CN204243873U - 一种超级电容器与蓄电池的混合储能装置 - Google Patents

一种超级电容器与蓄电池的混合储能装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种超级电容器与蓄电池的混合储能装置,包括新能源发电系统,新能源发电系统经直流母线分别连接直流负载和交流负载,直流母线还连接有用于储能的混合储能单元,混合储能单元包括超级电容器组和蓄电池组,超级电容器组、蓄电池组和直流母线都分别连接至同一个用于获取各个电压值的控制器,控制器根据获取的电压值控制混合储能单元的充放电动作。将超级电容器与蓄电池联合作为储能装置,能够根据新能源发电系统的不同电力输出情况对混合储能进行控制,不仅功率密度大又保持了传统电容器快速充放电的特性,而且可以提供大脉冲功率,循环寿命长;同时平衡电能的产生与消耗,且能够有效地延长蓄电池的使用寿命。

Description

-种超级电容器与蓄电池的混合储能装置
技术领域
[0001] 本实用新型属于电学技术领域,具体设及一种超级电容器与蓄电池的混合储能装 置。
背景技术
[0002] 随着传统不可再生能源的消耗,人们逐渐把目光转移到各种可再生能源上。然 而可再生能源发电系统输出功率具有随机性、波动性,为了满足可再生能源发电系统与用 电负载之间的平衡和充分利用发电系统输出的电能,需要在系统中配置一定容量的储能设 备。针对可再生能源发电系统的特点,需要储能设备具备高能量密度、高功率密度、较长的 循环寿命等特性。但目前的储能技术,没有集该些特性于一身的单一储能设备。 实用新型内容
[0003] 本实用新型的目的是提供一种超级电容器与蓄电池的混合储能装置,解决了现有 技术中没有适用于可再生能源发电系统的储能装置的问题。
[0004] 本实用新型所采用的技术方案是,一种超级电容器与蓄电池的混合储能装置,包 括新能源发电系统,新能源发电系统经直流母线分别连接直流负载和交流负载,直流母线 还连接有用于储能的混合储能单元,混合储能单元包括超级电容器组和蓄电池组,超级电 容器组、蓄电池组和直流母线都分别连接至同一个用于获取各个电压值的控制器,控制器 根据获取的电压值控制混合储能单元的充放电动作。
[0005] 本实用新型的特点还在于,
[0006] 超级电容器组和蓄电池组各自通过不同的双向DC/DC变换器分别连接至直流母 线。
[0007] 超级电容器组还通过双向DC/DC变换器和蓄电池组连接。
[000引各个双向DC/DC变换器均连接至控制器的信号输入端。
[0009] 新能源发电系统通过DC/DC变换器连接至直流母线。
[0010] 交流负载通过DC/AC变换器连接至直流母线。
[0011] 蓄电池组包括若干个蓄电池单元,根据进入蓄电池组的充电电流的大小,若干个 蓄电池单元之间的连接方式可在串联或并联两种方式中切换。
[0012] 每个蓄电池单元均包括第一直流电源,第一直流电源的正极连接至第八增强型场 效应管的漏极,第八增强型场效应管的源极分别连接至第九增强型场效应管的源极和第四 直流电源的正极,第九增强型场效应管的漏极分别连接至第一直流电源的负极和第十增强 型场效应管的漏极,第十增强型场效应管的源极连接至第四直流电源的负极。
[0013] 超级电容器组包括若干个并联的超级电容器单元,超级电容器单元包括若干个串 联的超级电容器。
[0014] 控制器的型号为TMS32CF2812。
[0015] 本实用新型的有益效果是,将超级电容器与蓄电池联合作为储能装置,能够根据 新能源发电系统的不同电力输出情况对混合储能进行控制,不仅功率密度大又保持了传统 电容器快速充放电的特性,而且可W提供大脉冲功率,循环寿命长;同时平衡电能的产生与 消耗,且能够有效地延长蓄电池的使用寿命。
附图说明
[0016] 图中,1.新能源发电系统,2.直流负载,3.交流负载,4.超级电容器组,5.蓄电池 组,6.控制器,7.直流母线。
[0017] 图1是本实用新型一种超级电容器与蓄电池的混合储能装置的结构示意图;
[001引图2是本实用新型一种超级电容器与蓄电池的混合储能装置中蓄电池单元的电 路图;
