CN110649690B - 直流dvr大容量超级电容锂电池混合储能系统 - Google Patents

直流dvr大容量超级电容锂电池混合储能系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种直流DVR大容量超级电容锂电池混合储能系统，该系统包括主超级电容储能模块、DVR内阻补偿装置、补偿锂电池储能模块和控制单元，DVR内阻补偿装置与主超级电容储能模块串联连接，补偿锂电池储能模块与DVR内阻补偿装置连接，控制单元分别与主超级电容储能模块、DVR内阻补偿装置和补偿锂电池储能模块连接；当主超级电容储能模块的电压小于或等于设定稳压值时，控制单元控制DVR内阻补偿装置与主超级电容储能模块相连通；当主超级电容储能模块的电压大于设定稳压值时，控制单元控制DVR内阻补偿装置与主超级电容储能模块不连通。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中储能系统在进行大电流放电时输出电压大幅度跌落的技术问题。

Description

直流DVR大容量超级电容锂电池混合储能系统
技术领域
本发明涉及电力储能和直流变换技术领域，尤其涉及一种直流DVR大容量超级电容锂电池混合储能系统。
背景技术
用于电磁弹射大电流放电时产生的电压跌落问题普遍存在于各种储能系统之中，这和储能元件的内阻和有限能量有关。面对需要大电流供电的电磁弹射负载，要求储能系统能在一定时间之内提供相当大的电流，然而由于储能元件内阻的存在，其输出电压会随着电流的增大而减小，因此可能导致储能系统的输出电压大幅度跌落。
发明内容
本发明提供了一种直流DVR大容量超级电容锂电池混合储能系统，能够解决现有技术中储能系统在进行大电流放电时输出电压大幅度跌落的技术问题。
本发明提供了一种直流DVR大容量超级电容锂电池混合储能系统，超级电容锂电池混合储能系统包括：主超级电容储能模块，主超级电容储能模块用于为储能系统提供主要能量；DVR内阻补偿装置，DVR内阻补偿装置与主超级电容储能模块串联连接；补偿锂电池储能模块，补偿锂电池储能模块与DVR内阻补偿装置连接以用于为DVR内阻补偿装置提供能量；控制单元，控制单元分别与主超级电容储能模块、DVR内阻补偿装置和补偿锂电池储能模块连接；其中，当主超级电容储能模块的电压小于或等于设定稳压值时，控制单元控制DVR内阻补偿装置与主超级电容储能模块相连通；当主超级电容储能模块的电压大于设定稳压值时，控制单元控制DVR内阻补偿装置与主超级电容储能模块不连通。
进一步地，超级电容锂电池混合储能系统还包括第一二极管，第一二极管与DVR内阻补偿装置并联设置，当主超级电容储能模块的电压小于或等于设定稳压值时，第一二极管截止以使DVR内阻补偿装置与主超级电容储能模块相连通；当主超级电容储能模块的电压大于设定稳压值时，第一二极管导通以使DVR 内阻补偿装置与主超级电容储能模块不连通。
进一步地，DVR内阻补偿装置采用Buck电路，Buck电路包括开关管、续流二极管、滤波电感和滤波电容，滤波电感、开关管以及补偿锂电池储能模块依次串联设置，滤波电容并联设置在滤波电感和补偿锂电池储能模块的两端，续流二极管并联设置在滤波电感和补偿锂电池储能模块的两端。
进一步地，主超级电容储能模块由N1个第一超级电容单体组并联组成，第一超级电容单体组由M1个第一超级电容单体串联组成，N1＝ceil(Idcmax/Irated)， M1＝ceil(Udcmax/Urated)，其中，Udcmax为超级电容锂电池混合储能系统的母线电压最大值，Idcmax为超级电容锂电池混合储能系统的母线电流最大值，Urated为第一超级电容单体的额定电压，Irated为第一超级电容单体的额定放电电流，ceil()为向上取整函数。
