CN117913961B - 储能电路系统及其工作模式切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了储能电路系统及其工作模式切换方法，属于储能系统领域，其中，第一工作模式下交流电对储能电容充电或储能电容放电；第二工作模式下储能电容处于非储能状态；第三工作模式下储能电容处于故障保护状态；第四开关电路和第五开关电路在触发控制信号控制下关断或导通，使储能模块具备降压模式和增压模式；降压模式下，储能电容通过储能电感向蓄电池组充电或储能电感向蓄电池组充电；增压模式下，储能电池组通过储能电感放电；或储能电池组和储能电感同时释放电能使储能电感电流值减小，并向储能电容充电。本发明避免了故障对储能模块的影响，提高了整个储能电路系统的可靠性和稳定性。

Description

储能电路系统及其工作模式切换方法

技术领域

本发明属于储能系统领域，更具体地，涉及一种储能电路系统及其工作模式切换方法。

背景技术

储能技术就是将电能转变成其他形式的能量储存起来，并且在需要的时候释放电能的技术，起到“削峰填谷”的作用。储能技术将会在很大程度上解决新能源发电的波动性和间歇性问题，对新能源发电的广泛应用起到积极作用，比如：用于电力系统中可以起到过渡功率、能量管理和补偿电力负荷波动等作用，提高了电网的稳定性。用于电力系统调峰，解决了发电、供电和用电之间的矛盾，提高了设备的利用率，减少了电力线路损耗，获得很好的经济效益。用于用户侧，可以提高电能质量和供电可靠性。用于新能源发电系统中，可以起到平滑输出、支撑频率和电压、提高系统稳定性等作用。

按照储能原理的不同，储能技术主要分为物理储能、电磁储能以及电化学储能，其中，物理储能包括：飞轮储能、压缩空气储能和抽水储能。电磁储能包括超级电容储能和超导储能。蓄电池储能包括铅酸电池储能和锂电池储能。其中，蓄电池储能经过了很多年的发展，技术相对成熟，成本较低，因此，在实用性上较高。而蓄电池储能的实现常常依托于储能电路结构，现有技术中的储能电路结构，由于储能侧和被储能侧之间直接连接，由此导致被储能侧一旦出现故障，该故障就会直接传到给储能侧，影响储能电路结构的正常运行，整个储能电路结构的可靠性和稳定性较差。另外，现有技术中，由于使用了大量的电路进行串并联，由此导致均流和均压问题，对于均流问题，如果电路中的负载不均匀，某些部分的电流过大，可能会导致电源过载，使电源无法提供足够的电流，影响电路的正常工作。如果某些部分的电流过大，可能会超过设备的额定电流，导致设备过载，甚至损坏设备。电流过大会产生较大的热量，可能会导致电路元件过热，影响电路的稳定性和寿命。对于均压问题，如果电路中的负载不均匀，某些部分的电压过低，可能会导致电源电压不稳定，影响电路的正常工作。如果某些部分的电压过低，可能无法满足设备的工作要求，导致设备无法正常工作或损坏。电压不均匀可能导致信号失真，影响电路的信号传输质量和准确性。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供了一种储能电路系统及其工作模式切换方法，旨在解决现有储能侧和被储能侧之间直接连接，导致被储能侧一旦出现故障，该故障就会直接传到给储能侧，影响储能电路结构的正常运行，整个储能电路结构的可靠性和稳定性较差的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种储能电路系统，包括转换模块和储能模块；

转换模块包括第一开关电路、第二开关电路和第三开关电路；第三开关电路和第二开关电路并联，连接在交流侧两端；储能模块包括储能电池组、储能电感、第四开关电路、第五开关电路和储能电容；第一开关电路、第二开关电路、第四开关电路和第五开关电路均包含一个三极管和一个二极管，二极管和所述三极管并联；

