CN108964234A - 一种超级电容压力发电储能控制系统 - Google Patents

一种超级电容压力发电储能控制系统 Download PDF

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陈坤华
黄永红
张新华
张东梅
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Jiangsu University
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices

Abstract

本发明公开了一种超级电容压力发电储能控制系统，包括压力发电单元、降压控制单元、超级电容、第二电压检测单元、脉宽调制单元与第一电压检测单元，通过第一电压检测单元获得压力发电单元的输出电压并传送给脉宽调制单元，通过第二电压检测单元检测获得超级电容的母线电压并传送给脉宽调制单元，脉宽调制单元根据两个电压检测单元的电压控制降压控制单元，压力发电单元通过降压控制单元向超级电容充电。本发明通过超级电容收集压力发电单元输出的电能，充分结合压力装置发电的瞬时性与超级电容的瞬时大功率吸收特性，能量吸收效率提高；充分考虑压力发电单元的电压与超级电容的母线电压值，确保低频、大应力场压力发电单元发电量的快速吸收。

Description

一种超级电容压力发电储能控制系统
技术领域
本发明涉及一种压力发电系统，更具体地说，涉及一种超级电容压力发电储能控制系统，属于新能源发电领域，本发明适用于行人和汽车等瞬态动能回收利用的应用场合。
背景技术
压力发电装置在外力交变作用下产生电荷，具有体积小、结构简单，无电磁干扰等特点，可以铺设在步行街、车库出入口、高速公路等路面，收集行人和汽车运行过程中的动能，符合人们对能源需求不断增长以及对环境保护日益加强需求，在离网式压力发电装置中具有良好的应用前景。
由于压力发电的低频、快速与幅值变化剧烈等特性，发电电能的收集与存储是压力发电装置亟需解决的问题之一，如何快速、稳定和高效的的收集压力发电电能是本领域技术人员正在面对的技术难题。
为了保证超级电容能够适应压力发电单元输出电压的变化，同时考虑超级电容的母线电压，亟需针对上述的压力发电装置设计一款快速和高效的储能控制系统。超级电容压力发电储能控制系统的研究与开发，为压力发电这一新能源发电装置能量的快速采集、高效能量回收探索新的路径。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超级电容压力发电储能控制系统，采用本发明的技术方案，通过降压控制单元的开通和关断控制压力发电单元的电压，通过超级电容吸收压力发电单元输出的电能，结合压力装置发电的瞬时性与超级电容的瞬时大功率吸收特性，并充分考虑超级电容的充电和母线电压要求，在吸收压力发电电能的同时保证超级电容母线电压在安全运行范围内，满足系统安全性、稳定性和电能吸收的快速性要求，储能控制系统运行频率高、自损耗小，适用于离网式压力发电装置的能量快速采集、高效能量回收等应用场合。
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种超级电容压力发电储能控制系统，包括压力发电单元、降压控制单元、超级电容、脉宽调制单元，所述的所述的脉宽调制单元接收压力发电单元的输出电压和超级电容的母线电压，并根据压力发电单元的输出电压和超级电容的母线电压控制降压控制单元，所述的压力发电单元通过降压控制单元向超级电容充电。
进一步地，该系统还包括第一电压检测单元和第二电压检测单元，所述的第一电压检测单元获得压力发电单元的输出电压，所述的第二电压检测单元获得超级电容的母线电压并传送给脉宽调制单元，当压力发电单元的输出电压大于超级电容的母线电压时，压力发电单元的输出电压传送给脉宽调制单元。
进一步地，该系统包括压力发电元件Upg、整流电路、开关管k2、二极管D1、电感L和超级电容Usu，所述压力发电元件Upg、开关管k2、电感L、超级电容Usu、压力发电元件Usu依次连接成闭合回路，所述压力发电元件Upg的两端连接有整流电路，所述电感L的输入端和压力发电元件Upg的输入端之间设置有二极管D1。
进一步地，所述压力发电元件Upg由m组支路通过并联组合而成，即，Upg,11至Upg,n1共n个单元形成第一组串联支路，Upg,12至Upg,n2共n个单元形成第二组串联支路，Upg,1m至Upg,nm共n个单元形成第m组串联支路。
进一步地，所述的降压控制单元的控制方法为：