[0019] 图3是本实用新型一种超级电容器与蓄电池的混合储能装置中直流母线与超级 电容器组的连接电路图。
具体实施方式
[0020] 下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细说明。
[0021] 本实用新型提供了一种超级电容器与蓄电池的混合储能装置,如图1所示,包括 新能源发电系统1,新能源发电系统1经直流母线7分别连接直流负载2和交流负载3,直 流母线7还连接有用于储能的混合储能单元,混合储能单元包括超级电容器组4和蓄电池 组5,超级电容器组4、蓄电池组5和直流母线7都分别连接至同一个用于获取各个电压值 的控制器6,控制器6根据获取的电压值控制混合储能单元的充放电动作。
[002引其中,超级电容器组4和蓄电池组5各自通过不同的双向DC/DC变换器分别连接 至直流母线7,超级电容器组4还通过双向DC/DC变换器和蓄电池组5连接;各个双向DC/ DC变换器均连接至控制器6的信号输入端;新能源发电系统1通过双向DC/DC变换器连接 至直流母线7 ;交流负载3通过DC/AC变换器连接至直流母线7。
[0023] 新能源发电系统1经DC/DC变换器接直流母线7,进而接各种负载,其中,交流负载 3需要经过DC/AC变换器接直流母线7,超级电容器组4与蓄电池组5经双向的DC/DC变换 器接直流母线7。直流母线7、超级电容器组4和蓄电池组5分别接有独立的采样单元和控 制单元,整个系统的控制依据采样单元的采样信号经过处理器6处理之后进行控制。
[0024] 蓄电池组5包括若干个蓄电池单元,根据进入蓄电池组5的充电电流的大小,所述 的若干个蓄电池单元之间的连接方式可在串联或并联两种方式中切换。参见图2,每个蓄电 池单元均包括第一直流电源BT1,第一直流电源BT1的正极连接至第八增强型场效应管Q8 的漏极,第八增强型场效应管Q8的源极分别连接至第九增强型场效应管Q9的源极和第四 直流电源BT4的正极,第九增强型场效应管Q9的漏极分别连接至第一直流电源BT1的负极 和第十增强型场效应管Q10的漏极,第十增强型场效应管Q10的源极连接至第四直流电源 BT4的负极。
[0025] 蓄电池组5的充放电在原理上和超级电容器组4是一样的,具体电路的设计和超 级电容器组4的充放电电路相似,下面对蓄电池组5的选择做出简要的计算并进行设计。新 能源发电系统1的输出功率为10KW,蓄电池选用12V/24Ah的铅酸电池。 1 OKVVh ^
[0026] 根据计算;i 2Kx 24^/7 = 34-7可知需要该电池34. 7块,设计中选用36 块该电池。每六块蓄电池为一组,设计成如图2所示的蓄电池单元电路,共六组。该电路能 够根据蓄电池充电电流的大小完成自动重构功能。当蓄电池的充电电流稳定,且在正常的 充电电流之内时,Q9常通,Q8、Q10常闭,六块蓄电池串联,当蓄电池的充电电流大于蓄电池 的最大充电电流时,通过控制器使Q9关闭,Q8、Q10导通。蓄电池S块串联W后在并联,使 蓄电池的充电电流在最大电流W内。
[0027] 控制器6的型号为TMS32(F2812,该系统需要多处电压采样并且要能够根据电压 的实际情况进行实时的控制,因此需要选择处理速度快、外围设备丰富和能过实现实时测 量的控制巧片。TI公司的TMS32(F2812内部集成了一个自带采样保持器的12位AD转换 器,16路模拟输入通道,转换时间小于80ns,完全能够满足控制系统的需求。
[002引超级电容器组4包括若干个并联的超级电容器单元,4超级电容器单元包括若干 个串联的超级电容器。
[0029] 由于超级电容器的额定电压一般都比较小,为了使超级电容器储存更多的电能, 因此要把超级电容器进行串联后进行并联W达到储存能量的要求。W 10KW的独立光伏发 电系统为例,超级电容器组4选择大容量超级电容器,具体参数如下;电容量3000F,额定电 流1000A,最大阻值R为1毫欧,额定电压2. 7V,放电终止电压0. 75V。
