压V₀；本发明通过调节稳压电路单元中开关管驱动信号的占空比，使得I型储能介质在正常工作范围内都能够保证输出直流母线电压V₀恒定，在保证储能介质的高利用率的同时使得变换器输出直流母线电压V₀无明显波动。

同时本发明考虑到II型储能介质能量密度高，响应时间慢的特点，将其通过稳流模块引入，并利用稳流模块的级联来扩大系统的储能容量，通过控制II型储能介质的输出电流来调节输出功率P₀在储能系统各储能介质上的功率分配。

本发明部分功率变换器工作时，功率是可以双向流动的，既可以由I型储能介质与II型储能介质对外提供功率，也能够由外部发电系统向I型储能介质与II型储能介质提供功率。如果I型储能介质或者II型储能介质的容量足够大，也可以互相充放电，从而保证了整个储能系统功率的有效合理分配。

本发明的有益技术效果为：

(1)本发明充分考虑了I型储能介质，其能量密度低，响应时间快，工作电压范围宽的特点，将其与稳压电容串联，在保证储能介质的高利用率的同时使得变换器输出直流母线电压无明显波动，降低了储能介质所需容量以及整个储能系统成本，同时提高了储能系统响应速度。

(2)本发明中利用II型储能介质能量密度高，响应时间慢的特点，将其通过稳流模块引入，与I型储能介质一起，共同构造稳定的直流母线电压输出以及合理的功率分配，实现了I型储能介质和II型储能介质的优势互补。

(3)本发明中稳流电路单元的引入实现了部分功率变换，稳流模块中开关管电压峰值稳定在稳压电容电压，大大降低了其电压应力，使高性能的开关管器件的应用成为可能，从而减小开关管的导通损耗和开关损耗，进一步减小了变换器的损耗，提高了工作效率。

(4)本发明中稳流模块的级联可以扩大系统的储能容量，满足大容量储能系统的应用。

(5)本发明稳流电路单元可以根据系统指令，通过控制II型储能介质的输出电流，对整个储能系统的功率进行有效合理的分配。

(6)本发明中稳压电路单元和稳流电路单元的控制方式是相互独立的，在输出直流母线电压稳定时，稳压电路单元甚至可以开环运行，而不会对整个混合储能系统的功率分配造成影响，提高了混合储能系统的可靠性。

(7)本发明中无需额外的功率开关和电感元件，附件元件少，结构简单，电路中无能量损耗元件，可提高混合储能变换器的效率。

附图说明

图1为传统有源级联式功率变换器的结构示意图。

图2为传统有源并联式功率变换器的结构示意图。

图3为本发明部分功率变换器的结构示意图。

图4为本发明部分功率变换器第一换流阶段过程的原理示意图。

图5为本发明部分功率变换器第二换流阶段过程的原理示意图。

图6为本发明部分功率变换器第三换流阶段过程的原理示意图。

图7为本发明部分功率变换器第四换流阶段过程的原理示意图。

图8为本发明级联式部分功率变换器的结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。

实施例1

如图3所示，一种用于混合储能系统协同出力的部分功率变换器，包括：稳流电路单元100和与之相连的稳压电路单元200；本实施例中的混合储能系统由一超级电容SC和一蓄电池B组成。

稳流电路单元100用于通过控制蓄电池B的电流I_B大小，来调节部分功率变换器的输出功率P₀在混合储能系统中各储能介质上的功率分配；本实施方式中，其由电感L₂和两个IGBT管S₃～S₄组成；其中，电感L₂的一端与蓄电池B的正极相连，IGBT管S₃的集电极为稳流电路单元的正输出端，IGBT管S₄的发射极为稳流电路单元的负输出端，电感L₂的另一端与IGBT管S₃的发射极和开关管S₄的集电极相连；IGBT管S₃和IGBT管S₄的门极均接收外部设备提供的驱动信号，且两者接收的驱动信号相位互补。

稳压电路单元200用于构造部分功率变换器的输出直流母线电压V₀，且在超级电容SC正常工作情况下对输出直流母线电压V₀进行稳压控制；本实施方式中，其由电感L₁、稳压电容C_S、输出电容C₀和两个IGBT管S₁～S₂组成；其中，稳压电容C_S的一端与IGBT管S₁的集电极、输出电容C₀的一端和稳流电路单元的正输出端相连，稳压电容C_S的另一端与电感L₁的一端、稳流电路单元的负输出端和超级电容SC的正极相连，电感L₁的另一端与IGBT管S₁的发射极和IGBT管S₂的集电极相连，IGBT管S₂的发射极与输出电容C₀的另一端、超级电容SC的负极和蓄电池B的负极相连；输出电容C₀的两端接负载R₀，IGBT管S₁和IGBT管S₂的门极均接收外部设备提供的驱动信号，且两者接收的驱动信号相位互补。

