CN106655440B - 两级串联的超级电容与蓄电池混合储能系统及能量吸收与释放的方法 - Google Patents

两级串联的超级电容与蓄电池混合储能系统及能量吸收与释放的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种两级串联结构的超级电容与蓄电池混合储能系统，包括与外部系统直流母线连接的第一开关和第一电感；连接在第一开关和第一电感之后的前级双向升降压变换电路；连接在前级双向升降压变换电路之后直流母线之间的超级电容；与超级电容串联的第四开关和预充电电路；连接在超级电容之后直流母线之间的后级双向升降压变换电路；连接在后级双向升降压变换电路之后直流母线之间的蓄电池，以及与蓄电池相互串联的第二开关和第二电感。超级电容置于蓄电池之前，通过合理控制可以吸收和释放频繁出现的瞬时大功率，一方面提高系统调控速度和性能，另外一方面减少蓄电池的大电流充放与充放电次数，提高蓄电池使用寿命。

Description

两级串联的超级电容与蓄电池混合储能系统及能量吸收与释 放的方法
技术领域
本发明涉及电能的储存与释放领域，具体涉及一种两级串联结构的超级电容与蓄电池混合储能系统及能量吸收与释放的方法。
背景技术
储能技术的研究和应用一直受到各国能源、电力、交通、电讯等部门的高度重视。发展方向一方面是新型储能元件的研发，如高性能蓄电池、超级电容、钠硫电池，以及超导等。目前应用最为成熟和广泛的还是蓄电池，超级电容的技术已经成熟，但是受限于价格，广泛应用还一定距离。另外一方面是储能变换系统的研制。
为了提高储能装置的性能，一些文章和专利提出了将蓄电池与超级电容组合使用，主要的拓扑结构是蓄电池与超级电容简单并联，或者是通过直流DC/DC变换电路分别连接超级电容和蓄电池，之后再并联。如果系统为交流系统，还会增设DC/AC变换电路。主要目标是发挥两种储能元件的优势，实现更好的调控效果。在高压大功率场合，多数也是采用以上子模块的并联，或者级联，也有通过变压器升压后与系统相连。但是目前储能系统仍然需要解决很多问题，例如：
（1）在高压大功率场合由于价格原因，多采用蓄电池作为储能元件，只会在一些示范工程中采用新型的价格昂贵的储能元件。采用蓄电池做储能元件的装置，一般用作在紧急状态和电网故障情况下为系统提供后备支持，或者起到削峰填谷的作用减小负荷高峰期的供电需求和发电系统的资本投入，对于电源中出现的较大的功率波动和冲击难以进行快速调节。
（2）大量蓄电池的串联导致对蓄电池参数一致性要求高，装置成本居高不下。另外，由于受到蓄电池充放电次数限制，对于系统频繁出现的瞬时功率波动，尚不能进行很好的控制。
（3）由于超级电容储能量与电压平方成正比，一些直接将超级电容并联至直流母线的系统，很难将超级电容的储能性能发挥。并且过于频繁的直流母线电压波动，对超级电容本身也会带来负面影响。
（4）蓄电池与超级电容简单并联，或蓄电池与超级电容经过DC/DC变换器之后再并联，类似系统虽然加入了超级电容，但是当系统功率、电压频繁出现大范围波动时，电压电流仍然是同时施加在两种储能元件上，对蓄电池的负面影响依然存在，也难以实现能量的高效吸收与释放。
（5）超级电容的内阻小，储能量远超普通电容，在上电过程中的冲击电流数值和持续时间都将远超普通电容，因此，需要设置功率较大的预充电电路。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种两级串联结构的超级电容与蓄电池混合储能系统及能量吸收与释放的方法，超级电容置于蓄电池之前，通过合理控制可以吸收和释放频繁出现的瞬时大功率，一方面提高系统调控速度和性能，另外一方面减少蓄电池的大电流充放与充放电次数，提高蓄电池使用寿命。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种两级串联结构的超级电容与蓄电池混合储能系统，其特征在于：它包括：
与外部系统直流母线连接的第一开关K1和第一电感L1；
连接在第一开关K1和第一电感L1之后的前级双向升降压变换电路；
连接在前级双向升降压变换电路之后直流母线之间的超级电容C；
与超级电容C串联的第四开关K4和预充电电路；
连接在超级电容C之后直流母线之间的后级双向升降压变换电路；
连接在后级双向升降压变换电路之后直流母线之间的蓄电池B，以及与蓄电池B相互串联的第二开关K2和第二电感L2。
按上述系统，所述的前级双向升降压变换电路由第一电力电子器件S1和第二电力电子器件S2构成；所述的后级双向升降压变换电路由第三电力电子器件S3和第四电力电子器件S4构成。