第一开关电路和第二开关电路串联构成第一支路；第四开关电路和第五开关电路串联构成第二支路；第一支路和第二支路并联，且第一支路和第二支路中间并联储能电容；

第四开关电路中二极管的正向导通侧连接所述储能电感的一侧，储能电感的另一侧连接储能电池组的正极；第五开关电路中二极管的正向导通侧连接储能电池组的负极；

第一开关电路、第二开关电路和第三开关电路用于在触发信号控制下关断或导通，使切换模块具备第一工作模式、第二工作模式和第三工作模式三种工作模式；第一工作模式用于交流电对储能电容充电或储能电容放电；第二工作模式用于使储能电容处于非储能状态；第三工作模式用于使储能电容处于故障保护状态；

第四开关电路和第五开关电路用于在触发控制信号控制下关断或导通，使储能模块具备降压模式和增压模式两种工作状态；降压模式下，储能电容用于通过储能电感向蓄电池组充电或储能电感用于向蓄电池组充电；增压模式下，储能电池组用于通过储能电感放电；或储能电池组和储能电感用于同时释放电能使储能电感电流值减小，并向储能电容充电。

进一步优选地，第一工作模式下第一开关电路导通、第二开关电路关断和第三开关电路关断；第一工作模式下转换模块的输入电流正向导通第一开关电路的二极管时，交流电对储能电容充电；第一工作模式下转换模块的输入电流截止第一开关电路中的二极管时，储能电容用于放电；

第二工作模式下第二开关电路导通、第一开关电路关断和第三开关电路关断，储能电容处于非储能状态；

第三工作模式下第一开关电路关断、第二开关电路关断和第三开关电路导通，储能电容处于故障保护状态。

进一步优选地，降压模式下第五开关电路关断，第四开关电路导通，储能电容用于通过储能电感向蓄电池组充电；降压模式下第四开关电路关断，第五开关电路中的二极管导通，储能电感用于向蓄电池组充电；

进一步优选地，增压模式下第四开关电路关断、第五开关电路导通，储能电池组用于通过储能电感放电；增压模式下第五开关电路关断，第四开关电路中的二极管导通，储能电池组和储能电感用于同时释放电能使储能电感电流值减小，并向储能电容充电。

进一步优选地，流入储能电容的总电流为：

ism2（t）= ic1（t）+ ic2（t）

其中，ism2（t）为流入储能电容的总电流；ic1（t）为转换模块流入储能电容的电流；ic2（t）为储能模块流入储能电容的电流。

第二方面，基于上述储能电路系统，本发明提供了相应的工作模式切换方法，具体包括以下步骤：

采用第一组触发控制信号首先控制第一开关电路导通、第二开关电路关断和第三开关电路关断，转换模块的输入电流正向导通第一开关电路的二极管，交流电对储能电容充电；待交流电对储能电容充电完毕后，将转换模块的输入电流反向，截止第一开关电路中的二极管，对储能电容进行放电；

采用第二组触发控制信号控制储能模块处于降压模式，先将第五开关电路关断，第四开关电路导通，使储能电容通过储能电感向蓄电池组充电；再将第四开关电路关断，第五开关电路中的二极管导通，使储能电感向蓄电池组充电；

采用第三组触发控制信号控制第二开关电路导通、第一开关电路关断和第三开关电路关断，使储能电容处于非储能状态；

最后使用第四组触发控制信号控制储能模块处于增压模式，先将第四开关电路关断，第五开关电路导通，使储能电池组通过储能电感放电；再将第五开关电路关断，第四开关电路中的二极管导通，使储能电池组和储能电感同时释放电能，使储能电感电流值减小，并向储能电容充电。

进一步优选地，流入储能电容的总电流为：

ism2（t）= ic1（t）+ ic2（t）

其中，ism2（t）为流入储能电容的总电流；ic1（t）为转换模块流入储能电容的电流；ic2（t）为储能模块流入储能电容的电流。

进一步优选地，若检测到储能电路系统出现故障，则将第三开关电路导通、第一开关电路断开且第二开关电路断开，切换模块的输入电流流入第三开关电路，第三开关电路正向导通，切换模块的输出电压为0；当切换模块的输入电流反向流入第三开关电路时，第三开关电路被反向击穿而导通，切换模块的输出电压为0。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供了一种储能电路系统及其工作模式切换方法，通过转换模块和储能模块在工作模式上的配合，正常工作时，使转换模块处于第一工作模式和第二工作模式下，一旦出现故障，则控制转换模块进入第三工作模式，实现了转换模块和储能模块的隔离，故障的影响不会传导到储能模块，从而避免了故障对储能模块的影响，提高了整个储能电路系统的可靠性和稳定性。

