CN114400688A - 一种基于功率变换器的混合储能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于供电系统的直流电源技术领域，具体涉及一种基于功率变换器的混合储能装置,包括双电层电容器单元、蓄电池单元和控制单元；控制单元包括PWM控制、双向功率变换器、双向DC‑DC变换器和限流电感；蓄电池单元通过双向DC‑DC变换器并联在变电站直流系统上，双电层电容器单元与所述蓄电池单元通过串并联开关电路、双向功率变换器连接，双电层电容器单元包括双向DC‑DC变换器2A，双向功率变换器与PWM控制连接；蓄电池单元包括双向DC‑DC变换器2B，双向DC‑DC变换器2B的输出端分别与变电站直流系统的正极、负极连接，双向DC‑DC变换器2A和双向DC‑DC变换器2B均与所述限流电感连接。
Description
技术领域
本发明属于供电系统的直流电源技术领域，具体涉及一种基于功率变换器的混合储能装置。
背景技术
直流电源作为供电电源，在变电站、发电厂、大中型厂矿企业等供电系统中占有很重要的地位，主要用于向分合闸操作、控制、保护、通信设备、自动装置操作机械和调节机械的传动机构供电，同时还可以作为独立的事故照明电源，所以其性能及可靠性直接影响到整个供电系统的正常安全运行。
目前绝大多数直流电源均采用蓄电池作为储能元件，蓄电池组容量的选择必须同时满足两个条件，一要满足合闸等冲击性负荷所需最大放电电流要求；二要满足对经常性负荷持续供电的时间要求。在断路器采用电磁式操作机构的变电站中，控制信号等经常性负荷电流通常为5-10A，但是CD-10型电磁操作机构的合闸电流高达120A，由于蓄电池功率密度低，大电流输出能力差，为了提高直流屏的操作可靠性，不得己采用大容量的功率型蓄电池组，蓄电池组不仅价格昂贵，使用寿命短，还必须按规定定期维护，一些蓄电池组不经常承担合闸任务，长时间处于浮充电备用状态，维护不及时，会出现诸多问题，如铬镍电池，多级串联引起故障率增加，任何一节电池有问题，都将影响整个蓄电池组的正常工作，个体差别引起电池电压不均衡，充电电流过大会发生“析氧反应”，过充电引起记忆效应，过放电导致极板反而报废。对蓄电池的定期维护工作是很重要，但是由于工作量大或人员工作态度问题，实际中这些工作在现场很难做到百分之百落实，诸多问题如不能被及时发现，在关键时刻，就可能造成分闸操作失败，酿成事故。并且，蓄电池组的充电装置比较复杂，要求充电机能够按照电池特性的充电曲线限压限流限时充电，充电电压纹波系数过大，损害蓄电池寿命，因此，充电机需要配置滤波装置，蓄电池对充电机水平要求高，这必然会提高直流电源的成本。维护工作量大，使用寿命短，废弃蓄电池污染环境己经成为蓄电池直流电源发展的瓶颈。由于上述设备存在的问题，人们迫切希望有较好的办法来解决，双电层电容器的出现及其具备的优良性能为解决这一问题带来了希望。
双电层电容器作为新兴的能量储存器件，能够实现快速充放电，瞬间大电流输出能力强。与蓄电池相比，在功率密度、充电时间、使用寿命以及环境温度等方面具有很大的优势，这些优点正是变电站直流电源系统需要的，但是，仅用双电层电容器作直流电源系统的储能单元，虽满足分合闸操作要求，但一些110KV等重要的变电站在电网停电后需要2-4小时的直流供给，双电层电容器的能量密度比较低，无法保证长时间的持续供电。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题提供一种适用于电力系统变电站直流电源的基于功率变换器的混合储能装置，可满足电力系统变电站直流电源的实际应用需求。
本发明的技术方案是：
一种基于功率变换器的混合储能装置，包括双电层电容器单元、蓄电池单元和控制单元；
所述控制单元包括PWM控制、双向功率变换器、双向DC-DC变换器和限流电感；
所述的蓄电池单元通过双向DC-DC变换器并联在变电站直流系统上，所述双电层电容器单元与所述蓄电池单元通过串并联开关电路、双向功率变换器连接，所述的双电层电容器单元包括双向DC-DC变换器2A，所述的双向功率变换器与PWM控制连接；
所述的蓄电池单元包括双向DC-DC变换器2B，所述的双向DC-DC变换器2B的输出端分别与变电站直流系统的正极、负极连接，所述的双向DC-DC变换器2A和双向DC-DC变换器2B均与所述限流电感连接；
所述的控制单元通过限流电感分析判断变电站直流系统的负荷类型，进而控制开关电路的电路连接，实现不同负荷下的电路转换。