按上述系统，所述的第一电感L1和第二电感L2均为平波电感。
按上述系统，所述的第一开关K1、第二开关K2、第四开关K4分别为断路器、接触器、负载开关或熔断器中的一种或几种的组合。
按上述系统，所述的预充电电路包括与超级电容C串联的充电开关K3，以及与充电开关K3并联的充电电阻R。
按上述系统，所述的充电开关K3为断路器、接触器、负载开关或熔断器中的一种或几种的组合。
利用上述两级串联结构的超级电容与蓄电池混合储能系统实现的能量吸收与释放的方法，其特征在于：它包括以下步骤：
当本系统处于能量吸收状态时：1）当外部系统直流母线产生能量回馈时，若有瞬间浪涌电流的冲击，直接通过第二电力电子器件S2对超级电容C进行充电；2）当浪涌结束后或者充电过程不存在浪涌电流的冲击，对第二电力电子器件S2进行PWM控制，使得前级双向升降压变换电路工作在升压状态，对能量进行吸收；后级双向升降压变换电路则通过PWM控制第三电力电子器件S3构成降压电路，向蓄电池充电； 3）在充电控制结束时，若超级电容C的电压高于额定值，后级双向升降压变换电路持续通过PWM控制第三电力电子器件S3构成降压电路，直到超级电容C的电压恢复到额定值，为接受下一次能量吸收做好准备；
当本系统处于能量释放状态时：1）当直流母线出现瞬间的大功率缺口时，控制第一电力电子器S1完成超级电容C向外部系统直流母线的瞬间大电流能量输送；2）当补偿大电流缺口结束或者放电过程不存在大电流缺口时，对第一电力电子器件S1进行PWM控制，使得前级双向升降压变换电路工作在降压状态，输出放电电流；后级双向升降压变换电路通过PWM控制第四电力电子器件S4构成升压电路，维持超级电容C的电压；3）在放电控制结束时，若超级电容C的电压低于额定值，后级双向升降压变换电路通过PWM控制第四电力电子器件S4构成升压电路，直到超级电容C的电压恢复到额定值，为接受下一次能量回馈做好准备。
本发明的有益效果为：
（1）超级电容置于蓄电池之前，通过合理控制可以吸收和释放频繁出现的瞬时大功率，一方面提高系统调控速度和性能，另外一方面减少蓄电池的大电流充放与充放电次数，提高蓄电池使用寿命。
（2）前级为升降压结构，可以使储能系统在更宽的电压范围内实现能量的高效储存与释放。
（3）蓄电池作为储能型元件，设置在超级电容后端，用来实现较长时间的能量吸收与释放，升降压电路的存在可以减少蓄电池串联数量。预充电能量，也可由蓄电池组提供。
（4）超级电容设置了预充电电路，避免上电瞬间电流冲击损坏器件，在故障时刻限流电阻也可以有效限制故障电流。
（5）前后串联的结构具有集成度高、结构紧凑、控制相对简单的特点，相比并联而言更能够发挥两种储能元件的特点。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本发明一实施例的系统结构示意图。
图3为瞬间大功率吸收能量时的工作状态示意图。
图4为正常状态下吸收能量时的工作状态示意图。
图5为瞬间大功率释放能量时的工作状态示意图。
图6为正常状态下释放能量时的工作状态示意图。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种两级串联结构的超级电容与蓄电池混合储能系统，如图1所示，它包括：与外部系统直流母线连接的第一开关K1和第一电感L1；连接在第一开关K1和第一电感L1之后的前级双向升降压变换电路；连接在前级双向升降压变换电路之后直流母线之间的超级电容C；与超级电容C串联的第四开关K4和预充电电路；连接在超级电容C之后直流母线之间的后级双向升降压变换电路；连接在后级双向升降压变换电路之后直流母线之间的蓄电池B，以及与蓄电池B相互串联的第二开关K2和第二电感L2。
所述的前级双向升降压变换电路由第一电力电子器件S1和第二电力电子器件S2构成；所述的后级双向升降压变换电路由第三电力电子器件S3和第四电力电子器件S4构成。
所述的第一电感L1和第二电感L2均为平波电感。
所述的第一开关K1、第二开关K2、第四开关K4分别为断路器、接触器、负载开关或熔断器中的一种或几种的组合。
所述的预充电电路包括与超级电容C串联的充电开关K3，以及与充电开关K3并联的充电电阻R。
所述的充电开关K3为断路器、接触器、负载开关或熔断器中的一种或几种的组合。
利用上述两级串联结构的超级电容与蓄电池混合储能系统实现的能量吸收与释放的方法，包括以下步骤：