本发明提供了一种储能电路系统及其工作模式切换方法，其中，储能模块只包括两个开关电路，不需要大量开关电路的串并联，从而避免了均流和均压的问题，同时使用单独的触发控制信号进行控制，不会出现第四开关电路和第五开关电路直通的情形，因此，不会出现电路过载，整个储能模块无法正常工作，保证了储能模块的正常运行和可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的储能电路系统示意图；

图2（a）是本发明实施例提供的转换模块为第一工作模式，对储能电容进行充电状态下的电路示意图；

图2（b）是本发明实施例提供的转换模块为第一工作模式，对储能电容进行放电状态下的电路示意图；

图2（c）是本发明实施例提供的转换模块为第二工作模式，S2上的二极管反向截止的电路示意图；

图2（d）是本发明实施例提供的转换模块为第二工作模式，电流只经过S2的电路示意图；

图2（e）是本发明实施例提供的转换模块为第三工作模式，电流Ism1正向流入S3时的电路示意图；

图2（f）是本发明实施例提供的转换模块为第三工作模式，电流Ism1反向流入S3时的电路示意图；

图3（a）是本发明实施例提供的储能模块为降压模式，开关电路S5处于关断状态，S4处于导通状态下的电路示意图；

图3（b）是本发明实施例提供的储能模块为降压模式，开关电路S4处于关断状态，S5处于导通状态下的电路示意图；

图3（c）是本发明实施例提供的储能模块为增压模式，开关电路S4处于关断状态，S5处于导通状态下的电路示意图；

图3（d）是本发明实施例提供的储能模块为增压模式，开关电路S5处于关断状态，S4处于导通状态下的电路示意图。

具体实施方式

为方便理解，下面先对本申请实施例所涉及的英文简写和有关技术术语进行解释和描述。

下面结合本申请实施例中的附图对本申请实施例进行描述。

本发明实施例提供了一种储能电路系统及其工作模式切换方法，旨在解决交流电e（t）对应的待存储能量侧一旦出现故障，该故障会传导给储能电路结构，对储能模块带来影响，导致整个储能电路结构的可靠性和稳定性较差。另外，解决现有的储能电路结构中需要大量开关电路的串并联而导致的出现均流和均压的问题。本发明提供的储能模块只包含两个开关电路，同时使用单独的触发信号进行控制，不会出现第四开关电路S4和第五开关电路S5直通的情形，因此不会出现电路过载而整个储能模块无法正常工作的情形，保证了储能模块的正常运行和可靠性。

如图1所示，第一开关电路S1、第二开关电路S2和第三开关电路S3组成了转换模块，该转换模块具有第一工作模式、第二工作模式和第三工作模式；第一开关电路S1和第二开关电路S2包括一个三极管和二极管，连接关系如图1所示。

如图2（a）~图2（d）所示，第一开关电路S1和第二开关电路S2的开通/关断信号决定了转换模块式进入第一工作模式还是第二工作模式；而第三开关电路S3在正常工作时一直打开，在储能电路结构块出现故障时闭合，可以有效地将储能电路结构关断，起到保护作用。

下述开关电路S1-S3的控制具体可以根据触发电路来生成不同的触发信号以控制各个开关电路的通断，以下对三种工作模式的原理进行逐一说明。

（1）第一工作模式

如图2（a）所示，此种状态中，通过触发信号控制第一开关电路S1导通、第二开关电路S2关断和第三开关电路S3关断；电流Ism1的流向如图2（a）所示，电流Ism1经过第一开关电路S1并使得对应的二极管流通，从而使得输出电压为U_c，进入交流电e（t）对储能电容U_c进行充电的状态；

