CN103647355A - 用于微电网功率平滑控制的混合储能系统拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开用于微电网功率平滑控制的混合储能系统拓扑结构，其特征在于：微电网的系统母线连接有用于微电网功率平滑控制的混合储能系统拓扑结构，由所述混合储能系统平抑微电网功率波动；混合储能系统的储能单元由超导磁体和蓄电池构成，控制器拓扑结构由DC/AC变流器、DC/DC斩波器和DC/DC双向变换器构成；由DC/AC变流器将超导磁体、蓄电池接入微电网，DC/DC斩波器的输出端连接超导磁体，以控制超导磁体充/放电；DC/DC双向变换器的输出端连接蓄电池，以控制蓄电池充/放电；由超导磁体实时提供功率补偿微电网的功率波动，蓄电池作为超导磁体的能量储存单元。本发明具有结构简单、且可实现两种储能元件优势互补，提高储能装置性能、降低储能装置价格等有益效果。

Description

用于微电网功率平滑控制的混合储能系统拓扑结构
技术领域
本发明涉及微电网功率平滑调节技术和混合储能技术，具体涉及一种用于微电网功率平滑控制的混合储能系统拓扑结构。属于微电网技术领域。
背景技术
随着间歇式可再生能源的随机性和波动性及负荷的随机波动引起的微电网电压波动日益显著，严重影响微电网的供电质量及“友好”并网，甚至造成安全稳定问题。储能装置被认为是平滑微电网内功率波动、抑制微电网电压随机波动的有效途径。现阶段微电网中可利用的储能装置很多，主要包括蓄电池储能、超导储能、飞轮储能、超级电容器储能等。
例如采用由蓄电池构成的储能系统来控制微电网的功率平滑，由滤波器、DC/AC变流器及蓄电池组组成，储能系统通过公共连接点又称PCC点(Point of CommonCoupling)接入微电网。设蓄电池的端口电压为U，电流为Ibattery，图1所示方向为正方向，则蓄电池提供的功率为：
P=UIbattery
由于微电网中的波动功率既含有幅值大、持续时间短的尖峰波动功率，又含有持续时间长、能量波动大的稳态波动功率，同时还含有频繁往复性的波动功率。因此若要得到较好的平滑效果，储能系统在提供大能量的同时还需提供大功率，且充放电频繁。采用蓄电池作为储能元件，势必会造成以下缺点：
(1)由于蓄电池不允许大倍率充放电，蓄电池提供的功率越大，所需要的蓄电池容量越大。因此，若要用蓄电池平抑微电网的尖峰波动功率，需配备较大容量的蓄电池组，成本较高。
(2)由于蓄电池循环寿命低，在频繁充放电下，蓄电池寿命短，报废率高，经济性受到严重影响。
例如采用超导储能系统来调节微电网功率平滑控制，与基于蓄电池储能系统的微电网功率平滑控制相同，由滤波器、DC/AC变流器、DC/DC斩波器及超导磁体组成，DC/AC变流器负责控制超导储能系统按照微电网功率平滑的要求输出指定功率；DC/DC斩波器负责超导磁体的充放电控制，如图3所示。微电网的波动功率为P，全部由超导磁体补偿，则在一段时间t内，超导磁体提供的能量E可表示为：
E=∫Pdt
当微电网出现能量波动大的稳态波动功率时，超导磁体需要有足够的容量以保证其持续的功率输出，由于其能量密度小，要平抑能量波动大的稳态波动功率需配备大容量的超导储能系统，使得整个系统造价昂贵，难以推广应用。
发明内容
本发明的目的，是为了提供一种用于微电网功率平滑控制的混合储能系统拓扑结构，该结构可充分发挥两种储能元件的优点，既能提供大功率，又有一定的储能容量，且循环寿命长，响应速度快，控制效果好，成本低。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
基于混合储能系统的微电网功率平滑控制的拓扑结构，其结构特点在于：
1）微电网的系统母线连接有用于微电网功率平滑控制的混合储能系统拓扑结构，由所述混合储能系统平抑微电网功率波动；
