一种不对称链式混合储能系统及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种不对称链式混合储能系统及其控制方法，该系统主要包括由超级电容器储能单元和蓄电池储能单元构成的链式混合储能结构，还包括与链式混合储能结构连接构成辅助功率环路的LC调谐滤波器。在充放电过程中，通过控制蓄电池储能单元中级联变换器的PWM开关信号，使蓄电池储能单元输出交流电压中包含一个高频分量，通过调节高频电压分量的幅度和相位，可以改变功率在不同单元之间流动的大小和方向。通过功率交换，当蓄电池储能单元输出电流不足时，超级电容器储能单元通过辅助功率环路向蓄电池储能单元提供功率以提高其电流输出能力；当超级电容器剩余能量不足时，蓄电池通过辅助功率环向超级电容器充电。
【专利说明】一种不对称链式混合储能系统及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及储能【技术领域】，尤其涉及一种链式混合储能系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002]现有的储能元件可以分为能量型(铅酸电池、锂电池和钠硫电池等)和功率型(超级电容器、超导磁储能和飞轮储能等)两类。实际应用中某些需求，如平抑间歇式电源功率波动，需要储能系统既要有快速响应部分，也要有一定的储能容量，因此只选择某一种类型的储能技术难以满足。混合储能系统(Hybrid Energy Storage System,HESS)通过将不同种类的储能元件直接并联或通过电力电子变换器连接，使不同储能技术的特性得以互补，从而提高储能系统的整体性能和储能元件的使用寿命。在电动汽车电源、稳定电网电压和平滑功率波动等领域有着广泛的应用。
[0003]在对于储能技术的选择上，蓄电池/超级电容器混合储能系统，由于储能技术互补性强、成熟度高并且工业化应用程度好，是目前混合储能系统研究的重点。研究成果显示蓄电池/超级电容器混合储能系统可以同时具有较高的能量密度和功率密度，其性能优于蓄电池储能系统，并可以延长系统中蓄电池的寿命。
[0004]将蓄电池或超级电容器与变换器进行并联组成储能单元，然后再将储能单元进行串联组成链式混合储能系统，可以提高储能系统的输出电压和电平数，使其具有直接并入中高压交流电网的能力以及优良的电能质量。但是由于变换器之间的串联结构，蓄电池储能单元和超级电容器储能单元需要具备同样的电流输出能力，这与超级电容器电流输出能力强，蓄电池功率输出能力弱的特性有矛盾。同时，在串联结构中，超级电容器中的能量难以从蓄电池中进行补充。
【发明内容】
[0005]技术问题:针对上述现有技术，提供一种不对称的链式混合储能系统，能够在储能单元串联结构中通过储能单元之间的功率转移提高蓄电池储能单元电流输出能力，并能够使蓄电池向超级电容器充电。
[0006]技术方案:为了实现上述目的，本发明使用以下技术方案:
[0007]—种不对称链式混合储能系统，包括一个超级电容器储能单元、至少一个蓄电池储能单元、输出电感、交流母线、LC调谐滤波器、电流检测单元、电压检测单元以及控制器；其中:
[0008]所述超级电容器储能单元由超级电容器对应与一个级联变换器输入端并联组成；所述每个蓄电池储能单元由蓄电池对应与一个级联变换器输入端并联组成；所述每个储能单元输出端的两个端子分别与相邻储能单元的输出端端子串联，第一个储能单元输出端的正端子通过所述输出电感连接交流母线的一极，最后一个储能单元的输出端的负端子连接到所述交流母线的另一极，所述超级电容器储能单元和蓄电池储能单元组成链式混合储能结构；所述LC调谐滤波器设置在所述第一个储能单元输出端正端子与最后一个储能单元输出端负端子之间；所述电流检测单元采集交流母线的电流信号和LC调谐滤波器电流信号，并将所述电流信号传输至所述控制器；所述电压检测单元采集超级电容器和蓄电池的正负极电压值以及交流母线电压信号，并将所述电压信号传输至所述控制器；所述控制器输出PWM信号到所述各个级联变换器。
