CN103812225A - 一种不对称链式混合储能系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不对称链式混合储能系统及其控制方法，该系统主要包括由超级电容器储能单元和蓄电池储能单元构成的链式混合储能结构，还包括与链式混合储能结构连接构成辅助功率环路的LC调谐滤波器。在充放电过程中，通过控制蓄电池储能单元中级联变换器的PWM开关信号，使蓄电池储能单元输出交流电压中包含一个高频分量，通过调节高频电压分量的幅度和相位，可以改变功率在不同单元之间流动的大小和方向。通过功率交换，当蓄电池储能单元输出电流不足时，超级电容器储能单元通过辅助功率环路向蓄电池储能单元提供功率以提高其电流输出能力；当超级电容器剩余能量不足时，蓄电池通过辅助功率环向超级电容器充电。
Description
技术领域
本发明涉及储能技术领域，尤其涉及一种链式混合储能系统及其控制方法。
背景技术
现有的储能元件可以分为能量型(铅酸电池、锂电池和钠硫电池等)和功率型(超级电容器、超导磁储能和飞轮储能等)两类。实际应用中某些需求，如平抑间歇式电源功率波动，需要储能系统既要有快速响应部分，也要有一定的储能容量，因此只选择某一种类型的储能技术难以满足。混合储能系统(Hybrid Energy StorageSystem，HESS)通过将不同种类的储能元件直接并联或通过电力电子变换器连接，使不同储能技术的特性得以互补，从而提高储能系统的整体性能和储能元件的使用寿命。在电动汽车电源、稳定电网电压和平滑功率波动等领域有着广泛的应用。
在对于储能技术的选择上，蓄电池／超级电容器混合储能系统，由于储能技术互补性强、成熟度高并且工业化应用程度好，是目前混合储能系统研究的重点。研究成果显示蓄电池／超级电容器混合储能系统可以同时具有较高的能量密度和功率密度，其性能优于蓄电池储能系统，并可以延长系统中蓄电池的寿命。
将蓄电池或超级电容器与变换器进行并联组成储能单元，然后再将储能单元进行串联组成链式混合储能系统，可以提高储能系统的输出电压和电平数，使其具有直接并入中高压交流电网的能力以及优良的电能质量。但是由于变换器之间的串联结构，蓄电池储能单元和超级电容器储能单元需要具备同样的电流输出能力，这与超级电容器电流输出能力强，蓄电池功率输出能力弱的特性有矛盾。同时，在串联结构中，超级电容器中的能量难以从蓄电池中进行补充。
发明内容
技术问题：针对上述现有技术，提供一种不对称的链式混合储能系统，能够在储能单元串联结构中通过储能单元之间的功率转移提高蓄电池储能单元电流输出能力，并能够使蓄电池向超级电容器充电。
技术方案：为了实现上述目的，本发明使用以下技术方案：
一种不对称链式混合储能系统，包括一个超级电容器储能单元、至少一个蓄电池储能单元、输出电感、交流母线、LC调谐滤波器、电流检测单元、电压检测单元以及控制器；其中：
所述超级电容器储能单元由超级电容器对应与一个级联变换器输入端并联组成；所述每个蓄电池储能单元由蓄电池对应与一个级联变换器输入端并联组成；所述每个储能单元输出端的两个端子分别与相邻储能单元的输出端端子串联，第一个储能单元输出端的正端子通过所述输出电感连接交流母线的一极，最后一个储能单元的输出端的负端子连接到所述交流母线的另一极，所述超级电容器储能单元和蓄电池储能单元组成链式混合储能结构；所述LC调谐滤波器设置在所述第一个储能单元输出端正端子与最后一个储能单元输出端负端子之间；所述电流检测单元采集交流母线的电流信号和LC调谐滤波器电流信号，并将所述电流信号传输至所述控制器；所述电压检测单元采集超级电容器和蓄电池的正负极电压值以及交流母线电压信号，并将所述电压信号传输至所述控制器；所述控制器输出PWM信号到所述各个级联变换器。