(a)当压力发电元件Upg有电压输出时，在0～DTs时间段内，经整流电路，t＝0时刻，开关管k2导通，压力发电元件Upg输出电压通过开关管k2加到电感L和超级电容Usu上，二极管D1截止；在一个开关周期中压力发电元件Upg输出电压保持不变，通过电感L中的电流向超级电容Usu充电；
(b)当压力发电元件Upg有电压输出时，在t＝DTs时刻，开关管k2关断，电感L通过二极管D1续流，并向超级电容Usu充电；
(c)当压力发电元件Upg有电压输出时，在t＝Ts时刻，开关管k2又导通，超级电容Usu开始新的充电周期。
进一步地，当压力发电元件Upg的输出电压动态变化时，所述的DTs时刻中的D值随着压力发电元件Upg输出电压幅值大小而变化，且0<D<1。
进一步地，压力发电单元中的压力发电元件数量、材料、排布、外形均根据实际需要确定；压力发电单元的输出电压与受力可根据实际需要确定。
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种超级电容压力发电储能控制系统，通过降压控制单元的开通和关断控制压力发电单元的输出电压，满足超级电容的充电要求，保证了压力发电单元对超级电容的有效充电，结合压力装置发电的瞬时性与超级电容的瞬时大功率吸收特性，并充分考超级电容的母线电压运行范围，储能控制系统运行频率高、自损耗小，适用于离网式压力发电装置的能量快速采集、高效能量回收等应用场合；
(2)本发明的一种超级电容压力发电储能控制系统，其降压控制单元的控制规则满足超级电容的充电要求，兼顾了超级电容的母线电压运行范围，确保低频、大应力场压力发电单元发电量的快速吸收，同时满足储能控制系统安全性和稳定性要求。
附图说明
图1为本发明的一种超级电容压力发电储能控制系统的原理框图；
图2为本发明的压力发电单元的压力发电元件阵列图；
图3为本发明的降压控制单元电路图；
示意图中的标号说明：
1、压力发电单元；2、降压控制单元；3、超级电容；4、第二电压检测单元；5、脉宽调制单元；6、第一电压检测单元。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。
本发明的一种超级电容压力发电储能控制系统，通过降压控制单元的开通和关断控制压力发电单元的电压，通过超级电容吸收压力发电单元输出的电能，结合压力装置发电的瞬时性与超级电容的瞬时大功率吸收特性，并充分考虑超级电容的充电和母线电压要求，在吸收压力发电电能的同时保证超级电容母线电压在安全运行范围内，满足系统安全性、稳定性与电量吸收的快速性要求，适用于离网式压力发电装置的能量快速采集、高效能量回收等应用场合。
参见图1所示，本实施例一种超级电容压力发电储能控制系统，包括压力发电单元1、降压控制单元2、超级电容3、第二电压检测单元4、脉宽调制单元5与第一电压检测单元6，该控制系统能够结合压力装置发电的瞬时性与超级电容的瞬时大功率吸收特性，充分考虑超级电容的充电和母线电压要求，在吸收压力发电电能的同时保证超级电容母线电压在安全运行范围内，满足系统安全性、稳定性与电量吸收的快速性要求。通过第一电压检测单元6获得压力发电单元1的输出电压并传送给脉宽调制单元5，通过第二电压检测单元4获得超级电容3的母线电压并传送给脉宽调制单元5，脉宽调制单元5根据压力发电单元1的输出电压和超级电容3的母线电压控制降压控制单元2，压力发电单元1通过降压控制单元2向超级电容3充电。
在本实施例中，压力发电单元的组合方法为：
压力发电单元由m组支路通过并联组合而成，Upg,11至Upg,n1共n个单元形成第一组串联支路，Upg,12至Upg,n2共n个单元形成第二组串联支路，Upg,1m至Upg,nm共n个单元形成第m组串联支路。具体如图2所示。
本实施例的电路结构如图3所示，包括压力发电元件Upg、整流电路、开关管k2、二极管D1、电感L和超级电容Usu，所述压力发电元件Upg、开关管k2、电感L、超级电容Usu、压力发电元件Usu依次连接成闭合回路，所述压力发电元件Upg的两端连接有整流电路，所述电感L的输入端和压力发电元件Upg的输入端之间设置有二极管D1。
在本实施例中，降压控制单元对超级电容的充电的控制方法为：
(a)当压力发电元件Upg有电压输出时，在0～DTs时间段内，经降压控制单元的整流电路，t＝0时刻，开关管k2导通，压力发电元件Upg输出电压通过开关管k2加到电感L和超级电容Usu上，二极管D1截止。在一个开关周期中压力发电元件Upg输出电压保持不变，通过电感L中的电流向超级电容Usu充电。
