一种具有直流DVR的大容量直流储能装置的制作方法

本发明涉及一种具有直流dvr的大容量直流储能装置，属于电力储能、直流变换技术领域。

背景技术

锂离子电池一般使用锂金属氧化物，如酸铁锂，锰酸锂，三元等，作为正极材料，石墨作为负极材料。锂电池目前广泛应用于水力，火力，风能和太阳能等储能系统，通信设备的不间断电源，电动工具，电动交通工具，军事装备，航空航天等诸多军民领域。其具有以下优点：体积小，重量轻，能量密度高，可达到460至600wh/kg；使用寿命长，一般可达到6年以上；额定电压高，单体电压3.2v或3.7v，相当于3只镍氢电池串联；具备高放电倍率能力，其中电动汽车用的磷酸铁锂电池放电倍率可达到数十c，可用于瞬时大电流充放电场合；自放电率低，可做到不超过1％/月；绿色环保，生产，使用和报废过程，均不含有，也不产生铅汞等有害重金属元素和物质。由于以上优点，锂离子电池十分适合应用在能量密度要求高，体积受限的电力储能场合中。

而超级电容，又称法拉电容，目前广泛应用于在电动混动大巴，起重机，轨道交通能量回收等新能源领域，它通过利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构而获得超大容量。其具有以下优点：充电速度快，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95％以上；环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1～50万次，没有“记忆效应”；大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90％；功率密度高，可达300w/kg～5000w/kg，相当于电池的5～10倍；产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源；充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护；超低温特性好，温度范围宽-40℃～+70℃。由于以上优点，超级电容很适合应用在对充放电功率要求高的电气场合。

动态电压调节器dvr，是一种基于用户电力技术的电能质量控制装置，其利用电力电子技术和现代控制理论，对电压跌落，谐波污染，供电中断等电能质量问题进行有效解决，相对传统电能质量调节装置，如同步调相机，静止补偿器等，具有灵活，快速，准确等优势，使其成为时下最具前途的抑制电压波动的补偿装置，其串联在线路和负载之间，补偿供电系统中的电压扰动，使负载侧维持为正弦，平衡，幅值稳定的电压波形。但目前，对于dvr的研究和应用绝大多数集中在交流场合，而在直流场合，尤其是大容量直流储能场合，难以找到相近的文献或是应用实例。

作为大功率电机驱动系统的供电装置，维持直流母线电压的恒定是保证单击平稳运行和系统稳定的重要保证。若采用纯电池或纯电容的储能方案，由于应用在高压大电流场合，则所需电池或电容单体数量巨大，并且存在母线电压跌落大，运行过程不受控等问题。目前，一般采用前级加装直流变换器的方式来进行母线稳压控制，但大容量应用场合使得直流变换器中的关键器件，如电感，开关器件的选取变得十分困难，难以兼顾变换器性能和体积，重量的矛盾。

针对大容量的电力储能场合，亟待一种既可以使所需储能单元数量尽量少，直流变换器功率尽量小，以控制其体积，重量和成本，保证整个系统的功率密度，又可以实现母线电压稳定可控的储能方案。

技术实现要素：

本发明为了解决上述现有技术中存在的技术问题，提供了一种具有直流dvr动态电压调节器的大容量直流储能装置。以锂电池或超级电容作为储能单元，采用主储能模组和补偿储能模组相结合的方式，在直流母线电压下降至参考值以下时，经过直流dvr的作用，将补偿储能模组中存储的能量输出为满足系统要求的直流电压，用以弥补主储能模组的内阻，线路阻抗和对负载侧的能量释放所引起的电压跌落，维持母线电压的稳定在参考值，并持续向负载侧供电。本发明所采取的具体技术方案如下：

一种具有直流dvr的大容量直流储能装置，所述装置包括主储能模组1，dvr补偿器2，补偿储能模组3，续流二极管4，滤波电容5、储能管理系统一6、储能管理系统二7、充电装置一8、充电装置二9、控制单元10、直流电压采样单元11，直流电流采样单元12和隔离驱动单元13；所述主储能模组1与dvr补偿器2串联；所述dvr补偿器2与续流二极管4并联；所述主储能模组1和补偿储能模组3的充电端分别与充电装置一8和充电装置二9的供电端相连；所述主储能模组1和补偿储能模组3的运行指标控制端分别与储能管理系统一6和储能管理系统二7的监测控制端相连；所述主储能模组1的端电压信号端和dvr补偿器2输出电压端与直流电压采样单元11的采样端相连；所述直流电压采样单元11的采样数字信号输出端与所述控制单元10的电压采样数字信号输入端相连；所述dvr补偿器2的输出电流端与所述直流电流采样单元12的采样端相连；所述直流电流采样单元12的采样数字信号输出端与所述控制单元10的电流采样数字信号输入端相连；所述控制单元10的信号输出端与所述隔离驱动单元13的信号输入端相连；所述隔离驱动单元13的信号输出端与所述dvr补偿器2中的开关管相连。