进一步的，所述级联变换器由升压DC／DC变换器和全桥变换器级联组成；所述全桥变换器由两个桥臂组成，每个桥臂包括两个串联的功率器件；在所述升压DC／DC变换器和全桥变换器之间并联有电容器。
进一步的，所述全桥变换器中的功率器件为电力场效应管MOSFET、电力晶体管GTR或绝缘栅双极晶体管IGBT的半导体开关管。
进一步的，所述超级电容器由若干串并联的单体超级电容器组成，所述单体超级电容器为双电层型单体超级电容器或赝电容型单体超级电容器。
进一步的，所述蓄电池由若干串并联的单体蓄电池组成，所述单体蓄电池为铅酸电池、锂电池、钠硫电池、镍氢电池或全钒液流电池。
进一步的，所述控制器包括：数字信号微处理器，连接所述数字信号微处理器的通讯接口、电源模块、模／数转换模块、显示模块以及PWM驱动模块；其中：
所述模／数转换模块用于将所述电压检测单元采集的电压信号和电流检测单元采集的电流信号转换为数字信号，并将所述数字信号输入至数字信号微处理器；
所述数字信号微处理器用于根据接收到的所述数字信号执行控制算法并输出PWM信号；
所述通讯接口用于数字信号微处理器与上位机之间的通讯；
所述电源模块用于给所述控制器供电；
所述显示模块用于对所述控制器的运行状态进行显示；
所述PWM驱动模块用于接收所述数字信号微处理器输出的PWM信号，并将所述PWM信号进行放大后驱动所述级联变换器。
一种如不对称链式混合储能系统控制方法，包括如下步骤：
步骤(1)，电压检测单元采集超级电容器和蓄电池的正负极电压值以及交流母线电压信号，并将所述电压信号传输至所述控制器的模／数转换模块进行模／数转换，并将模／数转换后的数字信号传输至数字信号微处理器；电流检测单元采集交流母线的电流信号和LC调谐滤波器电流信号，并将所述电流信号传输至所述控制器的模／数转换模块进行模／数转换，并将模／数转换后的数字信号传输至数字信号微处理器；
步骤(2)，当不对称链式混合储能系统工作在正常功率输出模式时，数字信号微处理器根据交流母线电压信号和系统功率输出需求，控制超级电容器储能单元输出工频准方波电压vsc，所述工频准方波电压vsc移相角为θ，并控制所有蓄电池储能单元的输出叠加后得到工频正弦电压vbtf和谐波电压vbth；其中，所述工频准方波电压vsc与谐波电压vbth之和为工频正弦电压vbtf；通过控制所述移相角θ与工频正弦电压vbtf来控制超级电容器储能单元与蓄电池储能单元输出功率大小；
当超级电容器储能单元中的电容器剩余能量达到下限时，控制蓄电池向超级电容器充电的具体步骤如下：
a)，数字信号微处理器将超级电容器正负极电压与电容器电压参考值进行比较生成电容器电压误差值，并根据所述电容器误差值控制所有蓄电池储能单元输出叠加后得到一个高频正弦电压信号vbtr，所述高频正弦信号vbtr的频率为LC调谐滤波器的谐振频率
同时所述高频正弦信号vbtr的频率为蓄电池储能单元输出工频正弦电压vbtf工频的奇数倍，所述高频正弦信号vbtr幅度为所述电容器电压误差值的PI调节量；
b)，数字信号微处理器控制所述高频正弦电压信号vbtr的相位来控制功率从蓄电池储能单元转移到超级电容器储能单元中：超级电容器以所述高频ω吸收功率Psci，同时超级电容器以工频输出功率Psco，当Psci>Psco时，完成对超级电容器的充电；
当混合储能系统输出电流超过蓄电池储能单元中蓄电池电流输出能力时，控制超级电容器向蓄电池提供功率的具体步骤如下：
a)，数字信号微处理器将蓄电池输出电流与输出电流参考值进行比较生成蓄电池输出电流误差值，并根据所述蓄电池输出电流误差值控制所有蓄电池储能单元输出叠加后得到一个高频正弦电压信号vbtr，所述高频正弦信号vbtr的频率为LC调谐滤波器的谐振频率