进一步地，补偿锂电池储能模块由N2个第二锂电池单体组并联组成，第二锂电池单体组由M2个第二锂电池单体串联组成，N2＝ceil(Idcmax(1+0.5*P％)/Irated')， M2＝ceil(UBuckmax(1+A％)/Urated')，其中，P％为滤波电感的电流纹波率，UBuckmax为补偿锂电池储能模块的电压最大值，Irated'为第二锂电池单体的额定放电电流， Urated'为第二锂电池单体的额定电压，A％为预估百分数，ceil()为向上取整函数。
进一步地，第二锂电池单体的串联数M2可根据以下方法进行选取，方法包括：步骤一，初步选定预估值M20；步骤二，如果M20无法使得母线电压稳定在设定稳压值时，则使M20＝M20+1；步骤三，判断此时母线电压是否能够稳定在设定稳压值，如果母线电压能够稳定在设定稳压值，则M2＝M20；如果母线电压不能够稳定在设定稳压值，则重复步骤二和步骤三。
进一步地，第二锂电池单体的串联数M2可根据以下方法进行选取，方法包括：步骤一，初步选定预估值M20’；步骤二，如果M20’能够使得母线电压稳定在设定稳压值时，则使M20’＝M20’-1；步骤三，判断此时母线电压是否能够稳定在设定稳压值，如果母线电压能够稳定在设定稳压值，则重复步骤二和步骤三；如果母线电压不能够稳定在设定稳压值，则M2＝M20’+1。
进一步地，超级电容锂电池混合储能系统还包括电流检测单元和电压检测单元，电流检测单元和电压检测单元均与控制单元连接，电流检测单元用于检测DVR内阻补偿装置的电流，电压检测单元用于分别检测主超级电容储能模块、 DVR内阻补偿装置以及补偿锂电池储能模块的电压，控制单元根据电流检测单元以及电压检测单元的检测值以对DVR内阻补偿装置进行闭环控制。
进一步地，超级电容锂电池混合储能系统还包括超级电容充电装置和锂电池充电装置，超级电容充电装置与主超级电容储能模块连接以用于为主超级电容储能模块充电，锂电池充电装置与补偿锂电池储能模块连接以用于为补偿锂电池储能模块充电。
进一步地，超级电容锂电池混合储能系统还包括超级电容管理装置和锂电池管理装置，超级电容管理装置与主超级电容储能模块连接以用于对主超级电容储能模块运行状况进行监控与管理，锂电池管理装置与补偿锂电池储能模块连接以用于对补偿锂电池储能模块运行状况进行监控与管理。
应用本发明的技术方案，提供了一种直流DVR大容量超级电容锂电池混合储能系统，该储能系统通过增加DVR内阻补偿装置，使DVR内阻补偿装置和主超级电容储能模块串联设置，以实现对储能系统在大电流放电过程中由超级电容内阻引起的压降和能量释放造成的电压跌落的补偿，使储能系统的输出电压稳定在一定范围之内，以保证负载的正常工作。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明的具体实施例提供的直流DVR大容量超级电容锂电池混合储能系统的结构示意图；
图2示出了根据本发明的具体实施例提供的直流DVR大容量超级电容锂电池混合储能系统的主电路原理图；
图3示出了根据本发明的具体实施例提供的直流DVR大容量超级电容锂电池混合储能系统的直流电压波形示意图；
图4示出了根据本发明的具体实施例提供的主超级电容储能模块以及补偿锂电池储能模块组成数量选取的流程图；
图5示出了根据本发明的具体实施例提供的直流DVR大容量超级电容锂电池混合储能系统闭环控制的原理图；
图6示出了根据本发明的具体实施例提供的直流DVR大容量超级电容锂电池混合储能系统工作模式判断的流程图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、主超级电容储能模块；20、DVR内阻补偿装置；21、开关管；22、续流二极管；23、滤波电感；24、滤波电容；30、补偿锂电池储能模块；40、控制单元；50、第一二极管；60、电流检测单元；70、电压检测单元；80、超级电容充电装置；90、锂电池充电装置；100、超级电容管理装置；110、锂电池管理装置。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
