专利名称：一种混合级联型多电平储能充放电及均压电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多电平储能充放电控制器拓扑结构，特别是关于一种混合级联型多电平储能充放电及均压电路。
背景技术：
采用蓄电池和超级电容器等的储能装置在电力系统储能和电动汽车中得到了越来越广泛的应用。储能装置中的充放电控制器、均压和均流电路可以提高储能装置的利用率，避免单体特性不一致造成的均压和均流问题，提高储能单元的寿命。目前，蓄电池和超级电容器的充放电都是采用单个电源对整个储能装置进行充电，由充放电控制器对充电的电压和电流进行控制。另外，在储能装置内部设置均压电路， 内部各储能单元的电压进行均衡控制。现有的均压电路大体可分为两大类一类是能量消耗型电压均衡方法，把某些过充的储能单体的能量消耗在并联的电阻上，以避免该单体受到损害。主要有电阻均压、开关电阻均压和稳压管均压法等，这些方法是将能量消耗在电阻上，均压电路的效率比较低。另一类是能量转移型电压均衡方法，利用电感、电容、变压器等作为能量转移中介，把某些单体上多余的能量转移到其他单体上，这类方法中电感、电容和变压器等能量转移中介体积和成本都较高。并且现有的上述两类方法都是在电压出现不平衡的时候被动地进行调整，主动性较低。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单，均压电路效率较高，能实现控制储能单元均压和均流的混合级联型多电平储能充放电及均压电路。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种混合级联型多电平储能充放电及均压电路，其特征在于它包括多电平变换器、电感、电压和电流检测单元和控制器，所述多电平变换器包括三相电路，每相电路均包括若干个串联的级联单元，每个所述级联单元的两个连接端子分别与相邻所述级联单元的连接端子串联；所述多电平变换器的三相输出端连接负载，所述多电平变换器的三相输入端分别经一所述电感连接外部电网；各所述电感的电网输入侧均连接至所述电压和电流检测单元，所述电压和电流检测单元将检测到的电网电压和电流信号传输至所述控制器，所述控制器与所述多电平变换器进行信息交互。每个所述级联单元均包括若干个串联的基本单元和一 H桥逆变器，所述H桥逆变器的两个输入端子分别与串联后位于两端的所述基本单元输出端子连接；所述H桥逆变器的两输出端为所述级联单元的两个连接端子。每个所述基本单元均包括三个输出端子，相邻的两个所述基本单元采用由第一个输出端子和第二个输出端子串联结构或采用由第二个输出端子和第三个输出端子串联结构。每个所述基本单元均包括电压传感器、储能单元以及由两个串联的功率开关器件组成的桥臂，所述电压传感器两端依次并联所述储能单元和桥臂，所述电压传感器将检测到的所述储能单元电传输至所述控制器。在同一个所述级联单元中，各所述储能单元均采用蓄电池或超级电容。在同一个所述级联单元中，一部分所述基本单元内的储能单元采用蓄电池作为储能单元，其余分所述基本单元内的储能单元采用超级电容作为储能单元。每个所述级联 单元中的H桥逆变器包括两个并联的桥臂，每个所述桥臂均由两个功率开关器件组成。所述控制器包括一数字信号微处理器、一通讯接口、一电源模块、一模/数转换模块、一状态显示模块、一外部存储器模块、一 PWM扩展模块和一 PWM驱动模块；所述数字信号微处理器通过所述通讯接口实现与PC机通讯；所述电源模块为所述控制器供电；所述模/ 数转换模块用于将所述电压和电流检测单元和电压传感器采集的信号转换为数字信号，输入至所述数字信号微处理器；所述状态显示模块用于对所述控制器的运行状态进行显示； 所述外部存储器模块用于对所述控制器运行过程中的参数和变量进行存储；所述PWM扩展模块用于把所述数字信号微处理器产生的PWM信号扩展为电路控制所需要的各控制信号， 通过所述PWM驱动模块来驱动电路中的所有功率开关器件。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明由多电平变换器、电压和电流检测单元以及控制器组成，多电平变换器由若干个串联的级联单元，每个级联单元内又含有若干个串联的基本单元，而且在同一个级联单元内，可以采用蓄电池和超级电容混合结构的储能结构，这样减少了储能单元的直接串并联，电路结构比较简单。2、本发明多电平变换器的输出为多电平电压，这样使得输出电压的跳变和谐波较小，均压电路的效率较高。3、本发明由于采用控制器与多电平变换器进行信息交互，每个基本单元中储能单元的状态都可以通过电压传感器传送给控制器，为控制器对每个储能单元的控制提供依据， 可以很方便的测量每个储能单元的开路电压并估计剩余电量。4、本发明采用混合式储能结构的级联单元，可以将多种储能介质混合到一个电路中，组成混合储能系统，因此，提高了系统性能。5、本发明由于采用有低压器件构成桥臂，这样可以运行在较高的开关频率下，而且H桥逆变器的器件虽然额定电压较高，但是开关频率可以仅为基波频率。本发明可以广泛应用于电力系统储能和电动汽车等系统中。
