CN103490524A - 一种大型混合储能系统及其控制策略 - Google Patents

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李正明
熊佩鑫
潘天红
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本发明公开了一种大型混合储能系统及其控制策略。系统采用两级DC/DC升降压和一级DC/AC的三级式结构,超级电容器组和蓄电池组以一定的数量比例组成多个混合储能单元,各混合储能单元再分别和对应的非隔离双向DC/DC一起接入到所在单元的直流低压母线上,各混合储能单元通过对应的双向全桥隔离式DC/DC变换器接入到直流高压母线上去,同时,三相三电平DC/AC也接入到直流高压母线上,其输出和三相LCL滤波器的输入相接,三相LCL滤波器的输出与电网相接。通过控制策略使直流低压母线电压和直流高压母线电压稳定在一定范围内。本发明结合蓄电池和超级电容器的优缺点,既能够实现大功率的储能,又能快速响应电网在各种工况下的需求,极大提高了储能系统的使用年限。

Description

一种大型混合储能系统及其控制策略
技术领域
[0001] 本发明属于电能调节技术领域,尤其涉及一种大型混合式储能系统及其控制策略。
背景技术
[0002] 为了应对能源危机,促进了新能源技术的迅速发展,但是风能、太阳能、海洋能等具有间歇性、波动性和不稳定性等特点,需要一个能够解决此类问题的储能装置,能够在电网削峰填谷、新能源接入、电能质量改善等方面起到积极的作用。
[0003] 现阶段国内的基于蓄电池的储能系统发展较快,也取得了比较好的经济效益。其PCS (Power Conversion System,PCS)主回路多采用 DC/AC 单级或 DC/DC+DC/AC 双级结构;前者具有结构简单,但是需要大量的蓄电池串联,直接导致蓄电池不宜管理;后者优点在于,由于具有一级升降压电路,不用对蓄电池大量串联,缺点在于系统设计复杂,大大增加了控制策略的设计难度。
[0004]目前,蓄电池由于技术成熟,价格低廉,被广泛应用在储能系统中,但是蓄电池由于自身条件的限制,放电时的放电电流不能过大,在电网处于极端情况下,需要大功率补偿时,蓄电池不能够对电网快速响应。近几年来,超级电容器的研究工作正在不断展开,由于其具有功率密度高、循环寿命长,充放电迅速和无需维护等优点,使其成为一种新型储能元件;但是,现阶段的超级电容器能量密度相对于蓄电池还较小,还不能实现大容量的电力储能,并且价格昂贵。
发明内容
[0005] 针对现有技术的不足和缺陷,本发明提供了一种混合储能系统的结构和控制方法,本发明结合蓄电池和超级电容器的优缺点,将二者优势互补,既能够实现大功率的储能,又能快速响应电网在各种工况下的需求,极大提高了储能系统的使用年限。
[0006] 本发明提出了一种新型PCS拓扑结构,一种大型混合储能系统,采用两级DC/DC升降压和一级DC/AC的三级式结构,超级电容器组和蓄电池组以一定的数量比例(该比例按照功率匹配原则选取)组成多个混合储能单元,各混合储能单元再分别和对应的非隔离双向DC/DC —起接入到所在单元的直流低压母线上,各混合储能单元通过对应的双向全桥隔离式DC/DC变换器接入到直流高压母线上去,同时,三相三电平DC/AC也接入到直流高压母线上,三相三电平DC/AC的输出和三相LCL滤波器的输入相接,三相LCL滤波器的输出与电网相接。本发明的多单元多分支的接入方式使得系统的灵活性大大提高,由于双向全桥隔离式DC/DC变换器内部有高频变压器,使得该结构既省去了体积庞大的工频变压器,又能实现储能系统与电网的有效隔离。
[0007] 其中,蓄电池组由12V/100AH的蓄电池串联组成;超级电容器组由单体超级电容器串联组成。
[0008] 所述非隔离双向DC/DC用于对蓄电池组和超级电容器组的充放电,实现蓄电池组和超级电容器组侧和直流低压母线侧的双向功率流动;双向全桥隔离式DC/DC变换器用于各混合储能单元与直流高压侧的功率流向控制;三相三电平DC/AC用于直流高压侧和电网之间的双向功率流动控制;三相LCL滤波器用于平滑三相三电平DC/AC的输入输出电流及电压、滤除三相交流电的谐波。
[0009] 一种大型混合储能系统的控制策略,总体控制策略在于控制各双向变换器使直流低压母线电压和直流高压母线电压稳定在一定范围内,即控制非隔离双向DC/DC和双向全桥隔离式DC/DC变换器使直流低压母线电压稳定在100V-130V之间,同时控制双向全桥隔离式DC/DC变换器和三相三电平DC/AC使直流高压母线电压稳定在400V-420V之间。
[0010] 控制策略具体如下:
所述蓄电池组电压在正常范围时,当电网需要小功率补偿,控制非隔离双向DC/DC使蓄电池组以安全恒定电流放电,且超级电容器组待命;当电网需要大功率补偿时,控制非隔离双向DC/DC使蓄电池组以安全恒定电流放电,且超级电容器组大电流放电,同时双向全桥隔离式DC/DC变换器将直流低压母线侧电能输送至直流高压母线侧,三相三电平DC/AC将直流高压母线侧电能输送至电网侧;
