CN111244992A - 一种混合储能单元、级联型变流系统及其充放电控制方法 - Google Patents

一种混合储能单元、级联型变流系统及其充放电控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混合储能单元、级联型变流系统及其充放电控制方法。该混合储能单元包括储能电池模块、超级电容器、双向DC‑DC电路、第一开关和第二开关；储能电池模块与超级电容器并联，且超级电容器与第一开关串联，储能电池模块与第二开关串联；双向DC‑DC电路设置在储能电池模块与超级电容器之间，从而实现储能电池模块和超级电容器之间的电压均衡。本发明中的混合储能单元充分利用超级电容器和储能电池模块的特点，且通过合理控制电子开关、DC‑DC电路及功率模块，保证了级联型变流系统的工作稳定以及SOC均衡，减少储能电池模块使用次数以及时长，延长整套储能系统的使用寿命。

Description

一种混合储能单元、级联型变流系统及其充放电控制方法
技术领域
本发明涉及级联型变流系统控制领域，具体涉及一种混合储能单元、级联型变流系统及其充放电控制方法。
背景技术
级联多电平拓扑具有可扩展、电能质量好、冗余度高和可以将多个低压级联单元串联后直接接入电网，具备损耗小、输出特性好、便于控制等特点，能够很好地解决中高压大容量储能系统接入电网带来的问题。
储能蓄电池寿命较短，维护费用高，且多采用重金属或酸碱性原料，不利于环保。超级电容器是一种新兴的储能元件，具有功率密度大，使用寿命长，免维护且环保的优点，超级电容器存在单体电压低和能量密度不高的缺点，如果要形成较高电压需要多个电容器进行串联。所以现有很多技术方案是把储能电池与超级电容组成混合储能单元，但是目前的混合储能单元大多存在功率模块直流侧电压不平衡，制约系统运行的问题。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出了一种混合储能单元、级联型变流系统及其充放电控制方法，以便解决或者部分解决上述问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明一方面公开一种混合储能单元，所述混合储能单元包括储能电池模块、超级电容器、双向DC-DC电路、第一开关和第二开关；
所述储能电池模块与所述超级电容器并联，且所述超级电容器与第一开关串联，所述储能电池模块与所述第二开关串联；
所述双向DC-DC电路设置在所述储能电池模块与所述超级电容器之间，所述双向DC-DC电路用于实现所述储能电池模块和所述超级电容器之间的电压均衡。
进一步地，所述双向DC-DC电路包括：若干个电容、两个绝缘栅双极型晶体管电路以及若干个单向二极管，所述若干个电容、两个绝缘栅双极型晶体管电路以及若干个单向二极管均与所述储能电池模块并联设置；所述两个绝缘栅双极型晶体管电路之间连接有第一电感，各所述绝缘栅双极型晶体管电路包括一个绝缘栅双极型晶体管和一个单向二极管，且所述绝缘栅双极型晶体管和所述单向二极管分别与所述第一电感对称设置；所述DC-DC电路还包括第二电感，所述第二电感与所述超级电容器串联后与所述储能电池模块并联。
进一步地，所述混合储能单元还包括单向二极管，所述单向二极管与所述储能电池模块、所述第二开关串联。
本发明另一方面公开了一种级联型变流系统，所述级联型变流系统包括若干个如上述任一项所述的混合储能单元和功率模块，所述混合储能单元和所述功率模块的个数相同且配合设置，所述混合储能单元接入所述功率模块的直流侧，且各所述功率模块在交流侧以级联的形式形成交流电的相极，并连接至电网。
进一步地，所述功率模块包括H桥功率变换器，且所述H桥功率变换器采用载波移相调制策略进行调制。
进一步地，所述级联型变流系统还包括剩余电量检测模块和控制单元，所述剩余电量检测模块用于检测所述混合储能单元中超级电容器和储能电池模块的剩余电量，所述控制单元用于对各所述混合储能单元以及级联型变流系统中各相供电进行控制。