[0009]进一步的，所述级联变换器由升压DC / DC变换器和全桥变换器级联组成；所述全桥变换器由两个桥臂组成，每个桥臂包括两个串联的功率器件；在所述升压DC / DC变换器和全桥变换器之间并联有电容器。
[0010]进一步的，所述全桥变换器中的功率器件为电力场效应管M0SFET、电力晶体管GTR或绝缘栅双极晶体管IGBT的半导体开关管。
[0011]进一步的，所述超级电容器由若干串并联的单体超级电容器组成，所述单体超级电容器为双电层型单体超级电容器或赝电容型单体超级电容器。
[0012]进一步的，所述蓄电池由若干串并联的单体蓄电池组成，所述单体蓄电池为铅酸电池、锂电池、钠硫电池、镍氢电池或全钒液流电池。
[0013]进一步的，所述控制器包括:数字信号微处理器，连接所述数字信号微处理器的通讯接口、电源模块、模/数转换模块、显示模块以及PWM驱动模块；其中:
[0014]所述模/数转换模块用于将所述电压检测单元采集的电压信号和电流检测单元采集的电流信号转换为数字信号，并将所述数字信号输入至数字信号微处理器；
[0015]所述数字信号微处理器用于根据接收到的所述数字信号执行控制算法并输出PWM信号;
[0016]所述通讯接口用于数字信号微处理器与上位机之间的通讯；
[0017]所述电源模块用于给所述控制器供电；
[0018]所述显示模块用于对所述控制器的运行状态进行显示；
[0019]所述PWM驱动模块用于接收所述数字信号微处理器输出的PWM信号，并将所述PWM信号进行放大后驱动所述级联变换器。
[0020]一种如不对称链式混合储能系统控制方法，包括如下步骤:
[0021]步骤(I)，电压检测单元采集超级电容器和蓄电池的正负极电压值以及交流母线电压信号，并将所述电压信号传输至所述控制器的模/数转换模块进行模/数转换，并将模/数转换后的数字信号传输至数字信号微处理器；电流检测单元采集交流母线的电流信号和LC调谐滤波器电流信号，并将所述电流信号传输至所述控制器的模/数转换模块进行模/数转换，并将模/数转换后的数字信号传输至数字信号微处理器；
[0022]步骤(2)，当不对称链式混合储能系统工作在正常功率输出模式时，数字信号微处理器根据交流母线电压信号和系统功率输出需求，控制超级电容器储能单元输出工频准方波电压Vs。，所述工频准方波电压Vs。移相角为Θ，并控制所有蓄电池储能单元的输出叠加后得到工频正弦电压Vbtf和谐波电压Vbth ;其中，所述工频准方波电压Vs。与谐波电压Vbth之和为工频正弦电压Vbtf ;通过控制所述移相角Θ与工频正弦电压Vbtf来控制超级电容器储能单元与蓄电池储能单元输出功率大小；
[0023]当超级电容器储能单元中的电容器剩余能量达到下限时，控制蓄电池向超级电容器充电的具体步骤如下:
[0024]a)，数字信号微处理器将超级电容器正负极电压与电容器电压参考值进行比较生成电容器电压误差值，并根据所述电容器误差值控制所有蓄电池储能单元输出叠加后得到一个高频正弦电压信号Vbta,所述高频正弦信号Vto的频率为LC调谐滤波器的谐振频率
【权利要求】
1.一种不对称链式混合储能系统，其特征在于:所述系统包括一个超级电容器储能单元、至少一个蓄电池储能单元、输出电感(I)、交流母线(2)、LC调谐滤波器(3)、电流检测单元(7)、电压检测单元⑶以及控制器(9);其中: 所述超级电容器储能单元由超级电容器(5)对应与一个级联变换器(4)输入端并联组成；所述每个蓄电池储能单元由蓄电池(6)对应与一个级联变换器(4)输入端并联组成；所述每个储能单元输出端的两个端子分别与相邻储能单元的输出端端子串联，第一个储能单元输出端的正端子通过所述输出电感(I)连接交流母线(2)的一极，最后一个储能单元的输出端的负端子连接到所述交流母线(2)的另一极，所述超级电容器储能单元和蓄电池储能单元组成链式混合储能结构；所述LC调谐滤波器(3)设置在所述第一个储能单元输出端正端子与最后一个储能单元输出端负端子之间；所述电流检测单元(7)采集交流母线(2)的电流信号和LC调谐滤波器(3)电流信号，并将所述电流信号传输至所述控制器(9)；所述电压检测单元(8)采集超级电容器(5)和蓄电池(6)的正负极电压值以及交流母线(2)电压信号，并将所述电压信号传输至所述控制器(9);所述控制器(9)输出PWM信号到所述各个级联变换器(4)。
