一种三级对称型动态储能阵列器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及直流动态储能阵列器，具体涉及一种三级对称型动态储能阵列器。该阵列器由12个相同的直流电压源型储能模块和12个低速双向开关及其并联的续流二极管构成。它具有4支路并联运行模式、3支路并联运行模式和2支路并联运行模式等三种稳态运行模式和模式切换过程中产生的两种瞬态运行模式，每种运行模式下每条并联支路含有相同的储能模块数和开关个数，各储能模块状态基本保持一致。本实用新型的储能阵列拓扑结构简单，所用开关数量少，容量利用率和电压波动率综合性能较好；当电压波动率维持在33.3%以内时，容量利用率仍能高达88.9%。
【专利说明】一种三级对称型动态储能阵列器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及直流动态储能阵列器，具体涉及一种三级对称型动态储能阵列器。
【背景技术】
[0002]随着风力和光伏发电等间歇式可再生能源的大量并网发电，储能系统由于其平抑发电功率波动的作用，重要性日益增加。常用的储能方式有蓄电池储能、飞轮储能、超导储能、超级电容储能等。铅酸电池、锂离子电池等蓄电池在正常工况下，其储存能量的增减引起的端电压变化不大。电容、超级电容类的储能元件则与之不同，其储存的能量与端电压密切相关。
[0003]图1绘出了典型超级电容储存能量的百分比与其端电压的关系，可见该类电容在充放电过程中将带来电压的剧烈波动。但是，为了保证储能系统的稳定运行，储能阵列的电压变化范围往往是受限的，例如超级电容的最低工作电压被限制在其额定电压的50%以上，那么超级电容储存容量的56.9%将无法用于储能系统的功率调节，这造成了容量的巨大浪费，增加了储能系统的成本。
[0004]为了提高储能装置的容量利用率，一种方法是扩大储能系统对其电压变化范围的限制。例如，如将最低电压限制扩大到不低于额定电压的1/6，储能装置的容量利用率将提高到90%以上。但是，这种方法将使得对电力变换器通流能力的要求显著提高。如果储能阵列输出端接有DC/DC变换器，则还会造成DC/DC变换器变压比过大，影响其使用效率。可见，用放宽对储能装置电压变化范围限制的方法来提高储能装置的容量利用率，存在一定局限性。
[0005]为解决这一问题，人们提出了动态储能阵列的概念。动态储能阵列的切换级数指阵列具有的不同运行模式的数量；储能阵列的容量利用率指阵列在正常运行过程中可用于能量交换的总能量与阵列存储的最大容量之比。设额定输出电压为Vrate的动态储能阵列，正常运行过程中端电压可能出现的最大值为Vmax，最小值为Vmin，则阵列的电压波动率定义为S = (Vmax-Vmin) Vrate。一般地，阵列端电压的最大值取为其额定值，因而其电压波动率变为 S = (Vrate-Vmin)Vrate0
[0006]期刊《Renewable Energy))2011年10月第36卷第10期第2599页至第2604页的文章“Analysis of generalized parallel-series ultracapacitor shift circuits forenergy storage systems”中提到的N级不对称动态储能阵列含有2N个储能模块和2N+1个双向开关，通过控制双向开关，可使该电路在N种不同运行模式下进行切换。该动态储能阵列具有运行模式多的优点，但是大部分运行模式是非对称模式，各模块的参数必须按照一定的比例关系选取，方能使阵列中各储能模块的荷电状态保持一致。在N取值较大时各模块参数的差异将过大，从而严重影响该电路的应用价值。
实用新型内容[0007]针对现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种三级对称型动态储能阵列器，该储能阵列器为三级4-3-2对称型储能阵列。储能阵列器中含有12个相同的储能模块，通过动态改变阵列内各储能模块的串并联关系，在扩大储能模块电压变化范围的同时保证阵列电压仍在要求的电压范围之内，从而在满足电压波动率要求的前提下达到提高储能装置容量利用率的目的。