[0030] 根据电容器储存能量公式w= 1/2CV2,可W计算出每个超级电容器储存的能量,进 而计算出所需超级电容器的个数为6311. 6个。超级电容器组4储能单元的放电电压设定 在60V--216V。当超级电容器组4的电压达到216V时,需要80只超级电容器串联。在具体 设计当中,超级电容器组4采用80只串联为一组,然后将总共80组并联的连接方式。
[0031] 当新能源发电系统1输出功率大于负载消耗的能量时,为了完成直流母线7对超 级电容器组4的充电,需要设计由直流母线7到超级电容器组4的DC/DC变换电路,但当输 出功率不足,又需要超级电容器组4放电供给负载使用,因此直流母线7与超级电容器组4 之间需要两个DC/DC变换器来完成超级电容器组4的充放电。为了节约电路成本,采用了 一个双向的DC/DC变换电路,见图3。电路中功率开关管使用的是IXF05060P3 (600V/50A), 当直流母线7向超级电容器组4充电时,Q2、VD1、L1、C2共同构成boost电路,通过控制Q1 使其关断,同时控制驱动Q2的PWM的占空比即可得到需要的电压值;当超级电容器组4放 电时,11、91、¥02、(:1共同构成了帖〇1^电路,通过控制是92关断,调节驱动?11信号的占空 比使Q1导通,即可的到对应的电压值。
[0032] 本实用新型的工作过程如下;首先,控制器6根据对直流母线7的电压采样结果, 判断系统工作于何种状态下,根据判断结果,蓄电池组5控制单元和超级电容器组4控制单 元能够分别控制蓄电池组5和超级电容器组4的充电、放电或断开与直流母线7之间的连 接,并且蓄电池组5控制单元能够对蓄电池组5的充电电流进行结构上的自动重构。具体 情况如下;(1)当直流母线7电压稳定,且蓄电池组5的充电电流不大于蓄电池的最大充电 电流时,可再生能源发电系统通过双向的DC/DC变换器对超级电容器组4和蓄电池组5充 电,当电容器的电压充到额定值时,断开超级电容器组4与直流母线7间的连接,直流母线7 经DC/DC变换器对蓄电池组5进行充电直至蓄电池组5电量充满,断开直流母线7与蓄电 池组5的连接;(2)当直流母线7的电压稳定,且蓄电池组5的充电电流大于蓄电池组5的 最大充电电流时,可再生能源发电系统通过双向的DC/DC变换器对超级电容器组4和蓄电 池组5充电,当电容器的电压充到额定值时,断开超级电容器组4与直流母线7间的连接。 通过控制器6重构蓄电池组5的连接,由串联转变成并联对蓄电池组5进行充电,当电容 器的电压充到额定值时,断开超级电容器组4与直流母线7的连接;(3)当新能源发电系统 1输出功率不足且不能满足负载正常工作时,超级电容器4组先放电供给负载,若两者一起 输出的功率能够满足负载需求则蓄电池组5不放电,若两者输出的功率不能够满足负载的 需求,则新能源发电系统1、超级电容器组4和蓄电池组5-起放电供给负载使用;(4)当新 能源发电系统1输出功率长时间不足,且超级电容器组4和蓄电池组5均处于放空状态时, 首先,切断负载,蓄电池组5控制单元断开蓄电池组5与直流母线7之间的连接,先对超级 电容器组4充电,待超级电容器组4的电压达到超级电容器组4的额定电压后,再由直流母 线7对蓄电池组5进行充电。最后,为了对蓄电池进行保护,蓄电池的充电过程采用了渭流 充电、恒流充电、恒压充电和浮充充电四阶段充电控制策略。
[0033] 本实用新型是一种超级电容器与蓄电池的混合储能装置。超级电容器又称双层电 容器,不仅功率密度大又保持了传统电容器快速充放电的特性,而且可W提供大脉冲功率, 循环寿命长。
[0034] 首先,该控制系统虽然是为新能源发电系统1设计的混合储能系统,但是该系统 通过控制策略的改变同样可W应用到一些需要瞬间大功率的设备当中,例如电动汽车,当 需要加速或者上坡时蓄电池的释放电流会瞬间增大,利用超级电容器快速放电的特性,能 够对蓄电池起到很好的保护作用,延长蓄电池的使用寿命。