或者，如图2（b）的电流方向中，电流Ism1经过第一开关电路S1并使得对应二极管流通，但是由于储能电容U_c通过第一开关电路S1放电后会在第二开关电路S2对应的二极管的两端加上反向电压，使二极管反向截止。因此，在这种情况下，电流Ism1一直保持通过第一开关电路S1流通，从而使得输出电压为U_c，进入对储能电容U_c进行放电状态；

结合上述图2（a）和图2（b）可知，通过触发信号控制转换模块处于第一工作模式时，无论是在储能电容处于充电还是放电状态，转换模块的输出电压都保持为U_c。

（2）第二工作模式

如图2（c）和图2（d）所示，在第二工作模式中，通过触发信号控制第二开关电路S2导通、第一开关电路S1关断和第三开关电路S3关断；

在图2（c）的电流方向中，电流Ism1经过第二开关电路S2流通，并在第二开关电路S2对应的二极管上形成反向电压，使二极管反向截止；因此，在这种情况下，电流总是经过第二开关电路S2流通，转换模块的输出电压为0。

或者，在图2（d）的电流方向中，电流Ism1只能经过第二开关电路S2并使得对应的二极管流通，转换模块的输出电压为0。

综合图2（c）和图2（d）可见，通过触发信号控制转换模块处于第二工作模块，其输出电压都为0。

（3）第三工作模式

如图2（e）和图2（f）所示，第三开关电路S3导通，其他两个开关电路断开，当电流Ism1流入到第三开关电路S3时，第三开关电路S3正向导通，其输出电压都为0，而当电流Ism1反向流入时，第三开关电路S3被反向击穿从而导通，仍然保持输出电压为0。

由此可见，在第三模式时，整个转换模块从储能电容侧来看，无法形成有效的导通回路，从而可以在转换模块的第一开关电路S1、第二开关电路S2和U_c出现异常而导致整个转换模块故障时，通过触发信号控制第三开关电路S3导通，交流电e（t）无法传输到转换模块进行处理，从而实现了保护控制。

综上可见，控制转换模块的真值表如表1所示（其中，转换模块的输出电压为U_sm）：

表1

上述表中，1表示对应的开关电路导通；0表示对应的开关电路关断；对于Ism1，大于0表示流入储能电容，小于0表示流出储能电容。

如图1所示，储能模块包括储能结构件（比如储能电池，其两端电压记为U_e）、储能电感Lm、第四开关电路S4、第五开关电路S5和储能电容（两端电压记为U_c）；流经储能电感的电流记为i（t），转换模块流入储能电容的电流记为ic1（t），储能模块流入储能电容的电流记为ic2（t），流入储能电容的总电流记为ism2（t），由图1可见，ism2（t）= ic1（t）+ ic2（t）；其中，第四开关电路S4和第五开关电路S5包括一个三极管和二极管；

以下结合第四开关电路S4和第五开关电路S5的控制，对储能模块的工作原理进行示例性说明。

由于在储能模块中只存在两个开关电路，即第四开关电路S4和第五开关电路S5，为了保证储能模块的正常工作，常规的处理方式是第四开关电路S4和第五开关电路S5使用互补的触发信号以控制，这种方式的好处是控制过程相对简单，可以实现开关电路的零电压导通，但是这种方式会出现第四开关电路S4和第五开关电路S5直通的情形，由此导致电路过载，整个储能模块无法正常工作，影响储能模块的运行和可靠性。

为此，在本发明中，针对第四开关电路S4和第五开关电路S5，采用独立的触发信号来控制，为此，储能模块的工作模式可以分为降压模式以及升压模式，以下逐一进行说明。

（1）降压模式

如图3（a）和图3（b）所示，当通过触发控制信号控制第五开关电路S5处于关断状态，而第四开关电路S4处于导通状态；此时，储能电容U_c通过电感Lm向蓄电池组充电，电感Lm上的电压为（U_e-U_c），电感吸收能量，电感电流值增加；当通过触发信号控制第四开关电路S4处在关断状态时，第五开关电路S5中的二极管导通，从而使得储能电感继续向蓄电池组充电，电感Lm上的电压为U_e，电感释放能量，电感电流值减小。