图1是本发明的总体结构示意图；图2是本发明的级联单元结构示意图；图3是本发明采用蓄电池式储能单元的基本单元结构示意图；图4是本发明采用超级电容式储能单元的基本单元结构示意图；图5是本发明的H桥逆变器结构示意图；图6是本发明的控制器结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图1所示，本发明包括多电平变换器1、电感2、电压和电流检测单元3和控制器 4，其中，多电平变换器1包括三相电路，每相电路均包括若干个串联的级联单元5，每个级联单元5的两个连接端子Xp X2分别与相邻级联单元5的连接端子X2、相邻级联单元5的连接端子X1串联。多电平变换器1的三相输出端连接三相负载a、b和c，实现放电功能，即为负载供电；多电平变换器1的三相输入端Usa、Usb和Usc分别经一电感2连接外部电网，由电感2将电网输入的电流信号滤波、限流后输入多电平变换器1内，实现充电 功能。各电感 2的电网输入侧均连接至电压和电流检测单元3，电压和电流检测单元3将检测到的电网电压和电流信号传输至控制器4，控制器4与多电平变换器1进行信息交互。控制器4将接收到的信号处理后，发送至多电平变换器1，检测多电平变换器1内储能单元的电压并估计剩余电量(SOC)。上述实施例中，如图2所示，多电平变换器1中每个级联单元5均包括若干个串联的基本单元50和一 H桥逆变器51，H桥逆变器51的两个输入端子X3、X4分别与串联后位于两端的基本单元50输出端子连接；H桥逆变器51的两输出端即为级联单元5的两个连接端子XpX2。每个基本单元50均包括三个输出端子X5、X6和X7,相邻的两个基本单元50可以采用由输出端子X5、X6串联，也可以采用由输出端子x6、X7串联。上述实施例中，如图3、图4所示，基本单元50包括电压传感器501、储能单元502 以及由两个串联的功率开关器件503、504组成的桥臂505，电压传感器501两端依次并联储能单元502和桥臂505，电压传感器501将检测到的储能单元502电压传输至控制器4。桥臂505中第一个功率开关器件503的集电极分别连接储能单元502的正极和该基本单元50 输出端子X5,发射极分别连接第二个功率开关器件504的集电极和该基本单元50输出端子 X6 ；第二个功率开关器件504的发射极分别连接储能单元502的负极和该基本单元50的第三个输出端子X7。在使用时，当其中一个基本单元50采用由输出端子X5、X6串联时，如果桥臂505内功率开关器件503导通，功率开关器件504关断，则该基本单元50被旁路，该基本单元50中的储能单元502既不充电也不放电，如果功率开关器件503关断，功率开关器件 504导通，则储能单元502被串入回路，储能单元502被充电或者被放电；当各基本单元50 采用由输出端子X6、X7串联时，原理与前述原理类似。其中，在同一个级联单元5中，可以所有的储能单元502都为同一种类型，均采用蓄电池作为储能单元(如图3所示)，或均采用超级电容作为储能单元(如图4所示)；也可以一部分基本单元50内的储能单元502采用蓄电池作为储能单元(如图3所示)，其余部分基本单元50内的储能单元502采用超级电容作为储能单元(如图4所示)，使得级联单元5为一个混合式储能结构。上述各实施例中，如图5所示，每个级联单元5中的H桥逆变器51包括两个并联的桥臂511，每个桥臂511均由两个功率开关器件512、513组成。H桥逆变器51中的功率开关器件512、513电压值由其所在的级联单元5中基本单元50的级数和储能单元502的电压值来共同决定；多电平变换器1输出的电压可以通过级联单元5的级数、级联单元5中的基本单元50的级数和储能单元502的电压值来共同决定。上述各实施例中，各基本单元50中的各功率开关器件503、504根据储能单元502 的额定电压等级选择相应等级的功率半导体器件，如MOSFET和IGBT等。H桥逆变器51中的各功率开关器件512、513根据基本单元50串联的个数和储能单元502的额定电压来选择相应等级的功率半导体开关器件，比如IGBT、IGCT等。
上述各实施例中，如图6所示，控制器4包括一数字信号微处理器41、一通讯接口 42、一电源模块43、一模/数转换模块44、一状态显示模块45、一外部存储器模块46、一 PWM (脉宽调制信号)扩展模块47和一 PWM驱动模块48。数字信号微处理器41可以采用美国德州仪器公司(Tl)生产的型号为 TMS320F28335的芯片，数字信号微处理器41通过通讯接口 42实现与PC机和其他设备之间的通讯；通讯接口 42采用232通讯和485通讯模式。
电源模块43采用德州仪器公司的TPS767D301芯片，实现为控制器4供电。模/数转换模块44用于将电压和电流检测单元3和电压传感器501采集的信号转换为数字信号，输入至数字信号微处理器41内，控制系统的计算。状态显示模块45用于对控制器4的运行状态进行显示。外部存储器模块46用于对控制器4运行过程中的参数和变量进行存储。PWM扩展模块47采用Altera公司的CPLD/FPGA逻辑芯片，用于把数字信号微处理器41产生的PWM信号扩展为电路控制所需要的各控制信号，通过PWM驱动模块48来驱动电路中的所有功率开关器件。上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的连接和结构都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
