具备多组电池和超级电容接入功能的储能变流装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种具备多组电池和超级电容接入功能的储能变流装置，储能变流装置将多组储能介质如蓄电池及超级电容接入电路，确保其独立性的同时，实现电能优势互补，解决了现有储能装置无法满足同时能量和功率的技术问题。系统主回路采用AC/DC+DC/DC的两级结构，运行可靠性较高，同时使用了新颖的双向DC/DC拓扑结构和控制方式，极大的改善了电能质量，降低内部损耗。
【专利说明】具备多组电池和超级电容接入功能的储能变流装置
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种混合储能系统，更具体的涉及一种具备多组蓄电池和超级电 容接入功能的储能变流装置。
【背景技术】
[0002] 储能技术的应用是坚强智能电网建设的重要组成部分，可以有效地实现需求侧 管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，可以提高电力设备运行效率、降低供电成本，还可以作 为促进可再生能源应用，提高电网运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段。国家 近期确定的智能电网重点投资领域中包括了大量储能应用领域，如发电领域的风力发电 和光伏发电中应用储能技术项目，配电领域储能技术，电动汽车充放电技术、电动车电源 等。随着储能技术的不断进步，安全性好、效率高、清洁环保、寿命长、成本低、能量密度大 的储能技术将不断涌现，必将带动整个电力行业产业链的快速发展，创造巨大的经济效益 和社会效益。
[0003] 蓄电池（Storage Battery)是用充电的方式使内部活性物质再生，把电能储存为 化学能，需要放电时再次把化学能转换为电能的储能装置。常用的蓄电池包括铅酸电池、锂 离子电池、镍氢电池、镍镉电池和钠硫蓄电池等。各类蓄电池在日常生活和工业生产上有着 广泛应用，但由于其充放电循环次数少，充电时间长，不适合大功率场合等缺点，限制了其 在某些领域的应用。
[0004] 超级电容是上近年来发展起来的一种电化学元件，它不同于传统蓄电池，储能过 程不发生化学反应，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能，该过程可逆，使得超 级电容的充放电循环次数达到数十万次。此外，超级电容能量密度高，充放电时间短，工作 温度范围宽，已经日益发展为一种高效的储能元件。但超级电容也存在着一些缺点，其能量 密度低，储存能量少，维持功率特性时间短，不适合单独在大规模储能和电动汽车上应用。
[0005] 如果将蓄电池与超级电容混合使用，使蓄电池能量密度大和超级电容功率密度 大、充放电循环寿命长的优点相结合，将会大大提高储能系统的性能。蓄电池和超级电容混 合使用，可以增大储能系统的功率，减少蓄电池的充放电次数，降低蓄电池的损耗，增加使 用寿命，改善了储能系统的可靠性和经济性。
[0006] 储能变流装置是电网和储能装置的接口，是整个储能系统的核心单元。目前储能 变流装置的主回路拓扑和控制方法大多针对单一的储能介质，但蓄电池或超级电容的单独 使用无法满足各类储能系统的需求，而针对混合储能介质的电路拓扑和控制方法的设计还 不完善，因此需要一套针对混合型储能介质的储能变流系统。
[0007] 故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。 实用新型内容
[0008] 本实用新型的目的是提供一种具备多组电池和超级电容接入功能的储能变流装 置，用来解决现阶段储能装置中储能介质单一，系统功率不高和无法满足大规模储能需求 的问题。
[0009] 为实现上述实用新型目的，本实用新型可采用如下技术方案：
[0010] -种具备多组电池和超级电容接入功能的储能变流装置，包括双向AC/DC模块、 连接双向AC/DC模块的双向DC/DC模块；双向DC/DC模块包括至少两个双向DC/DC单元并 联而成，并且其中一个双向DC/DC单元连接蓄电池接口，而另一个双向DC/DC单元连接超级 电容接口；所述蓄电池接口与双向DC/DC单元之间连接有直流EMI滤波器及直流断路器； 连接超级电容接口与双向DC/DC单元之间同样连接有直流EMI滤波器及直流断路器；双向 AC/DC模块采用三相全桥IGBT功率模块，而双向DC/DC模块采用三相半桥DC/DC交错并联 的电路结构；双向AC/DC模块连接至电网接口，且AC/DC模块与电网接口之间设有交流主接 触器、交流辅助接触器、交流EMI滤波器及交流断路器。