同时所述高频正弦信号vbtr的频率为蓄电池储能单元输出工频正弦电压vbtf工频的奇数倍，所述高频正弦信号vbtr幅度为所述蓄电池输出电流误差值的PI调节量；
b)，数字信号微处理器控制所述高频正弦电压信号vbtr的相位来控制功率从超级电容器储能单元转移到蓄电池储能单元中：蓄电池储能单元中的级联变换器中的电容器以所述高频ω吸收功率Pbi，同时以工频输出功率Pbo，当Pbi=Pbo时，控制电容器端电压保持恒定。蓄电池储能单元输出功率增加Pbo，从而完成对蓄电池储能单元电流输出能力的提升。
有益效果：使用本发明的混合储能系统，可以在充放电过程中，通过控制蓄电池储能单元中级联变换器的PWM开关信号，使蓄电池储能单元输出交流电压中包含一个高频分量，从而使各串联单元和LC调谐滤波器之间形成一个辅助功率环路。通过调节高频电压分量的幅度和相位差，可以改变功率在不同单元之间流动的大小和方向。由于LC调谐滤波器的选频作用，高频电压分量不会影响交流母线的电压质量，从而在不影响交流母线的电压、电流输出的前提下，实现不同储能元件之间的功率交换。
通过功率交换，当蓄电池储能单元输出电流不足时，超级电容器储能单元通过辅助功率环路向蓄电池储能单元提供电流以提高其电流输出能力；当超级电容器剩余能量不足时，蓄电池通过辅助功率环路向超级电容器充电。
附图说明
图1是是本发明的总体结构示意图；
图2是本发明的超级电容器储能单元连接示意图；
图3是本发明的蓄电池储能单元连接示意图；
图4是本发明储能单元输出PWM波形图；
图5是本发明控制器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，一种不对称链式混合储能系统，该系统包括一个超级电容器储能单元、若干个蓄电池储能单元、输出电感1、交流母线2、LC调谐滤波器3、电流检测单元7、电压检测单元8以及控制器9。其中：超级电容器储能单元由超级电容器5对应与一个级联变换器4输入端并联组成。每个蓄电池储能单元由蓄电池6对应与一个级联变换器4输入端并联组成。每个储能单元输出端的两个端子分别与相邻储能单元的输出端端子串联，第一个储能单元输出端的正端子通过输出电感1连接交流母线2的一极，最后一个储能单元的输出端的负端子连接到所述交流母线2的另一极，从而超级电容器储能单元和蓄电池储能单元组成链式混合储能结构。LC调谐滤波器3设置在第一个储能单元输出端正端子与最后一个储能单元输出端负端子之间。电流检测单元7用来采集交流母线2的电流信号和LC调谐滤波器3电流信号，并将采集到的电流信号传输至控制器9；电压检测单元8用来采集超级电容器5和蓄电池6的正负极电压值以及交流母线2电压信号，并将采集到的电压信号传输至控制器9。
如图2所示为超级电容储能单元结构示意图，级联变换器4的输入端与超级电容器输出端连接，级联变换器4由升压DC／DC变换器41和全桥变换器42级联组成。全桥变换器42由两个桥臂组成，每个桥臂包括两个串联的功率器件，分别为功率器件421、功率器件422、功率器件423以及功率器件424。在升压DC／DC变换器41和全桥变换器42之间并联有电容器43。其中全桥变换器42中的功率器件为电力场效应管MOSFET、电力晶体管GTR或绝缘栅双极晶体管IGBT的半导体开关管。超级电容器5由若干串并联的单体超级电容器组成，该单体超级电容器为双电层型单体超级电容器或赝电容型单体超级电容器。
如图3所示为蓄电池储能单元结构示意图，与超级电容储能单元结构的区别仅为级联变换器4的输入端与蓄电池6的输出端连接。蓄电池6由若干串并联的单体蓄电池组成，该单体蓄电池为铅酸电池、锂电池、钠硫电池、镍氢电池或全钒液流电池。