[0008]本实用新型的目的是采用下述技术方案实现的:
[0009]本实用新型提供一种三级对称型动态储能阵列器，该储能阵列器包括储能模块，其改进之处在于，所述储能模块为结构相同的12个储能模块，所述储能阵列器为对称结构，包括由12个储能模块和12个双向开关构成的4条支路；每条支路由串联的3个储能模块和I个双向开关构成，两两支路之间通过双向开关连接；所述12个双向开关均并联有续
流二极管。
[0010]进一步地，所述12个储能模块分别为模块I~12 ;所述12个双向开关分别为双向开关 K41，K42, K43, K44, K45, 35、Κ46, 36、Κ31, 23、Κ32、Κ33、Κ34, 24、Κ21、Κ22 ;所述 4 条支路分别为第一串联支路、第二串联支路、第三串联支路和第四串联支路；
[0011]所述第一串联支路由串联的模块I~3以及双向开关Κ41组成；
[0012]所述第二串联支路由串联的模块4-5、双向开关Κ42以及模块6组成；
[0013]所述第三串联支路由串联的模块7、双向开关Κ43以及模块8-9组成；
[0014]所述第四串联支路由串联的双向开关Κ44以及模块10-12组成。
[0015]进一步地，所述第一串联支路与第二串联支路之间通过双向开关Κ31，23连接，该双向开关Κ31，23连接在第一串联支路双向开关Κ41的输入端与第二串联支路双向开关Κ42的输出端之间；
[0016]所述第二串联支路与第三串联支路之间通过双向开关Κ32和Κ33连接，双向开关Κ32和Κ33串联组成双向开关串联支路，所述双向开关串联支路连接在第二串联支路双向开关Κ42的输入端与第三串联支路双向开关Κ43输出端之间；
[0017]所述第三串联支路与第四串联支路之间通过双向开关Κ34，24连接，该双向开关Κ34, 24连接在第三串联支路双向开关Κ43的输入端与第四串联支路双向开关Κ44的输出端之间；
[0018]双向开关Κ45，35和Κ22串联后连接在第二串联支路模块4的输入端与模块5的输出端两侧；
[0019]双向开关Κ21和Κ46，36串联后连接在第二串联支路模块8的输入端与模块9的输出端两侧。
[0020]进一步地，所述储能模块为直流电压源型储能模块，包括但不限于超级电容。
[0021]进一步地，所述储能阵列器的额定电压为Vrate, 4条支路并联运行向3条支路并联运行模式切换的切换电压为—3，3条支路并联运行向4条支路并联运行模式切换的切换电压为V3 — 4，3条支路并联运行向2条支路并联运行模式切换的切换电压为V3 — 2，2条支路并联运行向3条支路并联运行模式切换的切换电压为V2 — 3 ;满足V4 — 3 > (1/4) Vrate > V3^4>V3 —2> (l/6)Vrate> V2 —3。
[0022]进一步地，所述储能阵列器的4支路并联运行模式、3支路并联运行模式和2支路并联运行模式三种稳态运行模式分别如下:[0023]A、当储能模块电压在(1/4) Vrate?(1/3) Vrate范围内时,储能阵列运行在4条支路并联模式下，每条支路含有3个串联的储能模块；4条支路分别为，模块I?3串联支路，模块4?6串联支路，模块7?9串联支路和模块10?12串联支路；
[0024]B、当储能模块电压在(1/6)Vrate?(1/4)Vrate范围内时,储能阵列运行在3条支路并联模式下，每条支路含有4个串联的储能模块；3条支路分别为:模块I?3和模块6串联支路，模块4?5和模块8?9串联支路，以及模块7和模块10?12串联支路。
[0025]C、当储能模块电压低于(1/6)Vrate时，储能阵列运行在2条支路并联模式下，每条支路含有6个串联的储能模块；2条支路分别为，模块I?3、模块6和模块8?9串联支路，以及模块4?5、模块7和模块10?12串联支路。
[0026]与现有技术比，本实用新型达到的有益效果是:
[0027]1、本实用新型提供的三级4-3-2对称型储能阵列器，储能阵列中含有12个相同的储能模块，通过动态改变阵列内各储能模块的串并联关系，在扩大储能模块电压变化范围的同时保证阵列电压仍在要求的电压范围之内，从而在满足电压波动率要求的前提下达到提高储能装置容量利用率的目的，克服了端电压变化范围大的储能单元容量利用率低的缺陷。
[0028]2、本实用新型提供的三级4-3-2对称型储能阵列器，包含4支路并联运行模式、3支路并联运行模式和2支路并联运行模式等三种稳态运行模式和模式切换过程中产生的两种瞬态运行模式，每种运行模式下每条并联支路含有相同的储能模块数和开关个数，各储能模块状态能基本保持一致，并且本实用新型拓扑结构简单，所用开关数量少，容量利用率和电压波动率综合性能好；当储能模块电压不低于(1/9)Vrate时，可保证储能阵列的端电压始终处于(2/3)Vrate?Vrate范围内；即当电压波动率维持在33.3%以内时，容量利用率仍能高达88.9%。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1是超级电容储能量百分比与端电压关系图；
[0030]图2是本实用新型提供的三级对称型动态储能阵列拓扑器图；
[0031]图3是本实用新型提供的以超级电容为储能模块的拓扑器图；
[0032]图4是本实用新型提供的完全放电过程中各运行模式下的电流路径图，其中:
[0033]图(a)是本实用新型提供的完全放电过程中4条支路并联稳态模式下的电流路径图；
[0034]图(b)是本实用新型提供的完全放电过程中4条支路并联瞬态模式下的电流路径图；
[0035]图(C)是本实用新型提供的完全放电过程中3条支路并联稳态模式下的电流路径图；
[0036]图(d)是本实用新型提供的完全放电过程中3条支路并联瞬态模式下的电流路径图；
[0037]图(e)是本实用新型提供的完全放电过程中2条支路并联稳态模式下的电流路径图；
[0038]图5是本实用新型提供的完全充电过程中各运行模式下的电流路径图，其中:[0039]图(a’)是本实用新型提供的完全充电过程中2条支路并联稳态模式下的电流路径图；
[0040]图(b’)是本实用新型提供的完全充电过程中2条支路并联瞬态模式下的电流路径图；
[0041]图(c’)是本实用新型提供的完全充电过程中3条支路并联稳态模式下的电流路径图；
[0042]图(d’)是本实用新型提供的完全充电过程中3条支路并联瞬态模式下的电流路径图；
[0043]图(e’)是本实用新型提供的完全充电过程中4条支路并联稳态模式下的电流路径图。
【具体实施方式】
[0044]下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作进一步的详细说明。
[0045]本实用新型的目的在于克服端电压变化范围大的储能单元容量利用率低的缺陷，提供一种能够同时实现较高容量利用率和较小电压波动率的动态储能阵列器及其控制方法。
[0046]本实用新型提供的三级对称型动态储能阵列器拓扑图如图2所示，Kij表示双向开关，Dij表示与Kij并联的续流二极管，其中i=2、3、4 ;j=l、2、…、6。储能阵列由12个相同的储能模块和12个并联有续流二极管的低速双向开关构成阵列。
[0047]12个相同的储能模块和12个双向开关构成的4条支路，所述4条支路并联；每条支路由串联的3个储能模块和I个双向开关构成，两两支路之间通过双向开关连接；所述12个双向开关均并联有续流二极管；储能阵列器包括4支路并联运行模式、3支路并联运行模式和2支路并联运行模式三种稳态运行`模式和模式切换过程中产生的两种瞬态运行模式。
[0048]12个储能模块分别为模块I~12 ;所述12个双向开关分别为双向开关I~12 ;所述4条支路分别为第一串联支路、第二串联支路、第三串联支路和第四串联支路；所述第一串联支路由串联的模块I~3以及双向开关I组成；所述第二串联支路由串联的模块4-5、双向开关3以及模块6组成；所述第三串联支路由串联的模块7、双向开关6以及模块8-9组成；所述第四串联支路由串联的双向开关8以及模块10-12组成。