具体的，所述双电层电容器单元为单个或两个以上的双电层电容器组。
具体的，所述蓄电池单元为单个或两个以上的蓄电池组。
具体的，所述蓄电池优选采用免维护蓄电池。
具体的，所述双向功率变换器为基于型直流变换器的双向功率变换器。
具体的，所述的串并联开关电路包括开关a、开关b、开关c、开关d，所述的双向DC-DC变换器2B与双向功率变换器并联连接开关b和开关d，与双向DC-DC变换器2B连接的所述的开关b端连接开关c的一端，所述的开关c的另一端连接与双向功率变换器连接的开关d端，所述的开关a一端与开关b连接。另一端连接变电站直流系统的负极。
本发明的有益效果是：将双电层电容器与蓄电池组成混合储能直流电源系统，由双电层电容器承担冲击性负荷，蓄电池承担经常性负荷，结合了双电层电容器和蓄电池组的优势，友好互补，基于型直流变换器的双向功率变换器，PWM控制调节占空比D，实现双电层电容器储能系统正、负功率双向流动，单端输出直流稳压，实现功率输化的合理分配，使混合储能达到协调运行状态，具有可靠性高、脉冲输出功率大、寿命长、免维护和节能环保的特点。蓄电池组的容量可以按照经常性负荷的大小选择，这样既减小了蓄电池的配置容量裕度，降低了直流系统储能设备的投资成本，又可避免蓄电池冲击性大电流放电，从而延长其使用寿命。此外，蓄电池双电层电容器混合储能可有效提高功率输出能力，减小储能装置占地面积等，极大地提高了直流系统的经济性和可靠性。 控制单元采用平均电流控制法的电压、电流双闭环控制策略，当储能环节工作在充电模式时，双向DC-DC控制器工作在Buck模式，此时通过控制电感电流与双电层电容端电岳，实现双电层电容先恒流再恒压充电方式；当储能环节工作在放电时，双向DC-DC控制器工作在Boost模式，此时通过控制电感电流与直流母线电压，实现对母线恒压放电。
本发明实现了双电层电容器与蓄电池良好互补结合，不仅能够很好的满足变电站内冲击性负荷的大放电需求，而且也可有效满足大规模电力储能的需求, 双电层电容器还可单独作为小功耗设备的备用电源使用。本发明具有循环寿命长、储能效率高、充放电速度快、高低温性能好、环境友好的特点和卓越的储能潜力，对输变电设备安全运行具有重要的积极意义，同时还具有较高的经济效益和社会效益。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1所示为一种基于功率变换器的混合储能装置的结构示意图，包括双电层电容器单元、蓄电池单元和控制单元；所述控制单元包括PWM控制、双向功率变换器、双向DC-DC变换器和限流电感。
所述的蓄电池单元通过双向DC-DC变换器并联在变电站直流系统上，所述双电层电容器单元与所述蓄电池单元通过串并联开关电路、双向功率变换器连接，所述的双电层电容器单元包括双向DC-DC变换器2A，所述的双向功率变换器与PWM控制连接。
所述的蓄电池单元包括双向DC-DC变换器2B，所述的双向DC-DC变换器2B的输出端分别与变电站直流系统的正极、负极连接，所述的双向DC-DC变换器2A和双向DC-DC变换器2B均与所述限流电感连接；所述的控制单元通过限流电感分析判断变电站直流系统的负荷类型，进而控制开关电路的电路连接，实现不同负荷下的电路转换。
具体的，所述双电层电容器单元为单个或两个以上的双电层电容器组。
具体的，所述蓄电池单元为单个或两个以上的蓄电池组。
具体的，所述蓄电池优选采用免维护蓄电池。
具体的，所述双向功率变换器为基于型直流变换器的双向功率变换器。
具体的，所述的串并联开关电路包括开关a、开关b、开关c、开关d，所述的双向DC-DC变换器2B与双向功率变换器并联连接开关b和开关d，与双向DC-DC变换器2B连接的所述的开关b端连接开关c的一端，所述的开关c的另一端连接与双向功率变换器连接的开关d端，所述的开关a一端与开关b连接。另一端连接变电站直流系统的负极。
参看图1，断开开关c和开关d，闭合开关a和开关b，由蓄电池承担经常性负荷；断开开关b和开关c，闭合开关a和开关d，由双电层电容器承担冲击性负荷；断开开关b和开关d，闭合开关a和开关c，由双电层电容器和蓄电池共同承担负荷。控制单元通过限流电感分析判断变电站直流系统的负荷类型，进而控制开关电路的电路连接，实现不同负荷下的电路转换。