降压模式下，蓄电池处于充电状态时，转换模块通过储能电容向储能模块输入电流，且储能电感向蓄电池组输入电流；或者，储能电容断开向蓄电池组充电，但是储能电感向蓄电池组输入电流。

（2）增压模式

如图3（c）和图3（d）所示，第四开关电路S4处于关断状态，而第五开关电路S5处于导通状态时，这时储能电池组通过储能电感进行放电，储能电感吸收能量，其上的电压为U_e，其电流值增加；当第五开关电路S5处于关断状态时，第四开关电路S4对应的二极管导通，此时，储能电感上的电压为U_e-U_c，并且蓄电池组和储能电感同时释放能量使得电感电流值减小，并向储能电容进行充电。

综上所述，控制储能模块的真值表如表2所示：

表2

结合上述转换模块和储能模块的控制真值表可知，可以通过第一组触发信号（控制第一开关电路S1、第二开关电路S2和第三开关电路S3的触发信号组成）控制转换模块处于第一工作模式1，再进入到第一工作模式2进入放电，再通过第二组触发控制信号（控制第四开关电路S4和第五开关电路S5的触发信号组成）控制储能模块处于降压模式1和2，进而将e（t）的能量储存到蓄电池组上；再通过第三组触发信号（控制第一开关电路S1、第二开关电路S2和第三开关电路S3的触发信号组成）控制转换模块处于第二工作模式1和2，以处于非储能状态，再通过第四组触发信号（控制第四开关电路S4和第五开关电路S5的触发信号组成）控制储能模块处于增压模式1和2，使得储能电池组通过储能电感进行放电，储能电感吸收能量，以及蓄电池组和储能电感同时释放能量，向储能电容进行充电，再通过储能电容提供给需要使用电能的设备。

由上述实施例可知，与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明通过转换模块和储能模块在工作模式上的配合，正常工作时，是的转换模块处于第一工作模式和第二工作模式，一旦出现故障，则控制转换模块进入第三工作模式，实现了转换模块和储能模块的隔离，故障的影响不会传导到储能模块，从而避免了故障对储能模块的影响，提高了整个储能电路结构的可靠性和稳定性。

本发明提供的储能电路系统由于不需要大量开关电路的串并联，从而避免了均流和均压问题。

本发明提供了一种储能电路系统，其中储能模块中只包括两个开关电路，同时使用单独的触发信号进行控制，不会出现开关电路S4和S5直通的情形，因此不会出现电路过载而整个储能模块无法正常工作，保证了储能模块的正常运行和可靠性。

应当理解的是，可以在本申请中使用的诸如“包括”以及“可以包括”之类的表述表示所公开的功能、操作或构成要素的存在性，并且并不限制一个或多个附加功能、操作和构成要素。在本申请中，诸如“包括”和/或“具有”之类的术语可解释为表示特定特性、数目、操作、构成要素、组件或它们的组合，但是不可解释为将一个或多个其它特性、数目、操作、构成要素、组件或它们的组合的存在性或添加可能性排除在外。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是可拆卸地连接，也可以是不可拆卸地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种储能电路系统，其特征在于，包括转换模块和储能模块；

所述转换模块包括第一开关电路、第二开关电路和第三开关电路；所述第三开关电路和所述第二开关电路并联，连接在交流侧两端；所述储能模块包括储能电池组、储能电感、第四开关电路、第五开关电路和储能电容；所述第一开关电路、第二开关电路、第四开关电路和第五开关电路均包含一个三极管和一个二极管，所述二极管和所述三极管并联；

所述第一开关电路和所述第二开关电路串联构成第一支路；所述第四开关电路和所述第五开关电路串联构成第二支路；所述第一支路和第二支路并联，且所述第一支路和所述第二支路中间并联所述储能电容；

所述第四开关电路中二极管的正向导通侧连接所述储能电感的一侧，所述储能电感的另一侧连接所述储能电池组的正极；所述第五开关电路中二极管的正向导通侧连接储能电池组的负极；