如图1至图6所示，根据本发明的具体实施例提供了一种直流DVR大容量超级电容锂电池混合储能系统，该超级电容锂电池混合储能系统包括主超级电容储能模块10、DVR内阻补偿装置20、补偿锂电池储能模块30和控制单元40，主超级电容储能模块10用于为储能系统提供主要能量，DVR内阻补偿装置20与主超级电容储能模块10串联连接，补偿锂电池储能模块30与DVR内阻补偿装置20连接以用于为DVR内阻补偿装置20提供能量，控制单元40分别与主超级电容储能模块10、DVR内阻补偿装置20和补偿锂电池储能模块30连接；其中，当主超级电容储能模块10的电压小于或等于设定稳压值时，控制单元40控制 DVR内阻补偿装置20与主超级电容储能模块10相连通；当主超级电容储能模块 10的电压大于设定稳压值时，控制单元40控制DVR内阻补偿装置20与主超级电容储能模块10不连通。
应用此种配置方式，提供了一种直流DVR大容量超级电容锂电池混合储能系统，该储能系统通过增加DVR内阻补偿装置(DVR，Dynamic Voltage Regulator)，使DVR内阻补偿装置和主超级电容储能模块串联设置，以实现对储能系统在大电流放电过程中由超级电容内阻引起的压降和能量释放造成的电压跌落的补偿，使储能系统的输出电压稳定在一定范围之内，以保证负载的正常工作。作为本发明的一个具体实施例，可将本发明的直流DVR大容量超级电容锂电池混合储能系统用于电磁弹射大电流放电的工作场合，以保证输出直流电压的稳定性。
此外，在各种储能元件中，超级电容是一种介于传统电容和普通电池之间的元件。它通过极化电解质储能，储能过程中不发生化学反应，储能过程可逆，可进行数十万次充放电。和普通蓄电池相比，超级电容等效串联电阻(ESR)较小，充电到电容容量的95％仅需几秒。其循环使用次数高达50万次，是普通锂离子电池的500倍，是镍镉电池的1000倍。超级电容可进行大电流放电，并有较小的放电损耗，放电效率高。电容内不会因为充放电不均而产生结晶使使用时间缩短，因此无“记忆效应”。具有较好的低温性能，最低可工作在-40℃，而普通电池最低仅能工作在-20℃。
然而，超级电容的缺点在于，其和电池相比，能量密度低，电容体积大，所以在特斯拉、丰田、北汽等电动汽车仍采用锂电池或镍氢电池提供能量。锂离子电池一般使用锂金属氧化物作为正极材料，如酸铁锂、锰酸锂、三元等，石墨作为负极材料。锂电池目前广泛应用于水力，火力，风能和太阳能等储能系统，通信设备的不间断电源，电动工具，电动交通工具，军事装备，航空航天等诸多军民领域。其具有以下优点：体积小，重量轻，能量密度高，可达到 460至600Wh/Kg。锂电池使用寿命长，一般可达到6年以上，额定电压高，单体电压3.2V或3.7V，相当于3只镍氢电池串联；具备高放电倍率能力，其中电动汽车用的磷酸铁锂电池放电倍率可达到数十C，可用于瞬时大电流充放电场合；自放电率低，可做到不超过1％/月；绿色环保，生产，使用和报废过程，均不含有、也不产生铅汞等有害重金属元素和物质。由于以上优点，锂离子电池十分适合应用在能量密度要求高，体积受限的电力储能场合中。基于此，在本发明中，为了实现储能装置的大电流放电，主超级电容储能模块10采用超级电容，补偿锂电池储能模块30的储能元件采用锂电池，此种方式能够充分利用两种储能元件的优点，使得储能系统在进行大电流放电时保持输出电压稳定。
进一步地，在本发明中，为了保证储能系统在进行大电流放电时输出直流电压稳定，可将超级电容锂电池混合储能系统配置为还包括第一二极管50，第一二极管50与DVR内阻补偿装置20并联设置，当主超级电容储能模块10的电压小于或等于设定稳压值时，第一二极管50截止以使DVR内阻补偿装置20与主超级电容储能模块10相连通；当主超级电容储能模块10的电压大于设定稳压值时，第一二极管50导通以使DVR内阻补偿装置20与主超级电容储能模块 10不连通。