[0049]第一串联支路与第二串联支路之间通过双向开关2连接，该双向开关2连接在第一串联支路双向开关I的输入端与第二串联支路双向开关3的输出端之间；第二串联支路与第三串联支路之间通过双向开关4和5连接，双向开关4和5串联组成双向开关串联支路，所述双向开关串联支路连接在第二串联支路双向开关2的输入端与第三串联支路双向开关6输出端之间；第三串联支路与第四串联支路之间通过双向开关7连接，该双向开关7连接在第三串联支路双向开关6的输入端与第四串联支路双向开关8的输出端之间；双向开关9和10并联后连接在第二串联支路模块4的输入端与模块5的输出端两侧；双向开关11和12并联后连接在第二串联支路模块8的输入端与模块9的输出端两侧。
[0050]储能模块为直流电压源型储能模块，包括超级电容。
[0051]本实用新型还提供一种三级对称型动态储能阵列器的控制方法，当储能模块电压发生大范围变化时，通过控制双向开关改变各储能模块之间的串并联关系，以减小储能阵列端电压的波动范围，4支路并联运行模式、3支路并联运行模式和2支路并联运行模式三种稳态运行模式分别如下:
[0052]A、当储能模块电压在(1/4) Vrate~(1/3) Vrate范围内时,储能阵列运行在4条支路并联模式下，每条支路含有3个串联的储能模块；4条支路分别为，模块I~3串联支路，模块4~6串联支路，模块7~9串联支路和模块10~12串联支路；
[0053]B、当储能模块电压在(1/6)Vrate~(1/4)Vrate范围内时,储能阵列运行在3条支路并联模式下，每条支路含有4个串联的储能模块；3条支路分别为:模块I~3和模块6串联支路，模块4~5和模块8~9串联支路，以及模块7和模块10~12串联支路。
[0054]C、当储能模块电压低于(1/6)Vrate时，储能阵列运行在2条支路并联模式下，每条支路含有6个串联的储能模块；2条支路分别为，模块I~3、模块6和模块8~9串联支路，以及模块4~5、模块7和模块10~12串联支路。
[0055]本实用新型与不对称动态储能阵列器相比，优点是每种运行模式下每条并联支路含有相同的储能模块数和开关个数，各储能模块状态能基本保持一致。并且本实用新型拓扑结构简单，所用开关数量少，容量利用率和电压波动率综合性能较好；当储能模块电压不低于(1/9) Vrate时,可保证储能阵列的端电压始终处于(2/3) Vrate~Vrate范围内；即当电压波动率维持在33.3%以内时，容量利用率仍能高达88.9%。
[0056]实施例
[0057]下面以超级电 容为储能单元的储能阵列器的完全充放电过程为例，详细说明本实用新型的【具体实施方式】。
[0058]本实用新型提供的以超级电容为储能模块的拓扑图如图3所示，Kij表示双向开关，Dij表示与Kij并联的续流二极管，SCn表示超级电容储能模块,其中:i=2、3、4 ;j=l、
2、…、6 ;n=l、2、…、12。设a点电位高于13点电位。
[0059]储能阵列器的额定电压为VMte，4条支路并联运行向3条支路并联运行模式切换的切换电压为—3，3条支路并联运行向4条支路并联运行模式切换的切换电压V3 — 4，3条支路并联运行向2条支路并联运行模式切换的切换电压V3 —2，2条支路并联运行向3条支路并联运行模式切换的切换电压V2^3，且满足Vp3 > (1/4) Vrate > V3^4 > V3^2 > (1/6) Vrate> V2-3。
[0060]在一次完全的放电过程中，该储能阵列五种运行模式的电流路径如图4所示。
[0061]储能阵列器的控制方法通过动态改变储能阵列装置内各储能模块的串并联关系实现，包括完全放电过程中储能阵列五种运行模式和完全充电过程中储能阵列五种运行模式。
[0062]完全放电过程中储能阵列器五种运行模式分别如下:
[0063]放电开始时，储能模块I~12均处于满充状态，双向开关K41，K42，K43，K44，K45, 35和K46，36闭合，其余双向开关断开，此时储能阵列器运行在4条支路并联运行的稳态模式下，每条支路含有3个储能模块，4条支路分别为:模块I~3串联支路，模块4~6串联支路，模块7~9串联支路和模块10~12串联支路。储能阵列内部的电流路径如图4(a)所示。