所述的PWM控制调节占空比D，实现双电层电容器储能系统正、负功率双向流动，单端输出直流稳压，实现功率输化的合理分配，使混合储能达到协调运行状态，所述双向功率变换器为基于型直流变换器的双向功率变换器，所述蓄电池1采用免维护蓄电池。
双电层电容器单元的储能与放电，控制单元采用平均电流控制法的电压、电流双闭环控制策略，当储能环节工作在充电模式时，双向DC-DC控制器工作在Buck模式，此时通过控制电感电流与双电层电容端电岳，实现双电层电容先恒流再恒压充电方式；当储能环节工作在放电时，双向DC-DC控制器工作在Boost模式，此时通过控制电感电流与直流母线电压，实现对母线恒压放电。
实施例二
本实施例与实施例一的不同之处在于：所述双电层电容器单元为两个以上的双电层电容器组，所述蓄电池单元为两个以上的蓄电池组。
本发明实现了双电层电容器与蓄电池良好互补结合，不仅能够很好的满足变电站内冲击性负荷的需求，而且也可有效满足大规模电力储能的需求, 双电层电容器还可单独作为小功耗设备的备用电源使用，具有循环寿命长、储能效率高、充放电速度快、高低温性能好、环境友好的特点和卓越的储能潜力，有效保障和提高输变电设备的安全运行
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (6)
1.一种基于功率变换器的混合储能装置，其特征在于，包括双电层电容器单元、蓄电池单元和控制单元；
所述控制单元包括PWM控制、双向功率变换器、双向DC-DC变换器和限流电感；
所述的蓄电池单元通过双向DC-DC变换器并联在变电站直流系统上，所述双电层电容器单元与所述蓄电池单元通过串并联开关电路、双向功率变换器连接，所述的双电层电容器单元包括双向DC-DC变换器2A，所述的双向功率变换器与PWM控制连接；
所述的蓄电池单元包括双向DC-DC变换器2B，所述的双向DC-DC变换器2B的输出端分别与变电站直流系统的正极、负极连接，所述的双向DC-DC变换器2A和双向DC-DC变换器2B均与所述限流电感连接；
所述的控制单元通过限流电感分析判断变电站直流系统的负荷类型，进而控制开关电路的电路连接，实现不同负荷下的电路转换。
2.根据权利要求1所述基于功率变换器的混合储能装置，其特征在于，所述双电层电容器单元为单个或两个以上的双电层电容器组。
3.根据权利要求1所述基于功率变换器的混合储能装置，其特征在于，所述蓄电池单元为单个或两个以上的蓄电池组。
4.根据权利要求1所述基于功率变换器的混合储能装置，其特征在于，所述蓄电池优选采用免维护蓄电池。
5.根据权利要求1所述基于功率变换器的混合储能装置，其特征在于，所述双向功率变换器为基于型直流变换器的双向功率变换器。
6.根据权利要求1所述基于功率变换器的混合储能装置，其特征在于，所述的串并联开关电路包括开关a、开关b、开关c、开关d，所述的双向DC-DC变换器2B与双向功率变换器并联连接开关b和开关d，与双向DC-DC变换器2B连接的所述的开关b端连接开关c的一端，所述的开关c的另一端连接与双向功率变换器连接的开关d端，所述的开关a一端与开关b连接。另一端连接变电站直流系统的负极。
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| CN202111419234.6A CN114400688A (zh) | 2021-11-26 | 2021-11-26 | 一种基于功率变换器的混合储能装置 |
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| CN202111419234.6A CN114400688A (zh) | 2021-11-26 | 2021-11-26 | 一种基于功率变换器的混合储能装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116620052A (zh) * | 2023-07-10 | 2023-08-22 | 康明斯新能源动力(上海)有限公司 | 一种混合动力系统、控制器及车辆 |
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2021
- 2021-11-26 CN CN202111419234.6A patent/CN114400688A/zh active Pending
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