2）混合储能系统的储能单元由超导磁体和蓄电池构成，混合储能系统的控制器拓扑结构由DC/AC变流器、DC/DC斩波器和DC/DC双向变换器构成；由DC/AC变流器将超导磁体、蓄电池接入微电网，DC/DC斩波器的输出端连接超导磁体，以控制超导磁体充/放电；DC/DC双向变换器的输出端连接蓄电池，以控制蓄电池充/放电；通过控制混合储能系统的输出功率平抑微电网功能波动；
3）由超导磁体实时提供功率补偿微电网的功率波动，蓄电池作为超导磁体的能量储存单元；通过DC/AC变流器集中控制混合储能系统的输出功率，以满足微电网的功率平滑要求。本发明的目的还可以通过以下技术方案实现：
本发明的目的还可以通过以下技术方案实现：
进一步地，DC/AC变流器由开关管Ta、Ta’，Tb、Tb’，Tc、Tc’连接而成，开关管Ta、Ta’，Tb、Tb’，Tc、Tc’连接构成三相桥式整流电路；DC/DC斩波器由开关管G1、G2和二极管D1、D2连接而成，开关管G1与二极管D1串联，开关管G2和二极管D2串联，然后二个串联组并联跨接在DC/AC变流器的三相桥式整流电路的正、负端，超导磁体SC的二端分别与开关管G1与二极管D1连接处、开关管G2和二极管D2连接处连接；CDC/DC双向变换器由开关管T1、T2、二极管D3、D4和电感L1连接而成，二极管D3的负极连接开关管T1的集电极，二极管D3的正极连接开关管T1的发射极，二极管D4的负极连接开关管T2的集电极，二极管D4的正极连接开关管T2的发射极，开关管T1与T2串联后跨接在DC/AC变流器的三相桥式整流电路的正、负端，电感L1与蓄电池串联后跨接在开关管T2的集电极与发射极之间。
进一步地，在DC/AC变流器与微电网的系统母线连接处设有滤波器，即DC/AC变流器通过滤波器与微电网的系统母线连接；所述滤波器为电感型滤波器。
进一步地，在DC/AC变流器与DC/DC斩波器的连接处设置电容器C。
进一步地，由混合储能系统提供实时微电网的功率波动补偿，包括平抑微电网功率波动拓扑结构和能量储存拓扑结构：
1）平抑微电网功率波动拓扑结构
当微电网波动功率为负时，由储能系统提供正的功率以平抑微电网的功率波动；当微电网波动功率为正时，由储能系统提供负的功率以平抑微电网的功率波动；
2）能量储存拓扑结构
所述蓄电池构成超导磁体的能量储存单元，当超导磁体内剩余能量过剩时，将剩余能量转移至蓄电池中储存；当超导磁体内剩余能量不足时，将蓄电池中储存的能量转移至超导磁体中；当超导磁体内的能量适中时，控制蓄电池输出电流为0。
本发明的有益效果：
1、本发明由超导磁体和蓄电池构成混合储能系统的储能单元，由DC/AC变流器、DC/DC斩波器和DC/DC双向变换器构成混合储能系统的控制器拓扑结构，仅由一套DC/AC变流器将超导磁体、蓄电池接入微电网，具有整体结构简单、节省硬件投入的有益效果。
2、本发明由超导磁体和蓄电池构成混合储能单元，一方面可实现由超导储能系统提供功率平抑微电网功率波动，充分发挥超导储能响应快、提供功率能力强以及循环寿命长的特点，具有平抑效果好、对储能装置寿命影响小和容量要求低的特点；二方面可实现由蓄电池作为超导磁体的能量储存单元，充分发挥蓄电池能量密度高、价格低的优点，具有降低储能装置的成本、经济性好的特点。
附图说明
图1是本发明采用蓄电池和超导磁体平抑微电网功率波动的结构示意图。
图2是单纯采用蓄电池平抑微电网功率波动的结构示意图。
图3是单纯采用超导磁体平抑微电网功率波动的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步地说明。
参照图1，本实施例涉及的用于微电网功率平滑控制的混合储能系统拓扑结构，其特征在于：微电网的系统母线1连接有用于微电网功率平滑控制的混合储能系统拓扑结构，由所述混合储能系统平抑微电网功率波动；混合储能系统的储能单元由超导磁体3和蓄电池4构成，混合储能系统的控制器拓扑结构由DC/AC变流器5、DC/DC斩波器6和DC/DC双向变换器7构成；由DC/AC变流器5将超导磁体3、蓄电池4接入微电网，DC/DC斩波器6的输出端连接超导磁体3，以控制超导磁体3充/放电；DC/DC双向变换器7的输出端连接蓄电池4，以控制蓄电池4充/放电；通过控制混合储能系统的输出功率平抑微电网功能波动；由超导磁体3实时提供功率补偿微电网的功率波动，蓄电池4作为超导磁体3的能量储存单元；通过DC/AC变流器5集中控制混合储能系统的输出功率，以满足微电网的功率平滑要求。
