CN110768237A - 具有双向三电平的混合储能系统及其中性点电压平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有双向三电平的混合储能系统及其中性点电压平衡方法，包括三电平转换电路和混合储能装置，混合储能装置包括超级电容、蓄电池控制电路和蓄电池；三电平转换电路一侧并联直流侧，另一侧依次并联超级电容单元、蓄电池控制电路和蓄电池单元；三电平转换电路用于将直流侧的输入电平转换为三电平输入混合储能装置，或将混合储能装置的输出电平转换为三电平由直流侧输出；蓄电池控制电路，用于控制蓄电池单元的充放电。两个储能器件共用一个三电平转换器，减小整个混合储能系统的体积和成本，根据电流的需求选择不同的工作电压水平，实现超级电容和蓄电池的充放电独立控制，此电路还可利用三电平特性平衡中性点电压。

Description

具有双向三电平的混合储能系统及其中性点电压平衡方法

技术领域

本发明属于微电网技术领域，涉及一种具有双向三电平的混合储能系统及其中性点电压平衡方法。

背景技术

为了提高直流微网系统的暂态和稳态性能，在直流微网中引入混合储能装置，即将两种具有互补特性的储能器件结合，目前混合储能使用最多的器件是蓄电池和超级电容。

传统的混合储能装置中每种储能器件都要单独连接一个转换器，这种结构会大大增加混合储能的体积和成本，同时导致控制策略复杂；由于储能器件在荷电状态较低时，直流母线电压与其端电压之间的压差很大，需要大电感来减小储能器件充放电电流的波动，这也会增加混合储能的体积。

目前，有针对电动汽车提出了一种新的蓄电池超级电容混合储能电路结构。这种结构减少了功率半导体数量，但其只有两个电压等级，超级电容不能有效抑制高频直流电压波动，将会导致直流母线电压调节恶化，所以，这种电路结构不适合在微电网中应用；还有人提出另外一种新的混合储能系统构型，可以部分缓解超级电容上的高电压和高频波纹，但是，电池和超级电容不能独立控制，因为直流微电网需要独立的调节和不同储能器件之间的适当协调，所以这种电路结构也不能满足微电网需求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中混合储能装置体积大、成本高且只有两个电压等级的缺点，提供一种具有双向三电平的混合储能系统及其中性点电压平衡方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明一方面，一种具有双向三电平的混合储能系统，包括三电平转换电路和混合储能装置，混合储能装置包括超级电容单元、蓄电池控制电路和蓄电池单元；三电平转换电路一侧并联直流侧，另一侧依次并联超级电容单元、蓄电池控制电路和蓄电池单元；

三电平转换电路用于将直流侧的输入电平转换为三电平输入混合储能装置，或将混合储能装置的输出电平转换为三电平由直流侧输出；

蓄电池控制电路，用于控制蓄电池单元的充放电。

本发明进一步的改进在于：

所述三电平转换电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一储能电容和第二储能电容；

第一储能电容一端连接第二储能电容一端，另一端连接直流侧正极母线和第一开关管的集电极；第二储能电容另一端连接直流侧负极母线；第一开关管的发射极连接第二开关管的集电极，第一开关管和第二开关管的连接线连接超级电容单元的正极端，第二开关管的发射极连接第三开关管的集电极，第三开关管的发射极连接第四开关管的集电极和超级电容单元的负极端，第四开关管的发射极连接第二储能电容连接直流侧负极母线的一端，第一储能电容和第二储能电容的连接线上设置中性点N，中性点N与第二开关管和第三开关管的连接线连接。

所述电平转换电路还包括滤波电感，第一开关管和第二开关管的连接线通过滤波电感连接超级电容单元的正极端。

所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管均为IGBT开关管。

所述蓄电池控制电路包括第一开关管和第二开关管；第一开关管的集电极连接超级电容单元的正极端，发射极连接第二开关管的集电极，第二开关管的发射极连接超级电容单元的负极端和蓄电池单元的负极端，第一开关管和第二开关管的连接线连接蓄电池单元的正极端。

所述电池控制电路还包括滤波电感，第一开关管和第二开关管的连接线通过滤波电感连接蓄电池单元的正极端。

所述第一开关管和第二开关管均为IGBT开关管。

所述超级电容单元包括若干个串联的超级电容，所述蓄电池单元包括若干个串联的蓄电池。

本发明另一方面，一种具有双向三电平的混合储能系统的中性点电压平衡方法，包括以下步骤：

S1：通过式(1)得到ΔV_c：

ΔV_c＝V_c1-V_c2 (1)