本发明再一方面还公开一种如上任一项所述的级联型变流系统中混合储能单元的充放电控制方法，所述控制方法包括：
根据充电或放电的控制信号，控制所述第一开关或第二开关的断开或闭合，对所述混合储能单元相应地进行充电，或使所述混合储能单元进行放电；
当所述混合储能单元停止充电或放电时，所述超级电容器与所述储能电池模块通过所述双向DC-DC电路进行电压调整，使所述超级电容器电压与所述储能电池模块存储电压相等。
进一步地，所述对所述混合储能单元相应地进行充电包括：
当所述超级电容器的剩余电量达到最高阈值后，再对所述储能电池模块充电；
所述使所述混合储能单元进行放电包括：
当所述超级电容器的剩余电量达到最低阈值后，所述储能电池模块放电。
进一步地，所述对所述混合储能单元相应地进行充电，或使所述混合储能单元进行放电还包括：
当所述超级电容的电压达到最高阈值时，所述双向DC-DC电路开始工作，所述超级电容向所述储能电池模块输送电压；当所述超级电容的电压达到最低阈值时，所述第一开关断开，所述储能电池通过所述第二开关闭合与所述功率模块直流侧连接输出电压，或者所述储能电池模块通过所述双向DC-DC电路，实现向所述超级电容输送电压。
进一步地，所述控制方法还包括：
根据预设的时间间隔或者预设的时间点采集所述级联型变流系统中每相各所述混合储能单元的剩余电量；
在所述储能系统充电或放电过程中，采集每相各所述混合储能单元的剩余电量，分别计算出所述混合储能单元中所述超级电容器和所述储能电池模块的平均剩余电量；
根据各所述超级电容器和所述储能电池模块的剩余电量值以及各所述平均剩余电量值，计算出各所述超级电容器和所述储能电池模块的剩余电量偏差；
把所述剩余电量偏差叠加到所述功率模块调制波上，从而实现所述级联型变流系统中每相所述功率模块的均衡充放电。
本发明的有益效果是：本发明中的混合储能单元由超级电容器和储能电池模块组成，结合了超级电容器与储能电池的优点，解决功率模块直流侧单接储能电池寿命较短维护费用高，对充放电过程敏感，大功率充放电和频繁充放电的适应性不强等问题，减少了储能电池模块的使用次数和时长，延长了储能电池的寿命；通过优先使用超级电容器充放电为原则进行第一开关、第二开关以及双向DC-DC电路的控制以及调节调制电压的幅值来解决级联型变流系统中功率模块直流侧电压不平衡制约系统运行的问题。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了本发明一个实施例中混合储能单元的电路结构示意图；
图2示出了本发明一个实施例中双向DC-DC电路的结构示意图；
图3示出了本发明一个实施例中级联型变流系统的连接结构示意图；
图4示出了本发明一个实施例中移相载波CPS-PWM调制法示意图；
图5示出了本发明一个实施例中充放电控制方法的总体流程图；
图6示出了本发明一个实施例中各混合储能单元的均衡流程示意图；
图7示出了本发明一个实施例中实现级联型变流系统各相均衡控制的流程示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例1
本发明实施例1公开一种混合储能单元，如图1所示，混合储能单元包括储能电池模块、超级电容器、双向DC-DC电路、第一开关K1和第二开关K2，其中第一开关和第二开关优选为电子开关。该混合储能单元通过控制电子开关K1和K2，能够实现优先利用混合储能单元中超级电容器进行充放电，再利用储能电池模块进行充放电。其中，超级电容器是指介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，它既具有电容器快速充放电的特性，同时又具有电池的储能特性。
具体地，结合图3所示，所述超级电容器与所述储能电池模块并联接入级联型变流系统功率模块的直流侧，功率模块直流侧正极通过电子开关K2与储能电池模块连接，超级电容器通过电子开关K1与功率模块的正极连接，所述超级电容通过所述DC-DC电路与所述储能电池模块连接。
本发明公开的混合储能单元结合了超级电容器与储能电池的优点，超级电容器和储能电池的混合使用，可以有效解决功率模块直流侧单接储能电池寿命较短，维护费用高，对充放电过程敏感，大功率充放电和频繁充放电的适应性不强等问题。