本实施例中：
DC/AC变流器5由开关管Ta、Ta’，Tb、Tb’，Tc、Tc’连接而成，开关管Ta、Ta’，Tb、Tb’，Tc、Tc’连接构成三相桥式逆变电路；DC/DC斩波器6由开关管G1、G2和二极管D1、D2连接而成，开关管G1与二极管D1串联，开关管G2和二极管D2串联，然后二个串联组并联跨接在DC/AC变流器5的三相桥式逆变电路的正、负端，超导磁体SC3的二端分别与开关管G1与二极管D1连接处、开关管G2和二极管D2连接处连接；DC/DC双向变换器7由开关管T1、T2、二极管D3、D4和电感L1连接而成，二极管D3的负极连接开关管T1的集电极，二极管D3的正极连接开关管T1的发射极，二极管D4的负极连接开关管T2的集电极，二极管D4的正极连接开关管T2的发射极，开关管T1与T2串联后跨接在DC/AC变流器5的三相桥式逆变电路的正、负端，电感L1与蓄电池4串联后跨接在开关管T2的集电极与发射极之间。
进一步地，在DC/AC变流器5与微电网的系统母线1连接处设有滤波器2，即DC/AC变流器5通过滤波器2与微电网的系统母线1连接；所述滤波器2为电感型滤波器。
进一步地，在DC/AC变流器5与DC/DC斩波器6的连接处设置电容器C。
进一步地，由混合储能系统提供实时微电网的功率波动补偿，包括平抑微电网功率波动拓扑结构和能量储存拓扑结构：
1）平抑微电网功率波动拓扑结构
当微电网波动功率为负时，由储能系统提供正的功率以平抑微电网的功率波动；当微电网波动功率为正时，由储能系统提供负的功率以平抑微电网的功率波动；
2）能量储存拓扑结构
所述蓄电池4构成超导磁体的能量储存单元，当超导磁体3内剩余能量过剩时，将剩余能量转移至蓄电池4中储存；当超导磁体3内剩余能量不足时，将蓄电池4中储存的能量转移至超导磁体3中；当超导磁体3内的能量适中时，控制蓄电池4输出电流为0。
所述DC/AC变流器5可以采用常规技术变流器。所述DC/DC斩波器6可以采用常规技术斩波器，DC/DC斩波器6包括开关管G1、G2和二级管D1、D2。所述DC/DC双向变流器7可以采用常规技术双向变流器，DC/DC双向变流器7包括开关管T1、T2和二极管D3、D4。
本实施例的工作原理如下：
所述超导磁体3实时提供微电网的功率波动补偿：
当微电网波动功率为负时，所述储能系统需提供正的功率以平抑微电网的功率波动，此时图1中所示电流i1的方向与图示方向相反。开关管G1完全截止，开关管G2周期性通、断转变。开关管G2导通时，超导磁体3通过开关管G2、二极管D1续流；开关管G2关断时，超导磁体3通过二极管D2、D1向微电网放电。
当微电网波动功率为正时，储能系统需提供负的功率以平抑微电网的功率波动，此时图1中所示电流i1的方向与图示方向相同；控制开关管G1完全导通，开关管G2周期性通、断转变。开关管G2导通时，超导磁体3通过开关管G1、G2充电；开关管G2关断时，超导磁体3通过开关管G1、二级管D2向续流。
所述蓄电池4作为超导磁体3的能量储存单元：
当超导磁体3内剩余能量过剩时，开关管G1、G2关断，开关管T1导通，开关T2关断，超导磁体3经二极管D2、二级管D1、开关管T1向蓄电池4充电，将剩余能量转移至蓄电池4中储存。
当超导磁体3内剩余能量不足时，开关管G1、G2导通，开关管T1、T2关断，蓄电池4经二级管D3、开关管G1、开关管G2向超导磁体3充电，将蓄电池4中储存的能量转移至超导磁体3中。
当超导磁体3内的能量适中时，开关管T2导通，控制蓄电池4输出电流为0。
因此，蓄电池4和超导磁体3由同一套DC/AC变流器接入微电网，可由此变流器集中控制混合储能系统的输出功率，以满足微电网的功率平滑要求。蓄电池4和超导磁体3的充放电控制则分别由DC/DC双向变流器和DC/DC斩波器控制。实现了由超导储能实时提供功率补偿微电网的功率波动，蓄电池作为超导磁体的能量储存单元，充分发挥两种储能元件的优点，实现优势互补，构成性能良好的混合储能系统。