其中，V_c1为第一储能电容电压，V_c2为第二储能电容电压；

S2：当ΔV_c≠0时，将第一开关管和第三开关管开通，第二开关管和第四开关管断开；或者将第一开关管和第三开关管断开，第二开关管和第四开关管断开通；

S3：直至ΔV_c＝0，完成中性点电压平衡调节。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明具有双向三电平的混合储能系统，通过一个三电平转换电路连接超级电容单元和蓄电池单元两种储能器件，相较于传统的混合储能系统中每种储能器件都要单独连接一个转换器的设计，能够大大减小混合储能系统的体积和成本，也能简化控制策略；三电平转换电路的设计，可以实现三种电平的输入和输出，当储能器件在荷电状态较低时，直流侧电压与混合储能装置电压之间的压差很大时，可以用中间电平减小直流侧电压与混合储能装置电压的压差，不需要大电感来减小混合储能装置充放电电流的波动，进一步减少混合储能装置的体积和成本。同时设置蓄电池控制电路，通过蓄电池控制电路控制蓄电池充放电，实现超级电容单元和蓄电池单元两种储能器件的独立控制，蓄电池单元和超级电容单元独立控制，进而更好的协调蓄电池单元和超级电容单元的能量分配。

本发明中性点电压平衡方法，在两个电容的电压不平衡时，通过将第一开关管和第三开关管开通，第二开关管和第四开关管断开；或者将第一开关管和第三开关管断开，第二开关管和第四开关管断开通；将较大的电容放电减小，或者将较小的电容充电增大，实现两个电容的电压平衡；能够有效的抑制上下两个电容的电压不平衡而引起的中性点电压波动，确保中性点电压值的准确性。

附图说明

图1为本发明的具有双向三电平的混合储能系统拓扑图；

图2为本发明的以Vdc电平充电示意图；

图3为本发明的以Vdc/2电平充电的一种方式示意示意图；

图4为本发明的以Vdc/2电平充电的另一种方式示意图；

图5为本发明的中性点电压平衡方法流程图。

其中：1-三电平转换电路；2-超级电容；3-蓄电池控制电路；4-蓄电池。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明具有双向三电平的混合储能系统，包括三电平转换电路1和混合储能装置；三电平转换电路1，用于将直流侧的输入电平转换为三电平输入混合储能装置，或者将混合储能装置的输出电平转换为三电平；混合储能装置包括超级电容2、蓄电池控制电路3和蓄电池4；三电平转换电路1一侧依次并联超级电容2、蓄电池控制电路3和蓄电池4，蓄电池控制电路3，用于控制蓄电池4的充放电。三电平转换电路1另一侧并联直流侧，直流侧包括直流侧负极母线和直流侧正极母线。

三电平转换电路1包括四个IGBT开关管，分别是第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4，以及第一储能电容C1和第二储能电容C2，还包括第一滤波电感L1。

第一储能电容C1一端连接第二储能电容C2一端，另一端连接直流侧正极母线和第一开关管S1的集电极；第二储能电容C2另一端连接直流侧负极母线；第一开关管S1的发射极连接第二开关管S2的集电极，第一开关管S1和第二开关管S2的连接线通过第一滤波电感L1连接超级电容2的正极端，第二开关管S2的发射极连接第三开关管S3的集电极，第三开关管S3的发射极连接第四开关管S4的集电极和超级电容2的负极端，第四开关管S4的发射极连接第二储能电容C2连接直流侧负极母线的一端，第一储能电容C1和第二储能电容C2的连接线上设置中性点N，中性点N与第二开关管S2和第三开关管S3的连接线连接。

蓄电池控制电路3包括两个IGBT分别为第五开关管S5和第六开关管S6，以及第二滤波电感L2。

第五开关管S5的集电极连接超级电容2的正极端，发射极连接第六开关管S6的集电极，第六开关管S6的发射极连接超级电容2的负极端和蓄电池4的负极端，第五开关管S5和第六开关管S6的连接线通过第二滤波电感L2连接蓄电池4的正极端。