其中，主储能模组1，dvr补偿器2，补偿储能模组3，续流二极管4，滤波电容5、储能管理系统一6、储能管理系统二7、充电装置一8、充电装置二9构成了直流储能装置的主拓扑；dvr补偿器2与续流二极管4并联，再与主储能模组1串联，故当dvr工作时，其输出电流与母线电流相同，根据负载侧需求而变化。储能管理系统一6和储能管理系统二7分别对主储能模组1和补偿储能模组3进行电压，电流，温度等的监测和均压控制；充电装置一8和充电装置二9用于在储能系统运行间隔期间对主储能模组1和补偿储能模组3进行充电，以保证系统下次运行所需的能量。直流电压采样单元11对主储能模组1端电压和dvr补偿器2输出电压进行采样，输出侧接控制单元10，其将采集到的电压模拟量通过模数转换变为数字量，并送入控制单元10处理。同理，直流电流采样单元12完成对dvr输出电流的检测和采样，并与控制单元10相连。隔离驱动单元13输入端与控制单元10相连，输出与dvr补偿器2中的开关管相连。

进一步地，所述主储能模组和补偿储能模组3以锂电池单体或超级电容模组作为基本储能单元；所述锂电池单体或超级电容模组通过串、并联形式形成所述主储能模组和补偿储能模组3，若储能单元为锂电池，则储能管理系统为电池管理系统，若储能单元为超级电容，则储能管理系统为超级电容管理系统。

进一步地，所述锂电池或超级电容模组串并联数量的选取过程为：

步骤一：根据主储能模组串联数量模型和主储能模组并联数量模型计算获得主储能模组的串联数m1和并联数n1，所述主储能模组串联数量模型和主储能模组并联数量模型分别如下：

m1＝ceil(udcmax/ur_es1)(1)

n1＝ceil(idcmax/ir_es1)(2)

其中，udcmax为母线电压最大值，idcmax为母线电流最大值，ur_es1，ir_es1为主储能模组中电池模组，单体或超级电容模组的额定电压和额定电流，主储能模组的串联数为m1，并联数为n1，补偿储能模组的串联数为m2，并联数为n2，ceil为向上取整函数；

步骤二：补偿储能模组输出电流最大值为idcmax*1+0.5*p％，根据补偿储能模组串联数量模型和主储能模组并联数量模型计算获得补偿储能模组的串联数m2和并联数n2，所述补偿储能模组串联数量模型和主储能模组并联数量模型分别如下：

n2＝ceil[idcmax(1+0.5*p％)/ir_es2](3)

m2＝ceil[ubuckmax(1+a％)/ur_es2](4)

其中，ur_es2，ir_es2为补偿储能模组中电池模组，单体或超级电容模组的额定电压和额定电流，p％为电感电流纹波率，并且p的取值范围为10-40；a％用于补偿储能模组在buck工作时估计放电过程中的压降，不同储能单元不同运行状态其压降也有所不同；

步骤三：若初步选取的m2不够满足0～t2时间内，母线电压稳定在参考值uref，证明该串联数m2不满足要求，令m2＝m2+1，向上查找满足稳压要求的串联数，直至找到满足要求的m2为止；若初步选取的m2使储能系统实现稳压，证明该串联数m2满足要求，令m2＝m2-1，向下查找满足要求的最小串联数，直到m2刚好不能满足要求为止，则此时的m2+1即为刚好满足要求的串联数，可达到尽量减少所需储能模组的数量，减小系统体积，降低成本，提高功率密度的目的。

进一步地，所述具有直流dvr的大容量直流储能装置的工作模式为：所述大容量直流储能装置开始运行时，补偿储能模组3和dvr补偿器2不工作，由主储能模组1独立工作，向负载提供能量，续流二极管4起续流作用；然后所述大容量直流储能装置进行使能环节判断，判断结果为母线电压下降至装置的稳压值时，补偿储能模组3和dvr补偿器2开始工作，输出补偿电压；所述补偿储能模组3为dvr补偿器2提供补偿能量直至本次运行时间至所述大容量直流储能装置完成一次完整放电过程；所述主储能模组1和补偿储能模组3等待充电，并下一次工作做准备。