(b)当压力发电元件Upg有电压输出时，在t＝DTs时刻，开关管k2关断，电感L通过二极管D1续流，并向超级电容充电。
(c)当压力发电元件Upg有电压输出时，在t＝Ts时刻，开关管k2又导通，超级电容Usu开始新的充电周期，DTs时刻中的D值随着压力发电元件Upg输出电压幅值大小而变化，且0<D<1；DTs时刻中的Ts时间度量可以是毫秒级，符合超级电容Usu的充电性能，超级电容Usu的内阻小，充电损耗减小；满足系统安全性、稳定性与电量吸收的快速性要求，适用于离网式压力发电的能量快速采集、高效能量回收应用场合。
综上所述，本发明的一种超级电容压力发电储能控制系统，包括压力发电单元、降压控制单元、超级电容、第二电压检测单元、脉宽调制单元与第一电压检测单元，通过第一电压检测单元获得压力发电单元的输出电压并传送给脉宽调制单元，通过第二电压检测单元检测获得超级电容的母线电压并传送给脉宽调制单元，脉宽调制单元根据压力发电单元的输出电压和超级电容的母线电压控制降压控制单元，压力发电单元通过降压控制单元向超级电容充电。本储能控制系统通过超级电容收集压力发电单元输出的电能，充分结合压力装置发电的瞬时性与超级电容的瞬时大功率吸收特性，并充分考虑压力发电单元的电压与超级电容的母线电压值，确保低频、大应力场压力发电单元发电量的快速吸收，达到行人、汽车等瞬态动能回收利用的目的，可以用于离网式压力发电装置，符合世界各国对能源需求不断增长以及对环境保护日益加强的方针政策。
以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种超级电容压力发电储能控制系统，其特征在于：包括压力发电单元(1)、降压控制单元(2)、超级电容(3)、脉宽调制单元(5)，所述的所述的脉宽调制单元(5)接收压力发电单元(1)的输出电压和超级电容(3)的母线电压，并根据压力发电单元(1)的输出电压和超级电容(3)的母线电压控制降压控制单元(2)，所述的压力发电单元(1)通过降压控制单元(2)向超级电容(3)充电。
2.根据权利要求1所述的一种超级电容压力发电储能控制系统，其特征在于：还包括第一电压检测单元(6)和第二电压检测单元(4)，所述的第一电压检测单元(6)获得压力发电单元(1)的输出电压，所述的第二电压检测单元(4)获得超级电容(3)的母线电压并传送给脉宽调制单元(5)，当压力发电单元(1)的输出电压大于超级电容(3)的母线电压时，压力发电单元(1)的输出电压传送给脉宽调制单元(5)。
3.根据权利要求2所述的一种超级电容压力发电储能控制系统，其特征在于：包括压力发电元件Upg、整流电路、开关管k2、二极管D1、电感L和超级电容Usu，所述压力发电元件Upg、开关管k2、电感L、超级电容Usu、压力发电元件Usu依次连接成闭合回路，所述压力发电元件Upg的两端连接有整流电路，所述电感L的输入端和压力发电元件Upg的输入端之间设置有二极管D1。
4.根据权利要求3所述的一种超级电容压力发电储能控制系统，其特征在于：所述压力发电元件Upg由m组支路通过并联组合而成，即，Upg,11至Upg,n1共n个单元形成第一组串联支路，Upg,12至Upg,n2共n个单元形成第二组串联支路，Upg,1m至Upg,nm共n个单元形成第m组串联支路。
5.根据权利要求3或4所述的一种超级电容压力发电储能控制系统，其特征在于：所述的降压控制单元的控制方法为：
(a)当压力发电元件Upg有电压输出时，在0～DTs时间段内，经整流电路，t＝0时刻，开关管k2导通，压力发电元件Upg输出电压通过开关管k2加到电感L和超级电容Usu上，二极管D1截止；在一个开关周期中压力发电元件Upg输出电压保持不变，通过电感L中的电流向超级电容Usu充电；
(b)当压力发电元件Upg有电压输出时，在t＝DTs时刻，开关管k2关断，电感L通过二极管D1续流，并向超级电容Usu充电；
(c)当压力发电元件Upg有电压输出时，在t＝Ts时刻，开关管k2又导通，超级电容Usu开始新的充电周期。
6.根据权利要求5所述的一种超级电容压力发电储能控制系统，其特征在于：当压力发电元件Upg的输出电压动态变化时，所述的DTs时刻中的D值随着压力发电元件Upg输出电压幅值大小而变化，且0<D<1。
7.根据权利要求1或2所述的一种超级电容压力发电储能控制系统，其特征在于：压力发电单元(1)中的压力发电元件数量、材料、排布、外形均根据实际需要确定；压力发电单元(1)的输出电压与受力可根据实际需要确定。
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