应用此种配置方式，当主超级电容储能模块10的电压小于或等于设定稳压值时，此时储能装置的输出电流增大，第一二极管50截止以使DVR内阻补偿装置20与主超级电容储能模块10相连通，DVR内阻补偿装置20开始工作以使储能装置的输出电压稳定在要求范围之内。当主超级电容储能模块10的电压大于设定稳压值时，此时储能装置的输出电流较小，第一二极管50导通以使DVR内阻补偿装置20与主超级电容储能模块10不连通，DVR内阻补偿装置20不工作，主超级电容储能模块10通过第一二极管50形成回路为负载供电。此种方式能够保证DVR内阻补偿装置20不工作时主超级电容储能模块10能够正常工作。
进一步地，在本发明中，为了在主超级电容储能模块的电压小于或等于设定稳压值时弥补主超级电容储能模块的压降，可将DVR内阻补偿装置20配置为采用Buck电路，Buck电路包括开关管21、续流二极管22、滤波电感23和滤波电容24，滤波电感23、开关管21以及补偿锂电池储能模块30依次串联设置，滤波电容24并联设置在滤波电感23和补偿锂电池储能模块30的两端，续流二极管22并联设置在滤波电感23和补偿锂电池储能模块30的两端。
应用此种配置方式，当主超级电容储能模块10的电压小于或等于设定稳压值时，如图2所示，开关管开通，补偿锂电池储能模块30放电，Buck电路的输入电流与输出电流相同，滤波电感23处于充电过程，电感电流逐渐上升，而当主超级电容储能模块10的电压大于设定稳压值时，开关管关断，补偿锂电池储能模块30开路，滤波电感23放电与滤波电容24一起向输出侧放电，经过第一二极管50续流，电感电流逐渐下降。在此过程中，补偿锂电池储能模块30的输出电流与电感电流具有相同的峰值，设滤波电感23的电感电流纹波率为P％，母线电流最大值为Idcmax，则补偿锂电池储能模块30的输出电流峰值为 Idcmax(1+0.5*P％)。
进一步地，在本发明中，DVR内阻补偿装置20一般采用DCDC变换器来实现，作为本发明的其他实施例，DVR内阻补偿装置20也可采用Boost或Buck-Boost 等电路。此外，在本发明中，常见的开关管器件有IGBT和功率MOSFET，虽然 MOSFET导通压降较低，开关频率较高，但其耐压和额定电流值较低，无法满足大容量电力储能场合的应用要求，因此在本发明中开关管器件优先选用IGBT。
进一步地，图3示出了直流DVR大容量超级电容锂电池混合储能系统的直流电压波形示意图。具体地，DVR内阻补偿装置20采用Buck电路，在0至t1时间内，忽略第一二极管50的导通压降，母线电压UDC等于主超级电容储能模块的端电压UC1，随着大功率放电的进行，母线电压UDC迅速下降，至t1时刻降低至系统设计要求的稳压值Uref，此时补偿锂电池储能模块30开始释放能量，经过 Buck电路的降压斩波，输出电压UBuck，用以弥补主超级电容储能模块10因为自身内阻、线路阻抗和向负载供电而导致的压降，而使母线电压动态维持在Uref，直至t2时刻结束，完成储能装置一次完整的放电过程。
其中，在t1至t2时间内，母线电压UDC等于主超级电容储能模块10端电压与Buck输出电压UBuck之和，续流二极管22由于承受反压而截止，则Buck输出与主超级电容储能模块10串联，Buck输出电流即电感电流，其与母线电流相同，其变化趋势受负载侧需求影响。Buck电路在工作过程中，其输入电压，即补偿锂电池储能模块30的端电压由于放电不断下降，至t2时刻将至最低，但由于Buck 的拓扑约束，仍不低于此时的UBuck。Buck输入电流由于开关管的高频开关，呈斩波形式。