所述超级电容2可以由若干个超级电容2串并联形成的超级电容单元替代，所述蓄电池4可以采用若干个蓄电池4串并联形成的蓄电池单元替代。

本实施例中，直流母线电压为50V，第一储能电容C1和第二储能电容C2均为440μf，第一滤波电感L1为1mH，第二滤波电感L1取0.5mH，超级电容2大小选择29F，IGBT开关管选择IRGB4065型号，工作电压为300V，工作电流为70A，蓄电池选取IP5642128-4S1P型号的锂电池，充电电压为16.8V，充电电流小于2.1A。

下面介绍本发明的原理：

参见图2至4，当直流侧电平等级选择Vdc时，第一开关管S1和第四开关管S4闭合，第二开关管S2和第三开关管S3断开，第一滤波电感L1、第一开关管S1、第一储能电容C1和第二储能电容C2与第四开关管S4串联。

当直流侧电平等级选择Vdc/2时，第一开关管S1和第三开关管S3闭合，第二开关管S2和第四开关管S4断开，第一滤波电感L1、第一开关管S1、第一储能电容C1与第三开关管S3串联；或着第一开关管S1和第三开关管S3断开，第二开关管S2和第四开关管S4闭合，第一滤波电感L1、第二开关管S2、第二储能电容C2与第四开关管S4串联。

其中，图中黑色加粗的器件为此工作模式处于工作状态的器件，箭头表示电流流动方向，当混合储能装置放电时，电流方向与图中电流方向相反。

蓄电池4充电时，第五开关管S5闭合，第六开关管S6断开，第五开关管S5与第二滤波电感L2串联；蓄电池4放电时，第五开关管S5断开，第六开关管S6闭合，第六开关管S6与第二滤波电感L2串联。

选择电平的依据：根据流过电感电流的斜率来选择储能系统的充放电电平。

规定电感电流斜率计算公式为：

为保证产生连续平滑的电感电流，必须保证|V_L-V_uc|足够小，可以通过DC/DC变换器的三电平特性实现，即当

时，(1)选择

此时第一开关管S1和第三开关管S3工作，超级电容2充电；(2)选择V_L＝0，此时第一开关管S1和第三开关管S3工作。当

时，选择V_L＝V_dc，此时第二开关管S2和第四开关管S4工作。

在电路工作过程中，假定了V_C1＝V_C2＝Vdc/2，其中，V_C1为第一储能电容C1的电压，V_C2为第二储能电容C2的电压，即中性点的电压总是平衡的，但是在实际工作中，这种假设并不是成立的，V_C1和V_C2的值可能会有很大差异，所以形成了中性点电压波动，会降低储能器件的电流响应，所以必须采用中性点电压波动平衡方案有效平衡V_C1和V_C2，本发明还公开了具有双向三电平的混合储能系统的中性点电压平衡方法，参见图5，具体包括以下步骤：

(1)当时，由于

不会产生中性点电流，使用全直流母线电压V_dc，中性点电压不会受到影响，其中，V_dc为直流侧电压，V_uc为超级电容2电压。

(2)当

时，计算得到ΔV_c＝V_c1-V_c2，其中，V_c1为第一储能电容C1电压，V_c2为第二储能电容C2电压。

当ΔV_c>0时，可以通过第一储能电容C1放电来减小V_C1或者通过第二储能电容C2充电来增大V_C2使得|ΔV_c|减小为0，实现中性点电压平衡调节。

当通过第一储能电容C1放电来减小V_C1使得|ΔV_c|减小时，i_L1>0，储能装置充电，第一开关管S1和第三开关管S3开通，第二开关管S2和第四开关管S4断开，至|ΔV_c|＝0；其中，i_L1为第一滤波电感电流，规定从三电平控制电路1流向混合储能装置的电流方向为正。当通过第二储能电容C2充电来增大V_C2使得|ΔV_c|减小时，i_L1<0，混合储能装置放电，第一开关管S1和第三开关管S3断开，第二开关管S2和第四开关管S4开通，至|ΔV_c|＝0。

当ΔV_c<0时，可以通过第一储能电容C1充电来增大V_C1或者通过第二储能电容C2放电来减小V_C2使得|ΔV_c|减小为0，实现中性点电压平衡调节。

当通过第一储能电容C1充电来增大V_C1使得|ΔV_c|减小时，i_L1<0，混合储能装置放电，第一开关管S1和第三开关管S3开通，第二开关管S2和第四开关管S4断开；至|ΔV_c|＝0；当通过第二储能电容C2放电来减小V_C2使得|ΔV_c|减小时，i_L1>0，混合储能装置充电，第一开关管S1和第三开关管S3断开，第二开关管S2和第四开关管S4开通，至|ΔV_c|＝0。