如图5所示，控制器9包括：数字信号微处理器91，连接数字信号微处理器91的通讯接口92、电源模块93、模／数转换模块94、显示模块95以及PWM驱动模块96。其中：模／数转换模块94用于将电压检测单元8采集的电压信号和电流检测单元7采集的电流信号转换为数字信号，并将数字信号输入至数字信号微处理器91。数字信号微处理器91用于根据接收到的数字信号执行控制算法并输出PWM信号。通讯接口92用于数字信号微处理器91与上位机之间的通讯，这里用于不对称链式混合储能系统接收上位机输入的功率输出需求信号、超级电容器5参考电压以及蓄电池6输出电流参考值。电源模块93用于给控制器9供电。显示模块95用于对控制器9的运行状态进行显示。PWM驱动模块96用于接收数字信号微处理器91输出的PWM信号，并将该PWM信号进行放大后驱动所述级联变换器4。
基于上述不对称链式混合储能系统控制方法，包括如下步骤：
步骤1，电压检测单元8采集超级电容器5和蓄电池6的正负极电压值以及交流母线2电压信号，并将采集到的电压信号传输至控制器9的模／数转换模块94进行模／数转换，并将模／数转换后的数字信号传输至数字信号微处理器91。电流检测单元7采集交流母线2的电流信号和LC调谐滤波器3电流信号，并将采集到的电流信号传输至控制器9的模／数转换模块94进行模／数转换，并将模／数转换后的数字信号传输至数字信号微处理器91。
步骤2，当不对称链式混合储能系统工作在正常功率输出模式时，输出电压为所有储能单元输出电压的叠加所得。数字信号微处理器91根据电压检测单元8检测的交流母线2电压信号和系统功率输出需求，将输出电压分为两个部分：如图4所示，通过控制PWM驱动模块96驱动各个级联变换器4来控制超级电容器储能单元输出工频准方波电压vsc，该工频准方波电压vsc移相角为θ，并控制所有蓄电池储能单元的输出叠加后得到工频正弦电压vbtf和谐波电压vbth。其中，工频准方波电压vsc与谐波电压vbth之和为工频正弦电压vbtf；通过控制所述移相角θ与工频正弦电压vbtf来控制超级电容器储能单元与蓄电池储能单元输出功率大小。
系统电压检测单元通过多超级电容器端电压的检测，当超级电容器储能单元中的电容器5剩余能量达到下限时，需要蓄电6池向超级电容器5充电，控制蓄电池6向超级电容器5充电的具体步骤如下：
a)，数字信号微处理器91将超级电容器5正负极电压与电容器参考值进行比较生成电压误差值，并根据该电容器电压误差值输出控制信号到PWM驱动模块96，该PWM驱动模块96驱动级联变换器4从而控制所有蓄电池储能单元输出叠加后得到一个高频正弦电压信号vbtr。该高频正弦信号vbtr的频率为LC调谐滤波器3的谐振频率同时该高频正弦信号vbtr的频率为蓄电池储能单元输出工频正弦电压vbtf工频的奇数倍，该高频正弦信号vbtr幅度为超级电容器5电容器电压误差值的PI调节量。由于高频电压分量的频率与LC调谐滤波器3的谐振频率一致，因此高频电压分量产生的功率将在串联单元与LC调谐滤波器3构成的辅助功率环路中流动。
b)，数字信号微处理器91通过控制输出到与蓄电池储能单元连接的变换器4的PWM信号，从而调节所述高频正弦电压信号vbtr的相位来控制功率从蓄电池储能单元转移到超级电容器储能单元中：进而超级电容器5以高频ω吸收功率Psci，同时以工频输出功率Psco，当Psci>Psco时，完成对超级电容器5的充电。
当混合储能系统输出电流超过蓄电池储能单元中蓄电池6电流输出能力时，控制超级电容器5向蓄电池6提供功率的具体步骤如下：
a)，数字信号微处理器91将蓄电池6输出电流与输出电流参考值进行比较生成蓄电池输出电流误差值，所述输出电流参考值由上位机通过通讯接口给定，根据所述蓄电池输出电流误差值控制所有蓄电池储能单元输出叠加后得到一个高频正弦电压信号vbtr，所述高频正弦信号vbtr的频率为LC调谐滤波器3的谐振频率