[0064]当储能阵列器放电、储能模块I~12电压降到V4 — 3后，断开双向开关K41，K42，K43和K44 ;对应与上述双向开关并联的续流二极管D41，D42，D43和D44导通，储能阵列器进入4条支路并联运行的瞬态模式，其电流路径如图4(b)所示。
[0065]当储能模块I~12电压因继续放电降到％ — 4后，开通双向开关1(31，23，1(32，1(33和K34，24 ;当双向开关K31，23，K32，K33和K34，24导通后，与上述双向开关并联的四个续流二极管因为反向偏置自动关断，电路从4条支路并联运行的瞬态模式切换到3条支路并联运行的稳态模式，3条支路分别为:模块I~3和模块6串联支路；模块4~5和模块8~9串联支路；以及模块7和模块10~12串联支路，其电流路径如图4(c)所不。
[0066]当储能模块I~12电压因继续放电降低到V3 — 2后，关断双向开关K45，35，K33，K46, 36 ;此时续流二极管D45，35，D33和D46，36续流，储能阵列器进入3条支路并联运行的瞬态模式。
[0067]当储能模块I~12电压因继续放电降低到V2 — 3后，导通双向开关K21，K22 ;续流二极管D45，35，D33，D46, 36因反向偏置自动关断，储能阵列器切换到2条支路并联运行的稳态模式，2条支路分别为:模块I~3、模块6和模块8~9串联支路，以及模块4~5、模块7和模块10~12串联支路，切换过程中所经历的三种运行模式的电流路径依次如图4(c)~(e)所示。
[0068]充电过程中该储能阵列的运行模式切换过程与放电过程相似，其五种运行模式下的电流路径如图5所示。
[0069]充电开始时，双向开关K21，K22，K31, 23和K34，24导通，其余双向开关关断，储能阵列器运行在2条支路并联的稳态模式，其电流路径如图5(a’ )所示。
[0070]随着充电的进行，储能模块I~12电压升高，当储能模块I~12电压升至V2 — 3时，关断双向开关K21和K22，续流二极管D21和D22续流，储能阵列器运行在2条支路并联的瞬态模式。
[0071]当储能模块I~12电压升至V`^2时，开通双向开关1(45，35，1(32，1(33和1(46，36 ；续流二极管D21和D22因反向偏置自动关断，储能阵列器从2条支路并联运行的瞬态模式切换到3条支路并联运行的稳态模式。此过程该阵列经历的电流路径依次如图5(a’ )~(c’ )所示
[0072]当储能模块I~12电压继续升至V3 —4时，关断双向开关K31，23，K32和K34，24 ；续流二极管D31，23，D32和D34，24续流，储能阵列器运行在3条支路并联的瞬态模式。
[0073]当储能模块I~12电压继续升至V4 —3时，开通双向开关K41，K42，K43和K44，续流二极管D31，23，D32和D34，24因反向偏置自动关断，储能阵列器从3条支路并联运行的瞬态模式切换到4条支路并联运行的稳态模式，此过程经历的电流路径依次如图5(c’ )~(e，)所示。
[0074]本实用新型提供的三级4-3-2对称型动态储能阵列及其控制方法。该阵列由12个相同的直流电压源型储能模块和12个低速双向开关及其并联的续流二极管构成。它具有4支路并联运行模式、3支路并联运行模式和2支路并联运行模式等三种稳态运行模式和模式切换过程中产生的两种瞬态运行模式，每种运行模式下每条并联支路含有相同的储能模块数和开关个数，各储能模块状态基本保持一致。本实用新型的储能阵列拓扑结构简单，所用开关数量少，容量利用率和电压波动率综合性能较好；当电压波动率维持在33.3%以内时，容量利用率仍能高达88.9%。[0075] 最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本实用新型的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种三级对称型动态储能阵列器，该储能阵列器包括储能模块，其特征在于，所述储能模块为结构相同的12个储能模块，所述储能阵列器为对称结构，包括由12个储能模块和12个双向开关构成的4条支路；每条支路由串联的3个储能I吴块和I个双向开关构成，两两支路之间通过双向开关连接；所述12个双向开关均并联有续流二极管。