所述蓄电池组处于临界最低电压时,且当电网有剩余功率时,控制非隔离双向DC/DC使蓄电池组以先恒流、再恒压、最后浮充的三段式充电方式充电,同时控制非隔离双向DC/DC使超级电容器组以恒压的方式充电,同时三相三电平DC/AC将电网侧电能输送至直流高压母线侧,双向全桥隔离式DC/DC变换器将直流高压母线侧电能输送至直流低压母线侧;所述三相三电平DC/AC的控制方法采用基于dq坐标分解和三电平SVPWM的直接电流控制策略,使三相三电平DC/AC的三相电流相位与电网三相电压相位一致,以实现单位功率因数。
[0011] 本发明应用于新能源发电系统中,可以很好的改善新能源发电系统中的诸多不稳定因素,能够极大提高新能源发电系统的发电效率,同时对智能电网的建设具有重要意义。
附图说明
[0012] 图1是本发明一种大型混合储能系统的总体示意图;
图2是非隔离双向DC/DC模块单元示意图;
图3是双向全桥隔离式DC/DC示意图;
图中:101.m组超级电容器组,102.η组蓄电池组,103.非隔离双向DC/DC,104.各混合储能单元的直流低压母线,105.双向全桥隔离式DC/DC,106.混合储能单元,107.直流高压母线,108.三相三电平DC/AC,109.LCL滤波器,110.负载,111.电网。
具体实施方式
[0013] 下面结合说明书附图并结合具体实施方案对本发明的技术方案进一步详细描述;
图1所示为一种大型混合储能系统的总体示意图,采用两级DC/DC升降压和一级DC/AC的三级式PCS结构,N组混合储能单元模块106连接到直流高压母线107,三相三电平DC/AC模块108的输入端与直流高压母线107相连,三相三电平DC/AC模块108的输出经三相LCL滤波器109滤波后,实现与电网111能量交换或独立带负载110运行;所述混合储能单元模块106的内部连接方式为:m组超级电容器组101和η组蓄电池组102分别通过对应非隔离双向DC/DC模块单元103连接到对应的直流低压母线104,直流低压母线104再和双向全桥隔离式DC/DC模块单元105的输入相接。蓄电池组由五块12V/100AH的蓄电池串联组成;超级电容器组由一定数量(数量由超级电容器的具体型号确定)的单体超级电容器串联组成。
[0014] 图2所示为非隔离双向DC/DC模块单元示意图,储能元件为蓄电池组或超级电容器组;储能元件的一端和电感L的一端相连,电感L的另一端与绝缘栅极型功率管Sbudt的发射极和绝缘栅极型功率管Sbwst的集电极的公共结合点相连,功率管Sbudt的集电极和电容C1m的一端相连,功率管Sbwst的发射极与储能元件另一端和电容C1ot的另一端的公共结合点相连,Dl是功率管Sbuek的反并联二极管,D2是功率管Sbwst的反并联二极管;通过控制Sboost的开断,同时保持Sbudt处于断开状态,使电能由蓄电池组或超级电容器组流向直流低压母线侧;通过控制Sbudt的开断,同时保持Sbtrast处于断开状态,使电能由直流低压母线侧流向蓄电池组或超级电容器组。
[0015] 图3所示为双向全桥隔离式DC/DC105示意图,各混合储能单元106的直流低压母线总电容C1ot的一端和电抗器Lp的一端相连,Lp的另一端和第一桥式功率模块相连,第一桥式功率模块通过高频变压器和第二桥式功率模块相连,第二桥式功率模块再和直流高压母线总电容Chigh相连。
[0016] 所述三相三电平DC/AC模块单元108采用二极管钳位的三电平三相桥式结构,三相三电平DC/AC的输入接入到直流高压母线侧,三相三电平DC/AC的输出接入到电网侧。当电能由直流高压母线侧流向电网时,三相三电平DC/AC工作于逆变状态;当电能由电网流向直流高压母线侧时,三相三电平DC/AC工作于整流状态。
[0017] 超级电容器组的充放电具体控制策略为:
当非隔离双向DC/DC变换器103工作于降压模式时,超级电容组处于充电状态,取超级电容组侧电压为外环,非隔离双向DC/DC变换器103的电感电流为内环,外环内环均采用PI(比例积分)调节器,使超级电容组处于恒压充电状态,并限制电感电流,以保护功率管。当非隔离双向DC/DC变换器103工作于升压模式时,超级电容组处于放电状态,取直流低压母线侧电压为外环,非隔离双向DC/DC变换器103的电感电流为内环,外环内环均采用PI调节器,使超级电容组处于最大恒定安全电流放电状态。
[0018] 蓄电池组的充放电具体控制策略为:
当非隔离双向DC/DC变换器103工作于降压模式时,蓄电池组处于充电状态,取蓄电池组侧电压为外环,非隔离双向DC/DC变换器103的电感电流为内环,外环内环均采用PI调节器,使蓄电池组以先恒流、再恒压、最后浮充的三阶段方式充电;当非隔离双向DC/DC变换器103工作于升压模式时,蓄电池组处于放电状态,取直流低压母线侧电压为外环,非隔离双向DC/DC变换器103的电感电流为内环,外环内环均采用PI调节器,使蓄电池组处于恒定安全电流放电状态。
[0019] 三相三电平DC/AC具体控制策略为:
采用电流电压双环控制方式,取三相三电平DC/AC108的三相电流作为内环,同时获取电网三相电压的相位,直流高压母线电压作为外环,基于dq坐标下实现P、Q (有功、无功)解耦控制和直流高压母线电压控制;采用三电平电压空间矢量脉宽调制的方法控制开关管的断开。
[0020] 各变换器协调具体控制策略为:
控制非隔离双向DC/DC变换器103和双向全桥隔离式DC/DC变换器105使直流低压母线电压稳定在100V-130V之间,控制双向全桥隔离式DC/DC变换器103和三相三电平DC/AC108使直流高压母线电压稳定在400V-420V之间。