进一步地，所述使能环节判断的具体过程为：

当ues1<uref，表明母线电压开始跌落至uref以下，则dvr应立即运行并补偿电压跌落，使能环节输出为1；当ues1>uref，表明母线电压仍高于uref，dvr不工作，使能环节输出为0，并且所述大容量直流储能装置运行过程中，所述使能环节实时判断，直到储能装置一次完整放电过程结束。

进一步地，所述控制单元10采用母线电压外环和dvr输出电流内环双闭环的控制方式，所述母线电压外环和dvr输出电流内环双闭环控制的具体过程为：

以所述大容量直流储能装置的母线电压稳定值uref为电压外环参考量，采样得到的主储能模组1端电压和dvr补偿器2输出电压之和作为电压外环的反馈量，结合使能环节判断获得的判断结果，将电压外环参考量和电压外环的反馈量二者相乘作为输入信号，送入控制单元10中的电压调节器进行pi调节处理，以所述电压调节器输出作为电流内环的电流参考量，采样得到的dvr输出电流作为电流反馈量，将电流参考量和电流反馈量二者作差作为控制单元10中的电流调节器的输入信号，所述电流调节器进行pu调节后的输出结果即为占空比，与载波比较后可得到dvr补偿器的pwm驱动信号。

本发明有益效果：

本发明提出的一种具有直流dvr的大容量直流储能装置极大程度上降低了基本储能单元的数量，同时极大程度上降低了直流变换器功率，并且在同等电池容量下，本发明提出的大容量直流储能装置的基本储能单元数量相对于现有技术中直流储能装置降低了50％，直流变换器功率降低了80％，进而降低了大容量直流储能装置自身体积、重量和成本。同时，本发明提出的具有直流dvr的大容量直流储能装置即保证了整个储能系统的功率密度，又实现了母线电压稳定可控。

附图说明

图1为具有直流dvr的大容量直流储能装置结构框图。

图2为实施例的直流储能装置的四种主电路拓扑图，其中，(a)电池加电容主电路图；(b)电池加电池主电路图；(c)电容加电容主电路图；(d)电容加电池主电路图。

图3为实施例的相关直流电压波形示意图。

图4为实施例的储能模组串并联数量选取流程图。

图5为实施例的直流储能装置闭环控制原理图。

图6为实施例的储能装置工作模式判断流程图。

1，主储能模组；2，dvr补偿器；3，补偿储能模组；4，续流二极管；5，滤波电容；6，储能管理系统一；7，储能管理系统二；8，充电装置一；9，充电装置二；10，控制单元；11，直流电压采样单元；12，直流电流采样单元；13，隔离驱动单元

具体实施方

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

实施例1：

本实施例提出一种具有直流dvr的大容量直流储能装置，如图1所示，所述装置包括主储能模组1，dvr补偿器2，补偿储能模组3，续流二极管4，滤波电容5、储能管理系统一6、储能管理系统二7、充电装置一8、充电装置二9、控制单元10、直流电压采样单元11，直流电流采样单元12和隔离驱动单元13；所述主储能模组1与dvr补偿器2串联；所述dvr补偿器2与续流二极管4并联；所述主储能模组1和补偿储能模组3的充电端分别与充电装置一8和充电装置二9的供电端相连；所述主储能模组1和补偿储能模组3的运行指标控制端分别与储能管理系统一6和储能管理系统二7的监测控制端相连；所述主储能模组1的端电压信号端和dvr补偿器2输出电压端与直流电压采样单元11的采样端相连；所述直流电压采样单元11的采样数字信号输出端与所述控制单元10的电压采样数字信号输入端相连；所述dvr补偿器2的输出电流端与所述直流电流采样单元12的采样端相连；所述直流电流采样单元12的采样数字信号输出端与所述控制单元10的电流采样数字信号输入端相连；所述控制单元10的信号输出端与所述隔离驱动单元13的信号输入端相连；所述隔离驱动单元13的信号输出端与所述dvr补偿器2中的开关管相连。

其中，主储能模组1采用高放电倍率的锂电池作为储能单元，而补偿储能模组3以超级电容模组作为储能单元，根据储能系统母线电压最大值和母线电流最大值及能量的要求对锂电池单体或超级电容模组进行适当的串并联组合，以满足系统的大容量应用要求。dvr补偿器2与续流二极管4并联，再与主储能模组1串联，故当dvr工作时，其输出电流与母线电流相同，根据负载侧需求而变化。储能管理系统一6、储能管理系统二7分别对主储能模组1和补偿储能模组3进行电压，电流，温度等的监测和均压控制，一方面便于人机交互，另一方面保证各储能模组间的电压平衡，有利于系统稳定和延长储能单元的寿命。充电装置一8和充电装置二9用于在储能系统运行间歇期间对主储能模组1和补偿储能模组3进行充电，以保证系统下次运行所需的能量。直流电压采样单元11对主储能模组1端电压和dvr补偿器2输出电压进行采样，输出侧接控制单元10，其将采集到的电压模拟量通过模数转换变为数字量，并送入控制单元10处理。同理，直流电流采样单元12完成对dvr输出电流的检测和采样，并与控制单元10相连。隔离驱动电路14可有效抑制外界干扰，保证驱动脉冲的完整准确，其输入端与控制单元10相连，输出与dvr补偿器2中的开关管相连。