2.如权利要求1所述的储能阵列器，其特征在于，所述12个储能模块分别为模块I~12 ;所述 12 个双向开关分别为双向开关 K41，K42，K43，K44，K45, 35、K46, 36、K31, 23、K32、Κ33、Κ34，24、Κ21、Κ22 ;所述4条支路分别为第一串联支路、第二串联支路、第三串联支路和第四串联支路； 所述第一串联支路由串联的模块I~3以及双向开关Κ41组成； 所述第二串联支路由串联的模块4-5、双向开关Κ42以及模块6组成； 所述第三串联支路由串联的模块7、双向开关Κ43以及模块8-9组成； 所述第四串联支路由串联的双向开关Κ44以及模块10-12组成。
3.如权利要求2所述的储能阵列器，其特征在于，所述第一串联支路与第二串联支路之间通过双向开关Κ31，23连接，该双向开关Κ31，23连接在第一串联支路双向开关Κ41的输入端与第二串联支路双向开关Κ42的输出端之间； 所述第二串联支路与第三串联支路之间通过双向开关Κ32和Κ33连接，双向开关Κ32和Κ33串联组成双向开关串联支路，所述双向开关串联支路连接在第二串联支路双向开关Κ42的输入端与第三串联支路双向开关Κ43输出端之间； 所述第三串联支路与第四串联支路之间通过双向开关Κ34，24连接，该双向开关Κ34, 24连接在第三串联支路双向开关Κ43的输入端与第四串联支路双向开关Κ44的输出端之间；` 双向开关Κ45，35和Κ22串联后连接在第二串联支路模块4的输入端与模块5的输出端两侧； 双向开关Κ21和Κ46，36串联后连接在第二串联支路模块8的输入端与模块9的输出端两侧。
4.如权利要求1所述的储能阵列器，其特征在于，所述储能模块为直流电压源型储能模块，包括但不限于超级电容。
5.如权利要求1所述的储能阵列器，其特征在于，所述储能阵列器的额定电压为VMte，4条支路并联运行向3条支路并联运行模式切换的切换电压为V4 —3，3条支路并联运行向4条支路并联运行模式切换的切换电压为V3 —4，3条支路并联运行向2条支路并联运行模式切换的切换电压为V3 —2，2条支路并联运行向3条支路并联运行模式切换的切换电压为V2 —3;满足 V4 —3> (l/4)Vrate> V3^4 > V3^2 > (l/6)Vrate> V2 —3。
6.如权利要求1所述的储能阵列器，其特征在于，所述储能阵列器的4支路并联运行模式、3支路并联运行模式和2支路并联运行模式三种稳态运行模式分别如下: A、当储能模块电压在(1/4)Vrate~(1/3) Vrate范围内时,储能阵列运行在4条支路并联模式下，每条支路含有3个串联的储能模块；4条支路分别为，模块I~3串联支路，模块4~6串联支路，模块7~9串联支路和模块10~12串联支路； B、当储能模块电压在(1/6)Vrate~(1/4) Vrate范围内时,储能阵列运行在3条支路并联模式下，每条支路含有4个串联的储能模块；3条支路分别为:模块I~3和模块6串联支路，模块4~5和模块8~9串联支路，以及模块7和模块10~12串联支路。 C、当储能模块电压低于(1/6)Vrate时，储能阵列运行在2条支路并联模式下，每条支路含有6个串联的储能模块；2条支路分别为，模块I~3、模块6和模块8~9串联支路，以及模块4~5、模块 7和模块10~12串联支路。
【文档编号】H02J1/02GK203504176SQ201320653905
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年10月22日 优先权日:2013年10月22日
【发明者】吕志鹏, 盛万兴, 钟庆昌, 肖曦, 刘海涛, 吴鸣, 聂金峰, 丁若星, 田培根, 王奎 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院, 国网辽宁省电力有限公司, 清华大学