Claims (5)

1.一种大型混合储能系统,采用两级DC/DC升降压和一级DC/AC的三级式结构,其特征在于,超级电容器组和蓄电池组以一定的数量比例组成多个混合储能单元,该比例按照功率匹配原则选取,各混合储能单元再分别和对应的非隔离双向DC/DC —起接入到所在单元的直流低压母线上,各混合储能单元通过对应的双向全桥隔离式DC/DC变换器接入到直流高压母线上去,同时,三相三电平DC/AC也接入到直流高压母线上,三相三电平DC/AC的输出和三相LCL滤波器的输入相接,三相LCL滤波器的输出与电网相接。
2.根据权利要求1所述的一种大型混合储能系统,其特征在于,所述蓄电池组由12V/100AH的蓄电池串联组成;所述超级电容器组由单体超级电容器串联组成。
3.根据所述权利要求1或2所述的一种大型混合储能系统,其特征在于,所述非隔离双向DC/DC用于对蓄电池组和超级电容器组的充放电,实现蓄电池组和超级电容器组侧和直流低压母线侧的双向功率流动;所述双向全桥隔离式DC/DC变换器用于各混合储能单元与直流高压侧的功率流向控制;所述三相三电平DC/AC用于直流高压侧和电网之间的双向功率流动控制;所述三相LCL滤波器用于平滑三相三电平DC/AC的输入输出电流及电压、滤除三相交流电的谐波。
4.如权利要求1所述的一种大型混合储能系统的控制策略,其特征在于,所述大型混合储能系统的总体控制策略在于控制各双向变换器使直流低压母线电压和直流高压母线电压稳定在一定范围内,即控制非隔离双向DC/DC和双向全桥隔离式DC/DC变换器使直流低压母线电压稳定在100V-130V之间,同时控制双向全桥隔离式DC/DC变换器和三相三电平DC/AC使直流高压母线电压稳定在400V-420V之间。
5.根据权利要求4所述的控制策略,其特征在于,具体如下: 所述蓄电池组电压在正常范围时,当电网需要小功率补偿,控制非隔离双向DC/DC使蓄电池组以安全恒定电流放电,且超级电容器组待命;当电网需要大功率补偿时,控制非隔离双向DC/DC使蓄电池组以安全恒定电流放电,且超级电容器组大电流放电,同时双向全桥隔离式DC/DC变换器将直流低压母线侧电能输送至直流高压母线侧,三相三电平DC/AC将直流高压母线侧电能输送至电网侧; 所述蓄电池组处于临界最低电压时,且当电网有剩余功率时,控制非隔离双向DC/DC使蓄电池组以先恒流、再恒压、最后浮充的三段式充电方式充电,同时控制非隔离双向DC/DC使超级电容器组以恒压的方式充电,同时三相三电平DC/AC将电网侧电能输送至直流高压母线侧,双向全桥隔离式DC/DC变换器将直流高压母线侧电能输送至直流低压母线侧; 所述三相三电平DC/AC的控制方法采用基于dq坐标分解和三电平电压空间矢量脉宽调制的直接电流控制策略,使三相三电平DC/AC的三相电流相位与电网三相电压相位一致,以实现单位功率因数。
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