[0011] 与【背景技术】相比，本实用新型采用蓄电池和超级电容混合储能，能充分发挥蓄电 池能量密度大和超级电容功率密度大，充放电循环次数多，充放电速度快等优点，使装置具 有良好的储能性能。并且可以优先对超级电容进行充放电，用超级电容消纳或放出短时大 功率能量；还可以改善蓄电池的充放电过程，减少充放电循环次数，也可以降低蓄电池的放 电深度，延长了使用寿命。
[0012] 该储能变流装置可以接入多组电池和超级电容，各组电池组之间由独立的DC/DC 模块控制，实现对多组电池充/放电的独立控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1是本实用新型具备多组电池和超级电容接入功能的储能变流装置的电路结 构示意图。
【具体实施方式】
[0014] 下面结合附图和【具体实施方式】，进一步阐明本实用新型，应理解这些实施方式仅 用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域 技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0015] 请参阅图1所示，图1中KM1为交流断路器，KM2、KM3分为交流主接触器和交流辅 助接触器，分别用于连接电网和AC/DC模块。KMn(n = 4,5……）为直流断路器。
[0016] 本实用新型公开的具备多组电池和超级电容接入功能的储能变流装置，主回路包 括双向AC/DC模块、连接双向AC/DC模块的双向DC/DC模块；双向DC/DC模块包括至少两 个双向DC/DC单元并联而成，并且其中一个双向DC/DC单元连接蓄电池接口，而另一个双向 DC/DC单元连接超级电容接口；所述蓄电池接口与双向DC/DC单元之间连接有直流EMI滤 波器及直流断路器；连接超级电容接口与双向DC/DC单元之间同样连接有直流EMI滤波器 及直流断路器。
[0017] 双向AC/DC模块连接有SVPWM。双向AC/DC模块（三相VSR)采用三相全桥IGBT 功率模块，可以控制网侧相电流和相电压之间的相位关系，已达到控制网侧功率因数P的 目的，实现四象限运行。三相VSR的主要功能在于保持直流母线电压的稳定、交流侧电流的 高质量和单位功率因数。本实用新型使用基于电网电压定向的空间矢量控制策略，采用直 流电压外环，网侧电流内环的双闭环结构，以电网电压空间矢量为方向机组，实现对电流方 向的定向控制，闭环输出量经空间矢量脉宽调制（SVPWM)后转化为脉冲信号。
[0018] 而双向DC/DC模块采用三相半桥DC/DC交错并联的电路结构，可实现充/放电的 双向控制。本实用新型采用电感电流内环，输出电压外环的双环结构，可满足恒流充电，恒 压充电，恒流放电等多种技术需求。实际控制中采用上下管互补导通的控制方式，该方式在 双向功率频繁切换的场合具有明显优势。
[0019] 双向AC/DC模块连接至电网接口，且AC/DC模块与电网接口之间设有交流主接触 器、交流辅助接触器、交流EMI滤波器及交流断路器。交流主接触器和双向AC/DC模块之间 还设有一个LC滤波回路。二次回路包括采样电路、控制电路、保护电路、通信电路、冷却电 路、加热电路、开入开出量电路、电源电路、驱动电路、光电转换电路。
[0020] 双向DC/DC模块连接有3路各自独立的PWM控制电路。双向AC/DC模块的直流侧 设有一个支撑电容。蓄电池接口连接的蓄电池可为铅酸电池、或锂离子电池、或镍氢电池、 或镍镉电池、或钠硫蓄电池、或燃料电池蓄电池组。
[0021] 该具备多组电池和超级电容接入功能的储能变流装置的二次回路包括采样电路、 控制电路、保护电路、通信电路、冷却电路、加热电路、开人开出量电路、电源电路、驱动电 路、光电转换电路。