[0035] 其次,本设计超级电容器组4和蓄电池组5均具控制单元,且蓄电池组5具有结构 自动重构功能。结合超级电容器组4和蓄电池组控制单元5对超级电容器4和蓄电池组5 的充放电控制,可W很灵活的适应多变的外界自然资源环境对可再生能源发电系统电力输 出的影响。当光照等自然资源丰富、稳定的时段,利用超级电容器组4、蓄电池组5同时充 电,用W吸收新能源发电系统1发出的多余的能量;当光照、风速等自然资源状况不好,新 能源发电系统1产生的电能不能够满足负载要求时,利用超级电容器组4和蓄电池组5控 制器控制超级电容器组4和蓄电池组5放电,W满足负载的需求。同时超级电容器组4和 蓄电池组5控制单元对超级电容器4和蓄电池组5的充放电控制,也可W灵活的适应多变 的负载对电网的影响,当负载突增时,可W通过超级电容器4快速放电W满足负载的要求; 当负载突然减小时,可W通过控制单元的控制快速的对超级电容器组进行充电。通过蓄电 池组5管理单元和超级电容器组4管理单元能够对新能源发电系统产生的能量进行充分的 利用和有效的管理。
[0036] 最后,本发明超级电容器组4和蓄电池组5通过开关电路与直流母线7连接。在 新能源发电系统1的功率非常微弱或者光伏、风机的发电功率非常微弱且持续的时间很长 的情况下,直流母线7输出的电压很低,该种开关电路是十分有效的,能够通过占空比的调 节完成超级电容器组和蓄电池组的充电。另外,本发明蓄电池组5控制单元控制蓄电池组 5采用四阶段模式进行充电和采用恒压放电模式进行放电,可更好地保护蓄电池组,延长蓄 电池组5的使用寿命。

Claims (10)

1. 一种超级电容器与蓄电池的混合储能装置,其特征在于,包括新能源发电系统(1), 所述的新能源发电系统(1)经直流母线(7)分别连接直流负载(2)和交流负载(3),所述 的直流母线(7)还连接有用于储能的混合储能单元,所述的混合储能单元包括超级电容器 组⑷和蓄电池组(5),所述的超级电容器组(4)、蓄电池组(5)和直流母线(7)都分别连 接至同一个用于获取各个电压值的控制器¢),所述的控制器(6)根据获取的电压值控制 混合储能单元的充放电动作。
2. 如权利要求1所述的一种超级电容器与蓄电池的混合储能装置,其特征在于,所述 的超级电容器组(4)和蓄电池组(5)各自通过不同的双向DC/DC变换器分别连接至直流母 线⑵。
3. 如权利要求1所述的一种超级电容器与蓄电池的混合储能装置,其特征在于,所述 的超级电容器组(4)通过双向DC/DC变换器和蓄电池组(5)连接。
4. 如权利要求2或3所述的一种超级电容器与蓄电池的混合储能装置,其特征在于,所 述的各个双向DC/DC变换器均连接至控制器(6)的信号输入端。
5. 如权利要求1或2所述的一种超级电容器与蓄电池的混合储能装置,其特征在于,所 述的新能源发电系统(1)通过DC/DC变换器连接至直流母线(7)。
6. 如权利要求1或2所述的一种超级电容器与蓄电池的混合储能装置,其特征在于,所 述的交流负载(3)通过DC/AC变换器连接至直流母线(7)。
7. 如权利要求1或2所述的一种超级电容器与蓄电池的混合储能装置,其特征在于,所 述的蓄电池组(5)包括若干个蓄电池单元,根据进入蓄电池组(5)的充电电流的大小,所述 的若干个蓄电池单元之间的连接方式可在串联或并联两种方式中切换。
8. 如权利要求7所述的一种超级电容器与蓄电池的混合储能装置,其特征在于,所述 的每个蓄电池单元均包括第一直流电源(BT1),所述的第一直流电源(BT1)的正极连接至 第八增强型场效应管(Q8)的漏极,所述的第八增强型场效应管(Q8)的源极分别连接至第 九增强型场效应管(Q9)的源极和第四直流电源(BT4)的正极,所述的第九增强型场效应管 (Q9)的漏极分别连接至第一直流电源(BT1)的负极和第十增强型场效应管(Q10)的漏极, 所述的第十增强型场效应管(Q10)的源极连接至第四直流电源(BT4)的负极。
9. 如权利要求1或2所述的一种超级电容器与蓄电池的混合储能装置,其特征在于,所 述的超级电容器组(4)包括若干个并联的超级电容器单元,所述的超级电容器单元包括若 干个串联的超级电容器。
10. 如权利要求1或2所述的一种超级电容器与蓄电池的混合储能装置,其特征在于, 所述的控制器(6)的型号为TMS320F2812。
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