2.如权利要求1所述的不对称链式混合储能系统，其特征在于:所述级联变换器(4)由升压DC / DC变换器(41)和全桥变换器(42)级联组成；所述全桥变换器(42)由两个桥臂组成，每个桥臂包括两个串联的功率器件；在所述升压DC / DC变换器(41)和全桥变换器(42)之间并联有电容器(43)。
3.如权利要求2所述的不对称链式混合储能系统，其特征在于:所述全桥变换器(42)中的功率器件为电力场效应管MOSFET、电力晶体管GTR或绝缘栅双极晶体管IGBT的半导体开关管。
4.如权利要求1所述的不对称链式混合储能系统，其特征在于:所述超级电容器(5)由若干串并联的单体超级电容器组成，所述单体超级电容器为双电层型单体超级电容器或赝电容型单体超级电容器。
5.如权利要求1所述的不对称链式混合储能系统，其特征在于:所述蓄电池(6)由若干串并联的单体蓄电池组成，所述单体蓄电池为铅酸电池、锂电池、钠硫电池、镍氢电池或全钒液流电池。
6.如权利要求1所述的不对称链式混合储能系统，其特征在于:所述控制器(9)包括:数字信号微处理器(91)，连接所述数字信号微处理器(91)的通讯接口(92)、电源模块(93)、模/数转换模块(94)、显示模块(95)以及PWM驱动模块(96);其中: 所述模/数转换模块(94)用于将所述电压检测单元(8)采集的电压信号和电流检测单元(7)采集的电流信号转换为数字信号，并将所述数字信号输入至数字信号微处理器(91)； 所述数字信号微处理器(91)用于根据接收到的所述数字信号执行控制算法并输出PWM信号； 所述通讯接口(92)用于数字信号微处理器(91)与上位机之间的通讯； 所述电源模块(93)用于给所述控制器(9)供电； 所述显示模块(95)用于对所述控制器(9)的运行状态进行显示； 所述PWM驱动模块(96)用于接收所述数字信号微处理器(91)输出的PWM信号，并将所述PWM信号进行放大后驱动所述级联变换器(4)。
7.如权利要求1所述的不对称链式混合储能系统控制方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤(1)，电压检测单元(8)采集超级电容器(5)和蓄电池(6)的正负极电压值以及交流母线(2)电压信号，并将所述电压信号传输至所述控制器(9)的模/数转换模块(94)进行模/数转换，并将模/数转换后的数字信号传输至数字信号微处理器(91);电流检测单元(7)采集交流母线(2)的电流信号和LC调谐滤波器(3)电流信号，并将所述电流信号传输至所述控制器(9)的模/数转换模块(94)进行模/数转换，并将模/数转换后的数字信号传输至数字信号微处理器(91)； 步骤(2)，当不对称链式混合储能系统工作在正常功率输出模式时，数字信号微处理器(91)根据交流母线(2)电压信号和系统功率输出需求，控制超级电容器储能单元输出工频准方波电压Vs。，所述工频准方波电压Vs。移相角为Θ，并控制所有蓄电池储能单元的输出叠加后得到工频正弦电压Vbtf和谐波电压Vbth ;其中，所述工频准方波电压vs。与谐波电压Vbth之和为工频正弦电压Vbtf ;通过控制所述移相角Θ与工频正弦电压Vbtf来控制超级电容器储能单元与蓄电池储能单元输出功率大小； 当超级电容器储能单元中的电容器(5)剩余能量达到下限时，控制蓄电池(6)向超级电容器(5)充电的具体步骤如下: a)，数字信号微处理器(91)将超级电容器(5)正负极电压与电容器电压参考值进行比较生成电容器电压误差值，并根据所述电容器误差值控制所有蓄电池储能单元输出叠加后得到一个高频正弦电压信号Vbfe，所述高频正弦信号Vbfe的频率为LC调谐滤波器(3)的谐振频率
【文档编号】H02J15/00GK103812225SQ201410053399
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年2月18日 优先权日:2014年2月18日
【发明者】蒋玮, 胡仁杰, 黄慧春 申请人:东南大学