进一步地，在本发明中，考虑实现的简便性及成本，如图4所示，可将主超级电容储能模块10配置为由N1个第一超级电容单体组并联组成，第一超级电容单体组由M1个第一超级电容单体串联组成，N1＝ceil(Idcmax/Irated)， M1＝ceil(Udcmax/Urated)，其中，Udcmax为超级电容锂电池混合储能系统的母线电压最大值，Idcmax为超级电容锂电池混合储能系统的母线电流最大值，Urated为第一超级电容单体的额定电压，Irated为第一超级电容单体的额定放电电流，ceil()为向上取整函数。
此外，在本发明中，如图4所示，补偿锂电池储能模块30由N2个第二锂电池单体组并联组成，第二锂电池单体组由M2个第二锂电池单体串联组成。由于补偿锂电池储能模块30的输出电流峰值为Idcmax(1+0.5*P％)，由于补偿锂电池储能模块在Buck工作时，其端电压不断下降，这里以百分数A％来估计其放电过程中的压降。具体地，N2＝ceil(Idcmax(1+0.5*P％)/Irated')， M2＝ceil(UBuckmax(1+A％)/Urated')，其中，P％为滤波电感23的电流纹波率，UBuckmax为补偿锂电池储能模块30的电压最大值，Irated'为第二锂电池单体的额定放电电流，Urated'为第二锂电池单体的额定电压，A％为预估百分数，ceil()为向上取整函数。
进一步地，在本发明中，由于准确的超级电容模型难以得到，负载侧需求导致的母线电流变化也要依据据实际情况得到，因此本实施例中采用仿真和实验验证的方式来确定M2。其中，为了尽量减少所需超级电容单体的数量，减小系统体积，降低成本，提高功率密度，第二锂电池单体的串联数M2可根据以下两种方法进行选取。
第一种方法包括：步骤一，初步选定预估值M20；步骤二，如果M20无法使得母线电压稳定在设定稳压值时，则使M20＝M20+1；步骤三，判断此时母线电压是否能够稳定在设定稳压值，如果母线电压能够稳定在设定稳压值，则M2＝M20；如果母线电压不能够稳定在设定稳压值，则重复步骤二和步骤三。在此种配置方式下，如果初步选取的预估值M2不够满足0至t2时间内，母线电压稳定在参考值Uref，则证明该串联数M2不满足要求，令M2＝M2+1，向上查找满足稳压要求的串联数，直至找到满足要求的M2为止。
第二种方法包括：步骤一，初步选定预估值M20’；步骤二，如果M20’能够使得母线电压稳定在设定稳压值时，则使M20’＝M20’-1；步骤三，判断此时母线电压是否能够稳定在设定稳压值，如果母线电压能够稳定在设定稳压值，则重复步骤二和步骤三；如果母线电压不能够稳定在设定稳压值，则 M2＝M20’+1。在此种配置方式下，如果初步选取的M2能够使储能系统实现稳压，证明该串联数M2满足要求，令M2＝M2-1，向下试图寻找满足要求的最小串联数，直到M2不能满足要求为止，则此时的(M2+1)即为刚好满足要求的串联数。
由此，根据以上两种方法即可完成主超级电容储能模块10的第一超级电容单体组的并联数N1、第一超级电容单体的串联数M1、补偿锂电池储能模块30 的第二锂电池单体组的并联数N2、第二锂电池单体的串联数M2的确定。
进一步地，在本发明中，超级电容锂电池混合储能系统还包括电流检测单元60和电压检测单元70，电流检测单元60和电压检测单元70均与控制单元 40连接，电流检测单元60用于检测DVR内阻补偿装置20的电流，电压检测单元70用于分别检测主超级电容储能模块10、DVR内阻补偿装置20以及补偿锂电池储能模块30的电压，控制单元40根据电流检测单元60以及电压检测单元 70的检测值以对DVR内阻补偿装置20进行闭环控制。
在此种配置方式下，储能系统采用电压外环以及电流内环的双闭环控制方式，其中电压外环、电流内环分别以母线电压、电感电流作为控制量，实施例中所采用的闭环控制原理如图5所示。具体地，将主超级电容储能模块的端电压、补偿锂电池储能模块的端电压以及DVR内阻补偿装置的输出电压分别经过直流电压采样电路及低通滤波处理，滤除电压信号中的高频谐波，得到UC1、UC2、 UBuck。电感电流经过直流电流采样电路及低通滤波处理，滤除电流信号中的高频谐波，得到IL。其中滤波处理包括硬件电路的模拟滤波和软件程序中的数字滤波，本实施例中软件和硬件滤波均使用。在分别获取了电压信号及电流信号之后，将UC1，UC2，UBuck和IL送入控制单元40进行处理。