当本系统处于能量吸收状态时：1）当外部系统直流母线产生能量回馈时，若有瞬间浪涌电流的冲击，直接通过第二电力电子器件S2对超级电容C进行充电；2）当浪涌结束后或者充电过程不存在浪涌电流的冲击，对第二电力电子器件S2进行PWM控制，使得前级双向升降压变换电路工作在升压状态，对能量进行吸收；后级双向升降压变换电路则通过PWM控制第三电力电子器件S3构成降压电路，向蓄电池充电； 3）在充电控制结束时，若超级电容C的电压高于额定值，后级双向升降压变换电路持续通过PWM控制第三电力电子器件S3构成降压电路，直到超级电容C的电压恢复到额定值，为接受下一次能量吸收做好准备；
当本系统处于能量释放状态时：1）当直流母线出现瞬间的大功率缺口时，控制第一电力电子器S1完成超级电容C向外部系统直流母线的瞬间大电流能量输送；2）当补偿大电流缺口结束或者放电过程不存在大电流缺口时，对第一电力电子器件S1进行PWM控制，使得前级双向升降压变换电路工作在降压状态，输出放电电流；后级双向升降压变换电路通过PWM控制第四电力电子器件S4构成升压电路，维持超级电容C的电压；3）在放电控制结束时，若超级电容C的电压低于额定值，后级双向升降压变换电路通过PWM控制第四电力电子器件S4构成升压电路，直到超级电容C的电压恢复到额定值，为接受下一次能量回馈做好准备。
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面针对外部直流母线电压等级为1500V的电驱矿用卡车系统为例对本发明作进一步详细的说明。选取1500V为例，主要是考虑地铁、电驱矿用卡车等系统，内部直流母线电压为1500V，并且类似设备在启动、制动过程中存在频繁的能量吸收和回馈释放。而目前回馈的制动能量多数场合是让其在电阻栅上以发热的形式消耗掉。采用本发明所述的混合储能装置能够很好的吸收这部分能量，在系统正常运行过程中释放，由此达到降低系统能耗，提高节能效率的作用。
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图2所示，储能系统的N+，N-直接与外部1500V直流母线的正极与负极连接。N+与第一电感L1、第一快熔K1-1、第一接触器K1-2相串联，第一电感L1的参数根据超级电容C充放电电流不断续的原则进行设计，第一快熔K1-1与第一接触器K1-2电压等级和电流参数按照系统最高电压和容量，并考虑一定裕度后确定。本实施例中第一电力电子器件S1和第二电力电子器件S2均为3300V电压等级IGBT器件。
前级双向升降压变换电路采用美国MAXWELL公司超级电容作为功率型储能元件，在1500V电压等级，综合考虑串联数量和电压等级，选择48V/165F超级电容模块进行串联，1串的数量为35-40块，即图2中CN的N值为35-40。该数量可根据系统瞬时功率的大小进行核算，由于超级电容成本高，因此不建议采用2串的结构扩大容量。充电开关K3为第三接触器，第四开关K4为第四接触器K4-2和第二快熔K4-1，它们的电压等级和电流参数按照直流母线最高电压，并考虑一定裕度后确定。充电电阻R与第三接触器并联，由于超级电容C储能量相比普通电容大，因此预充电功率大，且充电时间较长，因此预充电的功能最好是由装置内部的蓄电池完成，避免对外部系统造成影响。预充电电阻可选择20欧姆，如果蓄电池B的电压等级为650V，则此时最大预充电电流为32.5A。
后级双向升降压变换电路采用廉价的铅酸蓄电池作为能量型储能元件，并且为减少蓄电池B串联数量，其额定电压等级设定为650V，额定电压12V的铅酸蓄电池，需要54块进行串联，即图2中B1N的N值为54，如果需要扩大系统储能时间，则可以利用多组蓄电池组进行并联。
蓄电池B通过第二电感L2、第二快熔K2-1、第二接触器K2-2与接入由第三电力电子器件S3和第四电力电子器件S4（均为3300V电压等级IGBT器件）构成的后级升降压变换电路。第二电感的参数要求根据蓄电池B充放电电流不断续的原则进行设计，第二快熔K2-1与第二接触器K2-2电压等级和电流参数按照系统最高电压和容量，并考虑一定裕度后确定。
下面结合结构示意图及假设工作环境对此系统进行进一步说明。必须强调的是此工作环境仅为详细的说明此系统。假设超级电容可承受冲击电流为1000A，超级电容额定电压为1500V,蓄电池额定充放电电流80A，最大充放电电流150A。
如图3所示为系统在瞬间大功率吸收能量时的工作状态示意图。当矿车制动时，外部直流母线首先将出现突然的电压升高，并产生很大的制动电流。如果制动电流大于150A，若直接向蓄电池充电，对蓄电池的冲击将会很大，影响蓄电池寿命。因此设定此时系统进入如图3（a）所示的状态。制动能量通过S1的反并联二极管直接向超级电容充电，吸收能量的同时避免了大电流对蓄电池的冲击。当制动初始时间段结束后，制动的电压和电流将会逐渐降低，在制动电流小于150A之后，系统将工作在图3（b）所示的状态，通过PI控制算法控制开关器件S2工作在脉宽调制状态，将制动过程后期的能量加以高效吸收。进而整个系统进入到如图4所示的工作状态。如果初始制动电流小于150A，则系统直接进入如图4所示工作状态。