[0022] 本实用新型采用蓄电池和超级电容混合储能，能充分发挥蓄电池能量密度大和超 级电容功率密度大，充放电循环次数多，充放电速度快等优点，使装置具有良好的储能性 能。并且可以优先对超级电容进行充放电，用超级电容消纳或放出短时大功率能量；还可以 改善蓄电池的充放电过程，减少充放电循环次数，也可以降低蓄电池的放电深度，延长了使 用寿命。该储能变流装置可以接入多组电池和超级电容，各组电池组之间由独立的DC/DC 模块控制，实现对多组电池充/放电的独立控制。
[0023] 本实用新型具备多组电池和超级电容接入功能的储能变流装置的使用说明包 括：
[0024] 1、系统启动时，首先闭合超级电容回路的直流断路器，充电电路对超级电容充电， 此时超级电容器组两端电压升高，蓄电池组两端电压不变。当超级电容器组两端电压升高 至蓄电池启动电压时，闭合蓄电池回路直流断路器，完成整个启动过程，系统进入多组储能 介质混合工作模式。
[0025] 2、系统充电时，对超级电容进行充电，超级电容器组两端电压升高，蓄电池组两端 电压不变。当超级电容器组两端电压升至设定值时，控制超级电容对蓄电池充电，外充电电 路同时对蓄电池和超级电容充电。
[0026] 3、系统放电时，首先由超级电容对外供电，超级电容器组两端电压降低，蓄电池组 两端电压不。当超级电容器组两端电压降至设定值时，控制蓄电池对外供电，并同时对超级 电容充电。
[0027] 4、系统工作时，根据实际容量需求和应用场合对蓄电池组或超级电容器组进行投 入和切出。
[0028] 5、当多组储能介质同时工作时，如果其中一组直流回路发生故障，系统控制该故 障回路断开，其余直流回路重新分配功率或投入一组新的直流回路。当检测的故障回路回 复正常后，再回复断开的回路。
[0029] 当电网停电或发生故障时，系统控制储能装置从并网工作模式转为离网工作模 式，由储能介质向关键负载提供所需的功率和能量，实现不间断供电。充放电电路控制蓄电 池组恒流放电，其输出功率等于关键负载运行过程中的平均功率。超级电容器组通过充放 电电路像直流母线供电，主要用于提供负载启动或电机加速时的峰值功率需求，并在负载 关停或电机停机等功率需求降低时接收直流母线的充电。在此过程中，储能装置持续工作 直至电网回复供电。如果停电时间较长，蓄电池组和超级电容器组的荷电状态低于设定值， 系统控制负载在安全状态下关停并停止储能装置供电。
【权利要求】
1. 一种具备多组电池和超级电容接入功能的储能变流装置，其特征在于：包括双向 AC/DC模块、连接双向AC/DC模块的双向DC/DC模块；双向DC/DC模块包括至少两个双向DC/ DC单元并联而成，并且其中一个双向DC/DC单元连接蓄电池接口，而另一个双向DC/DC单元 连接超级电容接口；所述蓄电池接口与双向DC/DC单元之间连接有直流EMI滤波器及直流 断路器；连接超级电容接口与双向DC/DC单元之间同样连接有直流EMI滤波器及直流断路 器；双向AC/DC模块采用三相全桥IGBT功率模块，而双向DC/DC模块采用三相半桥DC/DC 交错并联的电路结构；双向AC/DC模块连接至电网接口，且AC/DC模块与电网接口之间设有 交流主接触器、交流辅助接触器、交流EMI滤波器及交流断路器。
2. 如权利要求1所述的具备多组电池和超级电容接入功能的储能变流装置，其特征在 于：双向AC/DC模块连接有SVPWM。
3. 如权利要求1所述的具备多组电池和超级电容接入功能的储能变流装置，其特征在 于：双向DC/DC模块连接有3路各自独立的PWM控制电路。
4. 如权利要求1所述的具备多组电池和超级电容接入功能的储能变流装置，其特征在 于：该具备多组电池和超级电容接入功能的储能变流装置的二次回路包括采样电路、控制 电路、保护电路、通信电路、冷却电路、加热电路、开人开出量电路、电源电路、驱动电路、光 电转换电路。
5. 如权利要求1所述的具备多组电池和超级电容接入功能的储能变流装置，其特征在 于：双向AC/DC模块的直流侧设有一个支撑电容。
6. 如权利要求1所述的具备多组电池和超级电容接入功能的储能变流装置，其特征在 于：蓄电池接口连接的蓄电池为铅酸电池、或锂离子电池、或镍氢电池、或镍镉电池、或钠硫 蓄电池、或燃料电池蓄电池组。
【文档编号】H02J7/34GK204258410SQ201420702911
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年11月20日
【发明者】卢方舟, 邵宜祥, 胡青青, 孙祖勇, 封阿明 申请人:国电南瑞科技股份有限公司