为了对本发明有进一步地了解，下面结合图5和图6对本发明储能系统的闭环控制进行详细说明。首先主超级电容储能模块的端电压UC1经过DVR使能环节，以判定DVR是否投入工作，确定储能系统处于何种工作模式下，具体判断流程如图6所示。当UC1<Uref，表明母线电压跌落至Uref以下，则DVR应开始运行并补偿电压跌落，使能环节输出为1。当UC1>Uref，表明母线电压仍高于Uref，DVR 无需工作，使能环节输出为0。使能环节需实时判断，直到储能系统一次完整放电过程结束。本实施例中电压调节器和电流调节器均采用比例积分(PI)调节器实现，比例(P)部分实现反馈量对参考量的快速跟踪，积分部分(I)保证稳态时反馈与参考量无静差。
具体地，以Uref作为电压外环的理想参考量，UC1与UBuck之和作为母线电压的实际反馈量，二者作差后，与使能环节输出结果相乘，作为输入信号，送入电压PI调节器的处理，调节器带有限幅环节，其输出上下限分别为电感电流的最大值和最小值，即Idcmax和0。以电压调节器的输出作为电流内环的参考量，采样得到的IL作为电流内环的反馈量，二者作差后，送入电流PI调节器处理，输出为占空比信号，调节器带有限幅环节，其上下限分别为占空比的最大值和最小值，即1和0。电流调节器输出的占空比与三角载波比较得到开关管的PWM信号，经过隔离驱动电路，实现对Buck电路及整个储能装置的控制。由此即可完成用于电磁弹射的直流DVR大容量超级电容锂电池混合储能系统的闭环控制。
进一步地，在本发明中，为了能够实现储能系统的持续运行，可将超级电容锂电池混合储能系统配置为还包括超级电容充电装置80和锂电池充电装置 90，超级电容充电装置80与主超级电容储能模块10连接以用于为主超级电容储能模块10充电，锂电池充电装置90与补偿锂电池储能模块30连接以用于为补偿锂电池储能模块30充电。
此外，在本发明中，为了便于人机交互以及保证各电池单体间的电压平衡，可将超级电容锂电池混合储能系统配置为还包括超级电容管理装置100和锂电池管理装置110，超级电容管理装置100与主超级电容储能模块10连接以用于对主超级电容储能模块10运行状况进行监控与管理，锂电池管理装置110与补偿锂电池储能模块30连接以用于对补偿锂电池储能模块30运行状况进行监控与管理。具体地，在本发明中，主超级电容储能模块10的运行状况包括主超级电容储能模块10的电压、电流和温度，补偿锂电池储能模块30的运行状况包括补偿锂电池储能模块30的电压、电流和温度。
为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1至图6对本发明的直流DVR 大容量超级电容锂电池混合储能系统进行详细说明。
如图1至图6所示，根据本发明的具体实施例提供了一种用于电磁弹射的直流DVR大容量超级电容锂电池混合储能系统，该储能系统包括主超级电容储能模块10、DVR内阻补偿装置20、补偿锂电池储能模块30、控制单元40、第一二极管50、电流检测单元60、电压检测单元70、超级电容充电装置80、锂电池充电装置90、超级电容管理装置100和锂电池管理装置110，主超级电容储能模块10、DVR内阻补偿装置20、补偿锂电池储能模块30、超级电容管理装置 100、锂电池管理装置110、超级电容充电装置80和锂电池充电装置90共同构成了超级电容锂电池混合储能系统的主拓扑。