权利要求
1.一种混合级联型多电平储能充放电及均压电路，其特征在于它包括多电平变换器、电感、电压和电流检测单元和控制器，所述多电平变换器包括三相电路，每相电路均包括若干个串联的级联单元，每个所述级联单元的两个连接端子分别与相邻所述级联单元的连接端子串联；所述多电平变换器的三相输出端连接负载，所述多电平变换器的三相输入端分别经一所述电感连接外部电网；各所述电感的电网输入侧均连接至所述电压和电流检测单元，所述电压和电流检测单元将检测到的电网电压和电流信号传输至所述控制器，所述控制器与所述多电平变换器进行信息交互。
2.如权利要求1所述的一种混合级联型多电平储能充放电及均压电路，其特征在于 每个所述级联单元均包括若干个串联的基本单元和一 H桥逆变器，所述H桥逆变器的两个输入端子分别与串联后位于两端的所述基本单元输出端子连接；所述H桥逆变器的两输出端为所述级联单元的两个连接端子。
3.如权利要求2所述的一种混合级联型多电平储能充放电及均压电路，其特征在于 每个所述基本单元均包括三个输出端子，相邻的两个所述基本单元采用由第一个输出端子和第二个输出端子串联结构或采用由第二个输出端子和第三个输出端子串联结构。
4.如权利要求2所述的一种混合级联型多电平储能充放电及均压电路，其特征在于 每个所述基本单元均包括电压传感器、储能单元以及由两个串联的功率开关器件组成的桥臂，所述电压传感器两端依次并联所述储能单元和桥臂，所述电压传感器将检测到的所述储能单元电传输至所述控制器。
5.如权利要求4所述的一种混合级联型多电平储能充放电及均压电路，其特征在于 在同一个所述级联单元中，各所述储能单元均采用蓄电池或超级电容。
6.如权利要求4所述的一种混合级联型多电平储能充放电及均压电路，其特征在于 在同一个所述级联单元中，一部分所述基本单元内的储能单元采用蓄电池作为储能单元， 其余分所述基本单元内的储能单元采用超级电容作为储能单元。
7.如权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种混合级联型多电平储能充放电及均压电路，其特征在于每个所述级联单元中的H桥逆变器包括两个并联的桥臂，每个所述桥臂均由两个功率开关器件组成。
8.如权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种混合级联型多电平储能充放电及均压电路，其特征在于所述控制器包括一数字信号微处理器、一通讯接口、一电源模块、一模 /数转换模块、一状态显示模块、一外部存储器模块、一 PWM扩展模块和一 PWM驱动模块；所述数字信号微处理器通过所述通讯接口实现与PC机通讯；所述电源模块为所述控制器供电；所述模/数转换模块用于将所述电压和电流检测单元和电压传感器采集的信号转换为数字信号，输入至所述数字信号微处理器；所述状态显示模块用于对所述控制器的运行状态进行显示；所述外部存储器模块用于对所述控制器运行过程中的参数和变量进行存储；所述PWM扩展模块用于把所述数字信号微处理器产生的PWM信号扩展为电路控制所需要的各控制信号，通过所述PWM驱动模块来驱动电路中的所有功率开关器件。
9.如权利要求7所述的一种混合级联型多电平储能充放电及均压电路，其特征在于 所述控制器包括一数字信号微处理器、一通讯接口、一电源模块、一模/数转换模块、一状态显示模块、一外部存储器模块、一 PWM扩展模块和一 PWM驱动模块； 所述数字信号微处理器通过所述通讯接口实现与PC机通讯； 所述电源模块为所述控制器供电；所述模/数转换模块用于将所述电压和电流检测单元和电压传感器采集的信号转换为数字信号，输入至所述数字信号微处理器；所述状态显示模块用于对所述控制器的运行状态进行显示； 所述外部存储器模块用于对所述控制器运行过程中的参数和变量进行存储； 所述PWM扩展模块用于把所述数字信号微处理器产生的PWM信号扩展为电路控制所需要的各控制信号，通过所述PWM驱动模块来驱动电路中的所有功率开关器件。
全文摘要
本发明涉及一种混合级联型多电平储能充放电及均压电路，其特征在于它包括多电平变换器、电感、电压和电流检测单元和控制器，多电平变换器包括三相电路，每相电路均包括若干个串联的级联单元，每个级联单元的两个连接端子分别与相邻级联单元的连接端子串联；多电平变换器的三相输出端连接负载，多电平变换器的三相输入端分别经一电感连接外部电网；各电感的电网输入侧均连接至电压和电流检测单元，电压和电流检测单元将检测到的电网电压和电流信号传输至控制器，控制器与多电平变换器进行信息交互。本发明采用蓄电池和超级电容混合结构的储能结构，能减少储能单元的直接串并联，电路结构比较简单。本发明可以广泛应用于电力系统储能和电动汽车等系统中。
文档编号H02J15/00GK102185487SQ20111012703
公开日2011年9月14日 申请日期2011年5月17日 优先权日2011年5月17日
发明者李永东, 王奎, 郑泽东 申请人:清华大学