进一步地，如图2所示，双向DC-DC电路包括与储能电池模块并联的若干个电容、两个绝缘栅双极型晶体管电路、若干个单向二极管；两个绝缘栅双极型晶体管电路之间连接有第一电感L1，各绝缘栅双极型晶体管电路包括一个绝缘栅双极型晶体管和一个单向二极管，且绝缘栅双极型晶体管和单向二极管分别以第一电感L1对称设置；DC-DC电路还包括第二电感L2，第二电感L2与超级电容器串联后与储能电池模块并联。
上述双向DC-DC电路可以双向输电，当超级电容器电压高于储能电池模块电压时，或者当储能电池模块电压高于超级电容器电压时，超级电容器与储能电池通过双向DC-DC电路进行电压调整，最终使超级电容电压与储能电池模块电压相等。
进一步地，混合储能单元还包括单向二极管，单向二极管串联在储能电池模块和第二开关K2之间，单向二极管的正极与储能电池模块连接，单向二极管的负极与第二开关K2连接，单向二极管在混合储能单元充电时，可以防止电能直接充给储能电池模块，保护储能电池模块，实现优先给超级电容充电，然后通过双向DC-DC电路给储能电池模块充电。
实施例2
如图3所示，本发明实施例公开一种级联型变流系统，级联型变流系统包括若干个混合储能单元和与混合储能单元相应的功率模块，混合储能单元接入功率模块的直流侧，各功率模块在交流侧以级联的形式形成交流电的三个相，然后接入电网。
本实施例中的级联型变流系统采用三相级联式拓扑结构，每一相由若干个功率模块构成，每一个功率模块直流侧连接着超级电容器与储能电池模块，超级电容器与储能电池模块并联，同时它们之间通过双向DC-DC电路进行能量流动，使得每相每个功率模块直流侧的超级电容器与储能电池能量是均衡的。
进一步地，功率模块包括H桥功率变换器，该H桥功率变换器包括绝缘栅双极型晶体管IGBT，优选地，该H桥功率变换器采用载波移相调制(CPS-PWM)策略进行调制。
一般适用于级联H桥型功率变换器的PWM(PulseWidthModulation，脉冲宽度调制技术)调制策略主要有空间矢量调制(SVPWM)、载波移相调制(CPS-PWM)和优化PWM技术。其中优化PWM技术在控制上求解方程组困难，SVPWM技术电压矢量的选择和作用时间的确定都比较复杂，当电平数较多时不易实现。
如图4所示，CPS-PWM基于自然采样SPWM(SinusoidalPWM)和多重化技术，其基本原理为：各变流单元共用一个正弦调制信号，各载波相位相互错开一定角度，分别与调制波信号进行比较，发出PWM驱动信号控制相应单元的开关管通断。这种调制策略通过较低的开关频率可得到较高的等效开关频率，不但可以很好地解决在大功率应用场合中开关器件能承受的电压等级和开关频率之间存在的矛盾，降低成本；大大减少了输出谐波含量，提高了波形质量，而且通过改变调制比来改变输出电压，从而实现级联型储能系统每相功率模块均衡充放电。
进一步地，级联型变流系统还包括剩余电量检测模块和控制单元，剩余电量检测模块用于检测混合储能单元中超级电容器和储能电池模块的剩余电量，控制单元用于对各混合储能单元以及级联型变流系统中各相供电进行控制。
在级联型变流系统充电放电过程中，剩余电量检测模块采集每相各个储能电池模块和超级电容器的剩余电量(SOC，StateofCharge)，根据上述剩余电量的数据获取混合储能单元的状态，并且根据电网运行的实际需求以及上述状态数据，利用控制单元对各混合储能单元以及变流系统中各相供电情况进行控制，从而获得均衡供电的效果。
实施例3
图5示出了本发明实施例3的级联型变流系统进行电压均衡控制的总体流程，主要分两个部分，一是根据控制信号对各混合储能单元内的超级电容器与储能电池模块充放电顺序以及电压均衡进行控制，再有就是实现对级联型变流系统内交流电的各相进行控制，实现各相电压的均衡。
图6示出了根据控制信号对混合储能单元进行控制的具体步骤，包括：
步骤110，根据充电或放电的控制信号，控制所述第一开关或第二开关的断开或闭合，对所述混合储能单元相应地进行充电，或使所述混合储能单元进行放电；