本发明将蓄电池储能与超导储能混合使用构成混合储能系统，结合两种储能元件的优点来实现微电网功率平滑控制，该混合储能系统既能提供大功率，又有一定的储能容量，且循环寿命长，响应速度快，控制效果好，可达到更好的性能和效益。

Claims (5)

1.用于微电网功率平滑控制的混合储能系统拓扑结构，其特征在于：
1）微电网的系统母线（1）连接有用于微电网功率平滑控制的混合储能系统拓扑结构，由所述混合储能系统平抑微电网功率波动；
2）混合储能系统的储能单元由超导磁体（3）和蓄电池（4）构成，混合储能系统的控制器拓扑结构由DC/AC变流器（5）、DC/DC斩波器（6）和DC/DC双向变换器（7）构成；由DC/AC变流器（5）将超导磁体（3）、蓄电池（4）接入微电网，DC/DC斩波器（6）的输出端连接超导磁体（3），以控制超导磁体（3）充/放电；DC/DC双向变换器（7）的输出端连接蓄电池（4），以控制蓄电池（4）充/放电；通过控制混合储能系统的输出功率平抑微电网功能波动；
3）由超导磁体（3）实时提供功率补偿微电网的功率波动，蓄电池（4）作为超导磁体（3）的能量储存单元；通过DC/AC变流器（5）集中控制混合储能系统的输出功率，以满足微电网的功率平滑要求。
2.根据权利要求1所述的用于微电网功率平滑控制的混合储能系统拓扑结构，其特征在于：DC/AC变流器（5）由开关管Ta、Ta’，Tb、Tb’，Tc、Tc’连接而成，开关管Ta、Ta’，Tb、Tb’，Tc、Tc’连接构成三相桥式逆变电路；DC/DC斩波器（6）由开关管G1、G2和二极管D1、D2连接而成，开关管G1与二极管D1串联，开关管G2和二极管D2串联，然后二个串联组并联跨接在DC/AC变流器（5）的三相桥式逆变电路的正、负端，超导磁体SC（3）的二端分别与开关管G1与二极管D1连接处、开关管G2和二极管D2连接处连接；CDC/DC双向变换器（7）由开关管T1、T2、二极管D3、D4和电感L1连接而成，二极管D3的负极连接开关管T1的集电极，二极管D3的正极连接开关管T1的发射极，二极管D4的负极连接开关管T2的集电极，二极管D4的正极连接开关管T2的发射极，开关管T1与T2串联后跨接在DC/AC变流器（5）的三相桥式逆变电路的正、负端，电感L1与蓄电池（4）串联后跨接在开关管T2的集电极与发射极之间。
3.根据权利要求2所述的用于微电网功率平滑控制的混合储能系统拓扑结构，其特征在于：在DC/AC变流器（5）与微电网的系统母线（1）连接处设有滤波器（2），即DC/AC变流器（5）通过滤波器（2）与微电网的系统母线（1）连接；所述滤波器（2）为电感型滤波器。
4.根据权利要求2所述的基于混合储能系统的微电网功率平滑控制拓扑结构，其特征在于：在DC/AC变流器（5）与DC/DC斩波器（6）的连接处设置电容器C。
5.根据权利要求1-4任一权利要求所述的用于微电网功率平滑控制的混合储能系统拓扑结构，其特征在于：由混合储能系统提供实时微电网的功率波动补偿，包括平抑微电网功率波动拓扑结构和能量储存拓扑结构：
1）平抑微电网功率波动拓扑结构
当微电网波动功率为负时，由储能系统提供正的功率以平抑微电网的功率波动；当微电网波动功率为正时，由储能系统提供负的功率以平抑微电网的功率波动；
2）能量储存拓扑结构
所述蓄电池（4）构成超导磁体的能量储存单元，当超导磁体（3）内剩余能量过剩时，将剩余能量转移至蓄电池（4）中储存；当超导磁体（3）内剩余能量不足时，将蓄电池（4）中储存的能量转移至超导磁体（3）中；当超导磁体（3）内的能量适中时，控制蓄电池(4)输出电流为0。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20140319

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