所述第一开关电路、第二开关电路和第三开关电路用于在触发信号控制下关断或导通，使切换模块具备第一工作模式、第二工作模式和第三工作模式三种工作模式；所述第一工作模式用于交流电对储能电容充电或储能电容放电；所述第二工作模式用于使储能电容处于非储能状态；所述第三工作模式用于使储能电容处于故障保护状态；

所述第四开关电路和所述第五开关电路用于在触发控制信号控制下关断或导通，使储能模块具备降压模式和增压模式两种工作状态；降压模式下，所述储能电容用于通过储能电感向蓄电池组充电或储能电感用于向蓄电池组充电；增压模式下，所述储能电池组用于通过储能电感放电；或储能电池组和储能电感用于同时释放电能使储能电感电流值减小，并向储能电容充电。

2.根据权利要求1所述的储能电路系统，其特征在于，所述第一工作模式下第一开关电路导通、第二开关电路关断和第三开关电路关断；所述第一工作模式下转换模块的输入电流正向导通第一开关电路的二极管时，交流电对储能电容充电；所述第一工作模式下转换模块的输入电流截止第一开关电路中二极管时，储能电容用于放电；

所述第二工作模式下第二开关电路导通、第一开关电路关断和第三开关电路关断，储能电容处于非储能状态；

所述第三工作模式下第一开关电路关断、第二开关电路关断和第三开关电路导通，储能电容处于故障保护状态。

3.根据权利要求1或2所述的储能电路系统，其特征在于，所述降压模式下所述第五开关电路关断，所述第四开关电路导通，所述储能电容用于通过储能电感向蓄电池组充电；所述降压模式下所述第四开关电路关断，所述第五开关电路的二极管导通，所述储能电感用于向蓄电池组充电；

所述增压模式下，所述第四开关电路关断、所述第五开关电路导通，所述储能电池组用于通过所述储能电感放电；所述增压模式下所述第五开关电路关断，所述第四开关电路中的二极管导通，所述储能电池组和所述储能电感用于同时释放电能使储能电感电流值减小，并向储能电容充电。

4.根据权利要求3所述的储能电路系统，其特征在于，流入所述储能电容的总电流为：

ism2（t）= ic1（t）+ ic2（t）

其中，ism2（t）为流入储能电容的总电流；ic1（t）为转换模块流入储能电容的电流；ic2（t）为储能模块流入储能电容的电流。

5.一种基于如权利要求1所述的储能电路系统的工作模式切换方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用第一组触发控制信号首先控制第一开关电路导通、第二开关电路关断和第三开关电路关断，转换模块的输入电流正向导通第一开关电路的二极管，交流电对储能电容充电；待交流电对储能电容充电完毕后，将转换模块的输入电流反向，截止第一开关电路中的二极管，对储能电容进行放电；

采用第二组触发控制信号控制储能模块处于降压模式，先将第五开关电路关断，第四开关电路导通，使储能电容通过储能电感向蓄电池组充电；再将第四开关电路关断，第五开关电路中的二极管导通，使储能电感向蓄电池组充电；

采用第三组触发控制信号控制第二开关电路导通、第一开关电路关断和第三开关电路关断，使储能电容处于非储能状态；

最后使用第四组触发控制信号控制储能模块处于增压模式，先将第四开关电路关断，第五开关电路导通，使储能电池组通过储能电感放电；再将第五开关电路关断，第四开关电路中的二极管导通，使储能电池组和储能电感同时释放电能，使储能电感电流值减小，并向储能电容充电。

6.根据权利要求5所述的工作模式切换方法，其特征在于，流入所述储能电容的总电流为：

ism2（t）= ic1（t）+ ic2（t）

其中，ism2（t）为流入储能电容的总电流；ic1（t）为转换模块流入储能电容的电流；ic2（t）为储能模块流入储能电容的电流。

7.根据权利要求5或6所述的工作模式切换方法，其特征在于，若检测到储能电路系统出现故障，则将所述第三开关电路导通、第一开关电路断开且第二开关电路断开，所述切换模块的输入电流流入所述第三开关电路，所述第三开关电路正向导通，切换模块的输出电压为0；当切换模块的输入电流反向流入所述第三开关电路时，所述第三开关电路被反向击穿而导通，切换模块的输出电压为0。