同时所述高频正弦信号vbtr的频率为蓄电池储能单元输出工频正弦电压vbtf工频的奇数倍，所述高频正弦信号vbtr幅度为所述蓄电池输出电流误差值的PI调节量；
b)，数字信号微处理器91控制所述高频正弦电压信号vbtr的相位来控制功率从超级电容器储能单元转移到蓄电池储能单元中：蓄电池储能单元中的级联变换器4中的电容器43以所述高频ω吸收功率Pbi，同时以工频输出功率Pbo，当Pbi=Pbo时，控制电容器43端电压保持恒定。蓄电池储能单元输出功率增加Pbo，从而完成对蓄电池储能单元电流输出能力的提升。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种不对称链式混合储能系统，其特征在于：所述系统包括一个超级电容器储能单元、至少一个蓄电池储能单元、输出电感(1)、交流母线(2)、LC调谐滤波器(3)、电流检测单元(7)、电压检测单元(8)以及控制器(9)；其中：
所述超级电容器储能单元由超级电容器(5)对应与一个级联变换器(4)输入端并联组成；所述每个蓄电池储能单元由蓄电池(6)对应与一个级联变换器(4)输入端并联组成；所述每个储能单元输出端的两个端子分别与相邻储能单元的输出端端子串联，第一个储能单元输出端的正端子通过所述输出电感(1)连接交流母线(2)的一极，最后一个储能单元的输出端的负端子连接到所述交流母线(2)的另一极，所述超级电容器储能单元和蓄电池储能单元组成链式混合储能结构；所述LC调谐滤波器(3)设置在所述第一个储能单元输出端正端子与最后一个储能单元输出端负端子之间；所述电流检测单元(7)采集交流母线(2)的电流信号和LC调谐滤波器(3)电流信号，并将所述电流信号传输至所述控制器(9)；所述电压检测单元(8)采集超级电容器(5)和蓄电池(6)的正负极电压值以及交流母线(2)电压信号，并将所述电压信号传输至所述控制器(9)；所述控制器(9)输出PWM信号到所述各个级联变换器(4)。
2.如权利要求1所述的不对称链式混合储能系统，其特征在于：所述级联变换器(4)由升压DC／DC变换器(41)和全桥变换器(42)级联组成；所述全桥变换器(42)由两个桥臂组成，每个桥臂包括两个串联的功率器件；在所述升压DC／DC变换器(41)和全桥变换器(42)之间并联有电容器(43)。
3.如权利要求2所述的不对称链式混合储能系统，其特征在于：所述全桥变换器(42)中的功率器件为电力场效应管MOSFET、电力晶体管GTR或绝缘栅双极晶体管IGBT的半导体开关管。
4.如权利要求1所述的不对称链式混合储能系统，其特征在于：所述超级电容器(5)由若干串并联的单体超级电容器组成，所述单体超级电容器为双电层型单体超级电容器或赝电容型单体超级电容器。
5.如权利要求1所述的不对称链式混合储能系统，其特征在于：所述蓄电池(6)由若干串并联的单体蓄电池组成，所述单体蓄电池为铅酸电池、锂电池、钠硫电池、镍氢电池或全钒液流电池。
6.如权利要求1所述的不对称链式混合储能系统，其特征在于：所述控制器(9)包括：数字信号微处理器(91)，连接所述数字信号微处理器(91)的通讯接口(92)、电源模块(93)、模／数转换模块(94)、显示模块(95)以及PWM驱动模块(96)；其中：
所述模／数转换模块(94)用于将所述电压检测单元(8)采集的电压信号和电流检测单元(7)采集的电流信号转换为数字信号，并将所述数字信号输入至数字信号微处理器(91)；
所述数字信号微处理器(91)用于根据接收到的所述数字信号执行控制算法并输出PWM信号；
所述通讯接口(92)用于数字信号微处理器(91)与上位机之间的通讯；