其中，主超级电容储能模块10采用超级电容作为基本储能单元，补偿锂电池储能模块30采用锂电池作为基本储能单元，根据储能系统母线电压最大值和母线电流最大值及能量的要求对超级电容单体和锂电池单体进行适当的串并联组合，以满足系统大容量的应用要求。DVR内阻补偿装置20与第一二极管50并联，再与主超级电容储能模块10串联，当DVR内阻补偿装置20工作时，其输出电流与母线电流相同，根据负载侧需求而变化。超级电容管理装置100对主超级电容储能模块10的电压、电流和温度等进行监测和均压控制，锂电池管理装置110对补偿锂电池储能模块30的电压、电流和温度等进行监测和均压控制，此种方式一方面便于人机交互，另一方面保证各超级电容和锂电池单体间的电压平衡，有利于系统稳定和延长寿命。
超级电容充电装置80和锂电池充电装置90用于在储能系统运行间歇期间分别对主超级电容储能模块10和补偿锂电池储能模块30进行充电，以保证系统下次运行所需的能量。电压检测单元70对储能系统输出电压进行采样，并将其采集到的电压模拟量通过模数转换变为数字量，并送入控制单元40。同理，电流检测单元60完成对DVR内阻补偿装置20中的电感电流采样，并将数据送给控制单元40，以完成对DVR补偿装置20的控制。控制单元40根据检测到的各种数据，对DVR内阻补偿装置20进行闭环控制，达到稳定输出电压的效果。
综上所述，本发明针对储能系统大电流放电时产生的电压跌落问题，提出了一种直流DVR稳压技术，将DVR内阻补偿装置与锂电池结合使用。其储能元件采用超级电容加锂电池的组合方案，充分利用两种储能元件的优点。通过双闭环方式，控制锂电池和超级电容的放电，在系统发生电压跌落时，由DVR内阻补偿装置实现输出电压的补偿，达到稳定输出电压的目的。该系统具有在特殊充放电工况和大储能要求的前提下，满足维持系统供电电压相对稳定的特性。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种直流DVR大容量超级电容锂电池混合储能系统，其特征在于，所述超级电容锂电池混合储能系统包括：
主超级电容储能模块(10)，所述主超级电容储能模块(10)用于为储能系统提供主要能量；
DVR内阻补偿装置(20)，所述DVR内阻补偿装置(20)与所述主超级电容储能模块(10)串联连接；
补偿锂电池储能模块(30)，所述补偿锂电池储能模块(30)与所述DVR内阻补偿装置(20)连接以用于为所述DVR内阻补偿装置(20)提供能量；
控制单元(40)，所述控制单元(40)分别与所述主超级电容储能模块(10)、所述DVR内阻补偿装置(20)和所述补偿锂电池储能模块(30)连接；
其中，当所述主超级电容储能模块(10)的电压小于或等于设定稳压值时，所述控制单元(40)控制所述DVR内阻补偿装置(20)与所述主超级电容储能模块(10)相连通；当所述主超级电容储能模块(10)的电压大于设定稳压值时，所述控制单元(40)控制所述DVR内阻补偿装置(20)与所述主超级电容储能模块(10)不连通；
所述主超级电容储能模块(10)由N1个第一超级电容单体组并联组成，所述第一超级电容单体组由M1个第一超级电容单体串联组成，N1＝ceil(Idcmax/Irated)，M1＝ceil(Udcmax/Urated)，其中，Udcmax为超级电容锂电池混合储能系统的母线电压最大值，Idcmax为超级电容锂电池混合储能系统的母线电流最大值，Urated为第一超级电容单体的额定电压，Irated为第一超级电容单体的额定放电电流，ceil()为向上取整函数。
2.根据权利要求1所述的直流DVR大容量超级电容锂电池混合储能系统，其特征在于，所述超级电容锂电池混合储能系统还包括第一二极管(50)，所述第一二极管(50)与所述DVR内阻补偿装置(20)并联设置，当所述主超级电容储能模块(10)的电压小于或等于设定稳压值时，所述第一二极管(50)截止以使所述DVR内阻补偿装置(20)与所述主超级电容储能模块(10)相连通；当所述主超级电容储能模块(10)的电压大于设定稳压值时，所述第一二极管(50)导通以使所述DVR内阻补偿装置(20)与所述主超级电容储能模块(10)不连通。