如图4所示为系统在正常状态下吸收能量时的工作状态示意图。此时制动电流维持在60~100A，可以直接向蓄电池充电，此时通过PI控制算法控制第二电力电子器件S2和第三电力电子器件S3，使得前级电路工作在升压状态，维持超级电容C两端电压稳定，后级电路工作在降压状态，对蓄电池B进行充电。若超级电容C两端电压超过1500V，则持续对第三电力电子器件S3进行控制，保持后级电路的降压状态，直至超级电容C电压维持在1500V，为下次充电过程做准备。
如图5所示为瞬间大功率释放能量时的工作状态示意图，此过程中，前级电路通过PI控制算法控制第一电力电子器件S1使得前级电路工作在降压状态，将能量回馈至外部直流母线系统。此过程中，外部能量缺口过大，若放电电流需超过150A，则用超级电容C可以实现此电流的释放。大电流缺口补偿之后，如果需要持续稳定的释放能量，系统则进入如图6所示的工作状态。
如图6所示为正常状态下释放能量时的工作状态示意图。此过程中，前级电路通过PI控制算法控制第一电力电子器件S1使得电路工作在降压状态，将能量回馈至外部直流母线系统。后级电路通过PI控制算法控制第四电力电子器件S4使得电路工作在升压状态，将蓄电池B的能量经过第三电力电子器件S3的反并联二极管输送至D+、D-，并且维持超级电容C两端的电压稳定在1500V。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.利用两级串联结构的超级电容与蓄电池混合储能系统实现的能量吸收与释放的方法，其特征在于：
两级串联结构的超级电容与蓄电池混合储能系统包括：与外部系统直流母线连接的第一开关K1和第一电感L1；连接在第一开关K1和第一电感L1之后的前级双向升降压变换电路；连接在前级双向升降压变换电路之后直流母线之间的超级电容C；与超级电容C串联的第四开关K4和预充电电路；连接在超级电容C之后直流母线之间的后级双向升降压变换电路；连接在后级双向升降压变换电路之后直流母线之间的蓄电池B，以及与蓄电池B相互串联的第二开关K2和第二电感L2；
所述的前级双向升降压变换电路由第一电力电子器件S1和第二电力电子器件S2构成；所述的后级双向升降压变换电路由第三电力电子器件S3和第四电力电子器件S4构成；
本方法包括以下步骤：
当本系统处于能量吸收状态时：1）当外部系统直流母线产生能量回馈时，若有瞬间浪涌电流的冲击，直接通过第二电力电子器件S2对超级电容C进行充电；2）当浪涌结束后或者充电过程不存在浪涌电流的冲击，对第二电力电子器件S2进行PWM控制，使得前级双向升降压变换电路工作在升压状态，对能量进行吸收；后级双向升降压变换电路则通过PWM控制第三电力电子器件S3构成降压电路，向蓄电池充电； 3）在充电控制结束时，若超级电容C的电压高于额定值，后级双向升降压变换电路持续通过PWM控制第三电力电子器件S3构成降压电路，直到超级电容C的电压恢复到额定值，为接受下一次能量吸收做好准备；
当本系统处于能量释放状态时：1）当直流母线出现瞬间的大功率缺口时，控制第一电力电子器S1完成超级电容C向外部系统直流母线的瞬间大电流能量输送；2）当补偿大电流缺口结束或者放电过程不存在大电流缺口时，对第一电力电子器件S1进行PWM控制，使得前级双向升降压变换电路工作在降压状态，输出放电电流；后级双向升降压变换电路通过PWM控制第四电力电子器件S4构成升压电路，维持超级电容C的电压；3）在放电控制结束时，若超级电容C的电压低于额定值，后级双向升降压变换电路通过PWM控制第四电力电子器件S4构成升压电路，直到超级电容C的电压恢复到额定值，为接受下一次能量回馈做好准备。
2.根据权利要求1所述的能量吸收与释放的方法，其特征在于：所述的第一电感L1和第二电感L2均为平波电感。
3.根据权利要求1所述的能量吸收与释放的方法，其特征在于：所述的第一开关K1、第二开关K2、第四开关K4分别为断路器、接触器、负载开关或熔断器中的一种或几种的组合。
4.根据权利要求1所述的能量吸收与释放的方法，其特征在于：所述的预充电电路包括与超级电容C串联的充电开关K3，以及与充电开关K3并联的充电电阻R。
5.根据权利要求4所述的能量吸收与释放的方法，其特征在于：所述的充电开关K3为断路器、接触器、负载开关或熔断器中的一种或几种的组合。
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