步骤120，当所述混合储能单元停止充电或放电时，所述超级电容器与所述储能电池模块通过所述双向DC-DC电路进行电压调整，使所述超级电容器电压与所述储能电池模块存储电压相等。
进一步地，所述对所述混合储能单元相应地进行充电包括：
当所述超级电容器的剩余电量达到最高阈值后，再对所述储能电池模块充电；
所述使所述混合储能单元进行放电包括：
当所述超级电容器的剩余电量达到最低阈值后，所述储能电池模块放电。
通过在储能电池模块和超级电容器模块间设置双向DC-DC电路，使超级电容器可以优先充放电，减少储能电池模块的使用率，延长储能电池模块的寿命，同时双向DC-DC电路可双向输电，使储能电池模块和超级电容器之间的电压保持一致。
进一步地，所述步骤110还包括：
当超级电容的电压达到最高阈值时，双向DC-DC电路开始工作，超级电容向储能电池模块输送电压；当超级电容的电压达到最低阈值时，第一开关K1断开，储能电池通过第二开关K2闭合与功率模块直流侧连接输出电压，或者储能电池模块通过双向DC-DC电路，实现向超级电容输送电压。
进一步地，控制方法还包括计算剩余电量偏差，利用该剩余电量偏差值对交流电中各相的调制波进行补偿，从而获得更加均衡的交流电压值。具体包括如下步骤：
步骤210，根据预设的时间间隔或者预设时间点采集级联型变流系统中每相各混合储能单元的剩余电量。
步骤220，在储能系统充电或放电过程中，采集每相各混合储能单元的剩余电量，分别计算出混合储能单元中超级电容器和储能电池模块的平均剩余电量。
步骤230，根据各超级电容器和储能电池模块的剩余电量值以及各平均剩余电量值，计算出各超级电容器和储能电池模块的剩余电量偏差。
步骤240，把所述剩余电量偏差叠加到所述功率模块调制波上，从而实现所述级联型变流系统中每相所述功率模块的均衡充放电。
在具体实现中，参见图7，按照时间采集混合储能单元的SOC，然后计算储能电池模块及超级电容器SOC平均值分别为SOC＝1/n∑SOCi，其中，n为每相的功率模块的数目，计算出各个储能电池模块和超级电容器的SOC偏差ΔSOC＝SOCi-SOC；通过功率解耦把该偏差量叠加到变流系统的调制波上去，进而将正弦波转换为开关量。
综上所述，本发明公开了一种混合储能单元、级联型变流系统和充放电控制方法，混合储能单元包括储能电池模块、超级电容器、双向DC-DC电路、第一开关和第二开关；储能电池模块与超级电容器并联，且超级电容器与第一开关串联，储能电池模块与第二开关串联；双向DC-DC电路设置在储能电池模块与超级电容器之间，双向DC-DC电路用于实现储能电池模块和超级电容器之间的电压均衡。本发明中的混合储能单元由超级电容器和储能电池模块组成，结合了超级电容器与储能电池的优点，解决功率模块直流侧单接储能电池寿命较短维护费用高，对充放电过程敏感，大功率充放电和频繁充放电的适应性不强等问题，减少了储能电池模块的使用次数和时长，延长了储能电池的寿命；本发明级联型变流系统中H桥功率变换器采用载波移相调制策略进行调制，大大减少了输出谐波含量，提高了波形质量，通过改变调制比来改变输出电压，从而实现每相功率模块均衡充放电；本发明级联型变流系统通过设置剩余电量检测模块和控制单元，实现三相间SOC的均衡；通过对超级电容器的SOC及储能电池的SOC进行检测，确定最优的充放电流程，使得级联型变流系统处于最优工作状态同时，最大程度延长储能电池的使用寿命。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化、替换或改进，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

Claims (10)

1.一种混合储能单元，其特征在于，所述混合储能单元包括储能电池模块、超级电容器、双向DC-DC电路、第一开关和第二开关；
所述储能电池模块与所述超级电容器并联，且所述超级电容器与第一开关串联，所述储能电池模块与所述第二开关串联；