本实施方式的部分功率变换器在一个开关周期内依次完成以下四个换流过程：

(1)开关管S₁关断与开关管S₂开通之间的换流过程，如图4所示：

换流前，电路处于S₁导通、S₂关断、S₃导通、S₄关断的稳定工作状态。当S₁关断、S₂导通时，S₁上电压迅速上升，S₂上电压迅速下降至零，由于输出电容C₀的作用，S₁两端电压被箝位在设定的输出直流母线电压值，实现了S₁的软箝位关断。一部分能量开始从超级电容SC向电感L₁转移，另一部分能量从蓄电池B和电感L₂向负载R₀和稳压电容C_S转移。

(2)开关管S₃关断与开关管S₄开通之间的换流过程，如图5所示：

当S₃关断、S₄导通时，S₃上电压迅速上升，S₄上电压迅速下降至零，由于稳压电容C_S的作用，S₃两端电压被箝位在一定电压值，实现了S₃的软箝位关断。并且，此电压值要远小于输出直流母线电压值，从而减小了S₃的电压应力。一部分能量从超级电容SC向电感L₁和负载R₀转移，一部分能量从蓄电池B向电感L₁、电感L₂以及负载R₀转移，另一部分能量从稳压电容C_S向负载R₀转移。

(3)开关管S₂关断与开关管S₁开通之间的换流过程，如图6所示：

当S₂关断、S₁导通时，S₂上电压迅速上升，S₁上电压迅速下降至零，由于输出电容C₀的作用，S₂两端电压被箝位在设定的输出直流母线电压值，实现了S₂的软箝位关断。一部分能量从超级电容SC和电感L₁向负载R₀转移，一部分能量从蓄电池B向电感L₂和负载R₀转移，另一部分能量从稳压电容C_S向负载R₀转移。

(4)开关管S₄关断与开关管S₃开通之间的换流过程，如图7所示：

当S₄关断、S₃导通时，S₄上电压迅速上升，S₃上电压迅速下降至零，由于稳压电容C_S的作用，S₄两端电压被箝位在一定电压值，实现了S₄的软箝位关断。并且，此电压值要远小于输出直流母线电压值，从而减小了S₄的电压应力。一部分能量从超级电容SC和电感L₁向负载R₀转移，另一部分能量从蓄电池B和电感L₂向负载R₀和稳压电容C_S转移。

本实施方式中由于稳压电容C_S与超级电容SC串联，因此当超级电容SC正常工作时，通过控制开关管S₂驱动信号的占空比(见下式)，可以保证输出直流母线电压V₀无明显波动；

V₀＝V_C+V_SC $V_0=\frac{1}{1-d}{V}_{\mathrm{SC}}$

其中：V_C为稳压电容C_S的电压，V_SC为超级电容SC的电压，d为开关管S₂驱动信号的占空比，V₀为输出直流母线电压。

超级电容SC响应速度快的特性能够确保储能系统能够快速的响应系统指令；同时由于稳压电容的作用将开关管S₃和开关管S₄关断电压箝位在一个较低的电压值，大大降低了其电压应力，使高性能的开关管器件的应用成为可能，从而减小开关管的导通损耗和开关损耗，进一步减小了变换器的损耗，提高了工作效率。

本实施方式稳流电路单元中由于电感L₂的存在，故可以根据系统指令获取混合储能系统中各储能介质的出力，通过控制蓄电池B的输出电流I_B(见下式)来达到控制其出力的目的；

$I_B=\frac{{\mathrm{aP}}_0}{V_B}$

其中：I_B表示蓄电池B的输出电流，V_B表示蓄电池B的电压，P₀表示部分功率变换器的总输出功率，a表示蓄电池B的输出功率占总输出功率P₀的比重。

由于P₀＝P_B+P_SC(P_B＝V_BI_B)，故通过控制I_B可以对蓄电池B的输出功率P_B和超级电容SC的输出功率P_SC进行合理的分配，满足系统指令的同时也能够优化储能系统本身的功率配置。

实施例2

如图8所示，一种用于混合储能系统协同出力的部分功率变换器，包括：稳流电路单元100和与之相连的稳压电路单元200；本实施例中的混合储能系统由一超级电容SC和三个蓄电池B1～B3组成。