所述电源模块(93)用于给所述控制器(9)供电；
所述显示模块(95)用于对所述控制器(9)的运行状态进行显示；
所述PWM驱动模块(96)用于接收所述数字信号微处理器(91)输出的PWM信号，并将所述PWM信号进行放大后驱动所述级联变换器(4)。
7.如权利要求1所述的不对称链式混合储能系统控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)，电压检测单元(8)采集超级电容器(5)和蓄电池(6)的正负极电压值以及交流母线(2)电压信号，并将所述电压信号传输至所述控制器(9)的模／数转换模块(94)进行模／数转换，并将模／数转换后的数字信号传输至数字信号微处理器(91)；电流检测单元(7)采集交流母线(2)的电流信号和LC调谐滤波器(3)电流信号，并将所述电流信号传输至所述控制器(9)的模／数转换模块(94)进行模／数转换，并将模／数转换后的数字信号传输至数字信号微处理器(91)；
步骤(2)，当不对称链式混合储能系统工作在正常功率输出模式时，数字信号微处理器(91)根据交流母线(2)电压信号和系统功率输出需求，控制超级电容器储能单元输出工频准方波电压vsc，所述工频准方波电压vsc移相角为θ，并控制所有蓄电池储能单元的输出叠加后得到工频正弦电压vbtf和谐波电压vbth；其中，所述工频准方波电压vsc与谐波电压vbth之和为工频正弦电压vbtf；通过控制所述移相角θ与工频正弦电压vbtf来控制超级电容器储能单元与蓄电池储能单元输出功率大小；
当超级电容器储能单元中的电容器(5)剩余能量达到下限时，控制蓄电池(6)向超级电容器(5)充电的具体步骤如下：
a)，数字信号微处理器(91)将超级电容器(5)正负极电压与电容器电压参考值进行比较生成电容器电压误差值，并根据所述电容器误差值控制所有蓄电池储能单元输出叠加后得到一个高频正弦电压信号vbtr，所述高频正弦信号vbtr的频率为LC调谐滤波器(3)的谐振频率同时所述高频正弦信号vbtr的频率为蓄电池储能单元输出工频正弦电压vbtf工频的奇数倍，所述高频正弦信号vbtr幅度为所述电容器电压误差值的PI调节量；
b)，数字信号微处理器(91)控制所述高频正弦电压信号vbtr的相位来控制功率从蓄电池储能单元转移到超级电容器储能单元中：超级电容器(5)以所述高频ω吸收功率Psci，同时超级电容器(5)以工频输出功率Psco，当Psci>Psco时，完成对超级电容器(5)的充电；
当混合储能系统输出电流超过蓄电池储能单元中蓄电池(6)电流输出能力时，控制超级电容器(5)向蓄电池(6)提供功率的具体步骤如下：
a)，数字信号微处理器(91)将蓄电池(6)输出电流与输出电流参考值进行比较生成蓄电池输出电流误差值，并根据所述蓄电池输出电流误差值控制所有蓄电池储能单元输出叠加后得到一个高频正弦电压信号vbtr，所述高频正弦信号vbtr的频率为LC调谐滤波器(3)的谐振频率
同时所述高频正弦信号vbtr的频率为蓄电池储能单元输出工频正弦电压vbtf频的奇数倍，所述高频正弦信号vbtr幅度为所述蓄电池输出电流误差值的PI调节量；
b)，数字信号微处理器(91)控制所述高频正弦电压信号vbtr的相位来控制功率从超级电容器储能单元转移到蓄电池储能单元中：蓄电池储能单元中的级联变换器(4)中的电容器(43)以所述高频ω吸收功率Pbi，同时以工频输出功率Pbo，当Pbi=Pbo时，控制电容器(43)端电压保持恒定。蓄电池储能单元输出功率增加Pbo，从而完成对蓄电池储能单元电流输出能力的提升。
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