所述双向DC-DC电路设置在所述储能电池模块与所述超级电容器之间，所述双向DC-DC电路用于实现所述储能电池模块和所述超级电容器之间的电压均衡。
2.根据权利要求1所述的混合储能单元，其特征在于，所述双向DC-DC电路包括：若干个电容、两个绝缘栅双极型晶体管电路以及若干个单向二极管，所述若干个电容、两个绝缘栅双极型晶体管电路以及若干个单向二极管均与所述储能电池模块并联设置；所述两个绝缘栅双极型晶体管电路之间连接有第一电感，各所述绝缘栅双极型晶体管电路包括一个绝缘栅双极型晶体管和一个单向二极管，且所述绝缘栅双极型晶体管和所述单向二极管分别与所述第一电感对称设置；所述DC-DC电路还包括第二电感，所述第二电感与所述超级电容器串联后与所述储能电池模块并联。
3.根据权利要求1所述的混合储能单元，其特征在于，所述混合储能单元还包括单向二极管，所述单向二极管与所述储能电池模块、所述第二开关串联。
4.一种级联型变流系统，其特征在于，所述级联型变流系统包括若干个如权利要求1-3任一项所述的混合储能单元和功率模块，所述混合储能单元和所述功率模块的个数相同且配合设置，所述混合储能单元接入所述功率模块的直流侧，且各所述功率模块在交流侧以级联的形式形成交流电的相极，并连接至电网。
5.根据权利要求4所述的级联型变流系统，其特征在于，所述功率模块包括H桥功率变换器，且所述H桥功率变换器采用载波移相调制策略进行调制。
6.根据权利要求4所述的级联型变流系统，其特征在于，所述级联型变流系统还包括剩余电量检测模块和控制单元，所述剩余电量检测模块用于检测所述混合储能单元中超级电容器和储能电池模块的剩余电量，所述控制单元用于对各所述混合储能单元以及级联型变流系统中各相供电进行控制。
7.一种权利要求4-6任一项所述的级联型变流系统中混合储能单元的充放电控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
根据充电或放电的控制信号，控制所述第一开关或第二开关的断开或闭合，对所述混合储能单元相应地进行充电，或使所述混合储能单元进行放电；
当所述混合储能单元停止充电或放电时，所述超级电容器与所述储能电池模块通过所述双向DC-DC电路进行电压调整，使所述超级电容器电压与所述储能电池模块存储电压相等。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述对所述混合储能单元相应地进行充电包括：
当所述超级电容器的剩余电量达到最高阈值后，再对所述储能电池模块充电；
所述使所述混合储能单元进行放电包括：
当所述超级电容器的剩余电量达到最低阈值后，所述储能电池模块放电。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述对所述混合储能单元相应地进行充电，或使所述混合储能单元进行放电还包括：
当所述超级电容器的电压达到最高阈值时，所述双向DC-DC电路开始工作，所述超级电容器向所述储能电池模块输送电压；当所述超级电容器的电压达到最低阈值时，所述第一开关断开，所述储能电池模块通过所述第二开关闭合与所述功率模块直流侧连接输出电压，或者所述储能电池模块通过所述双向DC-DC电路，实现向所述超级电容器输送电压。
10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
根据预设的时间间隔或者预设的时间点采集所述级联型变流系统中每相各所述混合储能单元的剩余电量；
在所述储能系统充电或放电过程中，采集每相各所述混合储能单元的剩余电量，分别计算出所述混合储能单元中所述超级电容器和所述储能电池模块的平均剩余电量；
根据各所述超级电容器和所述储能电池模块的剩余电量值以及各所述平均剩余电量值，计算出各所述超级电容器和所述储能电池模块的剩余电量偏差；
把所述剩余电量偏差叠加到所述功率模块调制波上，从而实现所述级联型变流系统中每相所述功率模块的均衡充放电。
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