通过一个三电平转换电路连接超级电容单元和蓄电池单元两种储能器件，相较于传统的混合储能系统中每种储能器件都要单独连接一个转换器的设计，能够大大减小混合储能系统的体积和成本，也能简化控制策略；三电平转换电路的设计，可以实现三种电平的输入和输出，当储能器件在荷电状态较低时，直流侧电压与混合储能装置电压之间的压差很大时，可以用中间电平减小直流侧电压与混合储能装置电压的压差，不需要大电感来减小混合储能装置充放电电流的波动，进一步减少混合储能装置的体积和成本。同时设置蓄电池控制电路，通过蓄电池控制电路控制蓄电池充放电，实现超级电容单元和蓄电池单元两种储能器件的独立控制，蓄电池单元和超级电容单元独立控制，进而更好的协调蓄电池单元和超级电容单元的能量分配。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有双向三电平的混合储能系统，其特征在于，包括三电平转换电路(1)和混合储能装置，混合储能装置包括超级电容单元、蓄电池控制电路(3)和蓄电池单元；三电平转换电路(1)一侧并联直流侧，另一侧依次并联超级电容单元、蓄电池控制电路(3)和蓄电池单元；

三电平转换电路(1)用于将直流侧的输入电平转换为三电平输入混合储能装置，或将混合储能装置的输出电平转换为三电平由直流侧输出；

蓄电池控制电路(3)，用于控制蓄电池单元的充放电。

2.根据权利要求1所述的具有双向三电平的混合储能系统，其特征在于，所述三电平转换电路(1)包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一储能电容和第二储能电容；

第一储能电容一端连接第二储能电容一端，另一端连接直流侧正极母线和第一开关管的集电极；第二储能电容另一端连接直流侧负极母线；第一开关管的发射极连接第二开关管的集电极，第一开关管和第二开关管的连接线连接超级电容单元的正极端，第二开关管的发射极连接第三开关管的集电极，第三开关管的发射极连接第四开关管的集电极和超级电容单元的负极端，第四开关管的发射极连接第二储能电容连接直流侧负极母线的一端，第一储能电容和第二储能电容的连接线上设置中性点N，中性点N与第二开关管和第三开关管的连接线连接。

3.根据权利要求2所述的具有双向三电平的混合储能系统，其特征在于，所述电平转换电路(1)还包括滤波电感，第一开关管和第二开关管的连接线通过滤波电感连接超级电容单元的正极端。

4.根据权利要求2或3所述的具有双向三电平的混合储能系统，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管均为IGBT开关管。

5.根据权利要求1所述的具有双向三电平的混合储能系统，其特征在于，所述蓄电池控制电路(3)包括第一开关管和第二开关管；

第一开关管的集电极连接超级电容单元的正极端，发射极连接第二开关管的集电极，第二开关管的发射极连接超级电容单元的负极端和蓄电池单元的负极端，第一开关管和第二开关管的连接线连接蓄电池单元的正极端。

6.根据权利要求5所述的具有双向三电平的混合储能系统，其特征在于，所述电池控制电路(3)还包括滤波电感，第一开关管和第二开关管的连接线通过滤波电感连接蓄电池单元的正极端。

7.根据权利要求5或6所述的具有双向三电平的混合储能系统，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管均为IGBT开关管。

8.根据权利要求1所述的具有双向三电平的混合储能系统，其特征在于，所述超级电容单元包括若干个串联的超级电容(2)，所述蓄电池单元包括若干个串联的蓄电池(4)。

9.一种基于权利要求2所述的具有双向三电平的混合储能系统的中性点电压平衡方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过式(1)得到ΔV_c：

ΔV_c＝V_c1-V_c2 (1)

其中，V_c1为第一储能电容电压，V_c2为第二储能电容电压；

S2：当ΔV_c≠0时，将第一开关管和第三开关管开通，第二开关管和第四开关管断开；或者将第一开关管和第三开关管断开，第二开关管和第四开关管断开通；

S3：直至ΔV_c＝0，完成中性点电压平衡调节。

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