3.根据权利要求2所述的直流DVR大容量超级电容锂电池混合储能系统，其特征在于，所述DVR内阻补偿装置(20)采用Buck电路，所述Buck电路包括开关管(21)、续流二极管(22)、滤波电感(23)和滤波电容(24)，所述滤波电感(23)、所述开关管(21)以及所述补偿锂电池储能模块(30)依次串联设置，所述滤波电容(24)并联设置在所述滤波电感(23)和所述补偿锂电池储能模块(30)的两端，所述续流二极管(22)并联设置在所述滤波电感(23)和所述补偿锂电池储能模块(30)的两端。
4.根据权利要求3所述的直流DVR大容量超级电容锂电池混合储能系统，其特征在于，所述补偿锂电池储能模块(30)由N2个第二锂电池单体组并联组成，所述第二锂电池单体组由M2个第二锂电池单体串联组成，N2＝ceil(Idcmax(1+0.5*P％)/Irated')，M2＝ceil(UBuckmax(1+A％)/Urated')，其中，P％为所述滤波电感(23)的电流纹波率，UBuckmax为所述补偿锂电池储能模块(30)的电压最大值，Irated'为第二锂电池单体的额定放电电流，Urated'为第二锂电池单体的额定电压，A％为预估百分数，ceil()为向上取整函数。
5.根据权利要求4所述的直流DVR大容量超级电容锂电池混合储能系统，其特征在于，第二锂电池单体的串联数M2可根据以下方法进行选取，所述方法包括：
步骤一，初步选定预估值M20；
步骤二，如果M20无法使得母线电压稳定在设定稳压值时，则使M20＝M20+1；
步骤三，判断此时母线电压是否能够稳定在设定稳压值，如果母线电压能够稳定在设定稳压值，则M2＝M20；如果母线电压不能够稳定在设定稳压值，则重复步骤二和步骤三。
6.根据权利要求4所述的直流DVR大容量超级电容锂电池混合储能系统，其特征在于，第二锂电池单体的串联数M2可根据以下方法进行选取，所述方法包括：
步骤一，初步选定预估值M20’；
步骤二，如果M20’能够使得母线电压稳定在设定稳压值时，则使M20’＝M20’-1；
步骤三，判断此时母线电压是否能够稳定在设定稳压值，如果母线电压能够稳定在设定稳压值，则重复步骤二和步骤三；如果母线电压不能够稳定在设定稳压值，则M2＝M20’+1。
7.根据权利要求1所述的直流DVR大容量超级电容锂电池混合储能系统，其特征在于，所述超级电容锂电池混合储能系统还包括电流检测单元(60)和电压检测单元(70)，所述电流检测单元(60)和所述电压检测单元(70)均与所述控制单元(40)连接，所述电流检测单元(60)用于检测所述DVR内阻补偿装置(20)的电流，所述电压检测单元(70)用于分别检测所述主超级电容储能模块(10)、所述DVR内阻补偿装置(20)以及所述补偿锂电池储能模块(30)的电压，所述控制单元(40)根据所述电流检测单元(60)以及所述电压检测单元(70)的检测值以对所述DVR内阻补偿装置(20)进行闭环控制。
8.根据权利要求1所述的直流DVR大容量超级电容锂电池混合储能系统，其特征在于，所述超级电容锂电池混合储能系统还包括超级电容充电装置(80)和锂电池充电装置(90)，所述超级电容充电装置(80)与所述主超级电容储能模块(10)连接以用于为所述主超级电容储能模块(10)充电，所述锂电池充电装置(90)与所述补偿锂电池储能模块(30)连接以用于为所述补偿锂电池储能模块(30)充电。
9.根据权利要求8所述的直流DVR大容量超级电容锂电池混合储能系统，其特征在于，所述超级电容锂电池混合储能系统还包括超级电容管理装置(100)和锂电池管理装置(110)，所述超级电容管理装置(100)与所述主超级电容储能模块(10)连接以用于对所述主超级电容储能模块(10)运行状况进行监控与管理，所述锂电池管理装置(110)与所述补偿锂电池储能模块(30)连接以用于对所述补偿锂电池储能模块(30)运行状况进行监控与管理。
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