稳流电路单元100用于通过控制各蓄电池B1～B3的电流I_B1～I_B3大小，来调节部分功率变换器的输出功率P₀在混合储能系统中各储能介质上的功率分配；本实施方式中，其由三个稳流模块组成；其中，各稳流模块的输入端与对应的蓄电池的正极相连，各稳流模块的正输出端共连且为稳流电路单元的正输出端，各稳流模块的负输出端共连且为稳流电路单元的负输出端。

以蓄电池B1对应的稳流模块为例，其由电感L₂和两个IGBT管S₃～S₄组成；其中，电感L₂的一端为稳流模块的输入端，IGBT管S₃的集电极为稳流模块的正输出端，IGBT管S₄的发射极为稳流模块的负输出端，电感L₂的另一端与IGBT管S₃的发射极和开关管S₄的集电极相连；IGBT管S₃和IGBT管S₄的门极均接收外部设备提供的驱动信号，且两者接收的驱动信号相位互补。

稳压电路单元200用于构造部分功率变换器的输出直流母线电压V₀，且在超级电容SC正常工作情况下对输出直流母线电压V₀进行稳压控制；本实施方式中，其由电感L₁、稳压电容C_S、输出电容C₀和两个IGBT管S₁～S₂组成；其中，稳压电容C_S的一端与IGBT管S₁的集电极、输出电容C₀的一端和稳流电路单元的正输出端相连，稳压电容C_S的另一端与电感L₁的一端、稳流电路单元的负输出端和超级电容SC的正极相连，电感L₁的另一端与IGBT管S₁的发射极和IGBT管S₂的集电极相连，IGBT管S₂的发射极与输出电容C₀的另一端、超级电容SC的负极以及蓄电池B1～B3的负极相连；输出电容C₀的两端接负载R₀，IGBT管S₁和IGBT管S₂的门极均接收外部设备提供的驱动信号，且两者接收的驱动信号相位互补。

Claims (4)

1.一种用于混合储能系统协同出力的部分功率变换器，其特征在于：包括稳流电路单元和与之相连的稳压电路单元；

所述的稳流电路单元用于通过控制各II型储能介质的电流大小，来调节部分功率变换器的输出功率P₀在各II型储能介质上的功率分配；

所述的稳压电路单元用于构造部分功率变换器的输出直流母线电压V₀，且在I型储能介质正常工作情况下对输出直流母线电压V₀进行稳压控制；

所述的稳压电路单元由电感L₁、稳压电容C_S、输出电容C₀和两个开关管S₁～S₂组成；其中，稳压电容C_S的一端与开关管S₁的输入端、输出电容C₀的一端和稳流电路单元的正输出端相连，稳压电容C_S的另一端与电感L₁的一端、稳流电路单元的负输出端和I型储能介质的正极相连，电感L₁的另一端与开关管S₁的输出端和开关管S₂的输入端相连，开关管S₂的输出端与输出电容C₀的另一端、I型储能介质的负极以及各II型储能介质的负极相连；开关管S₁和开关管S₂的控制端均接收外部设备提供的驱动信号；开关管S₁接收的驱动信号与开关管S₂接收的驱动信号相位互补；

所述的I型储能介质为超级电容，II型储能介质为蓄电池。

2.根据权利要求1所述的用于混合储能系统协同出力的部分功率变换器，其特征在于：所述的稳流电路单元由n个稳流模块组成；其中，所述的稳流模块的输入端与对应的II型储能介质的正极相连，各稳流模块的正输出端共连且为稳流电路单元的正输出端，各稳流模块的负输出端共连且为稳流电路单元的负输出端；n为混合储能系统中II型储能介质的个数。

3.根据权利要求2所述的用于混合储能系统协同出力的部分功率变换器，其特征在于：所述的稳流模块由电感L₂和两个开关管S₃～S₄组成；其中，电感L₂的一端为稳流模块的输入端，开关管S₃的输入端为稳流模块的正输出端，开关管S₄的输出端为稳流模块的负输出端，电感L₂的另一端与开关管S₃的输出端和开关管S₄的输入端相连；开关管S₃和开关管S₄的控制端均接收外部设备提供的驱动信号。

4.根据权利要求3所述的用于混合储能系统协同出力的部分功率变换器，其特征在于：所述的开关管S₃接收的驱动信号与开关管S₄接收的驱动信号相位互补。