实施例2

本实施例提出一种具有直流dvr的大容量直流储能装置，所述装置包括主储能模组1，dvr补偿器2，补偿储能模组3，续流二极管4，滤波电容5、储能管理系统一6、储能管理系统二7、充电装置一8、充电装置二9、控制单元10、直流电压采样单元11，直流电流采样单元12和隔离驱动单元13。所述dvr补偿器2采用dcdc变换器来实现，包括buck，boost，buck-boost等常见形式，本实施例中具有直流dvr的大容量直流储能装置的主电路共有四种形式，如图2所示。

buck电路由开关管，续流二极管，滤波电感，滤波电容等部分组成。常见的开关器件有igbt和功率mosfet，虽然mosfet导通压降较低，开关频率较高，但其耐压和额定电流值较低，无法满足大容量电力储能场合的应用要求，因此本例中开关器件选用igbt。储能供电系统的相关电压波形示意如图3所示，在0～t1时间内，忽略续流二极管d1的导通压降，母线电压等于主储能模组的端电压，随着大功率放电的进行，母线电压迅速下降，至t1时刻降低至系统设计要求的稳压值uref，此时补偿储能模组开始释放能量，经过buck电路的降压斩波，输出直流电压udvr，用以弥补主储能模组因为自身内阻，线路阻抗和向负载释放能量而导致的压降，而使母线电压动态维持在uref，直至t2时刻结束，完成储能装置一次完整的放电过程。t1～t2时间内，母线电压等于主储能模组端电压与buck输出电压udvr之和，二极管d1由于承受反压而截止，则buck输出与主储能模组串联，所以buck输出电流，即电感电流，与母线电流相同，期变化趋势受负载侧需求影响。buck电路在工作过程中，其输入电压，即补偿储能模组的端电压由于放电不断下降，至t2时刻将至最低，但由于buck的拓扑约束，仍不低于此时的ubuck。而buck输入电流由于开关管t的高频开关动作，呈斩波形式，在开关管开通期间，补偿储能模组放电，buck输入电流与输出电流相同，电感处于充电过程，电感电流逐渐上升，而开关管关断期间，补偿储能模组开路，滤波电感放电与滤波电容一起向输出侧放电，经过二极管d2续流，电感电流逐渐下降。因而，补偿储能模组的输出电流与电感电流具有相同的峰值，设电感电流纹波率为p％，母线电流最大值为idcmax，则补偿储能模组输出电流峰值为idcmax*1+0.5*p％。

实施例3

本实施例提出一种具有直流dvr的大容量直流储能装置，所述装置包括主储能模组1，dvr补偿器2，补偿储能模组3，续流二极管4，滤波电容5、储能管理系统一6、储能管理系统二7、充电装置一8、充电装置二9、控制单元10、直流电压采样单元11，直流电流采样单元12和隔离驱动单元13。所述主储能模组和补偿储能模组3以锂电池单体或超级电容模组作为基本储能单元；所述锂电池单体或超级电容模组通过串、并联形式形成所述主储能模组和补偿储能模组3，若储能单元为锂电池，则储能管理系统为电池管理系统，若储能单元为超级电容，则储能管理系统为超级电容管理系统。

所述锂电池或超级电容模组串并联数量的选取过程为：

步骤一：根据主储能模组串联数量模型和主储能模组并联数量模型计算获得主储能模组的串联数m1和并联数n1，所述主储能模组串联数量模型和主储能模组并联数量模型分别如下：

m1＝ceil(udcmax/ur_es1)(1)

n1＝ceil(idcmax/ir_es1)(2)

其中，udcmax为母线电压最大值，idcmax为母线电流最大值，ur_es1，ir_es1为主储能模组中电池模组，单体或超级电容模组的额定电压和额定电流，主储能模组的串联数为m1，并联数为n1，补偿储能模组的串联数为m2，并联数为n2，ceil为向上取整函数；

步骤二：补偿储能模组输出电流最大值为idcmax*1+0.5*p％，根据补偿储能模组串联数量模型和主储能模组并联数量模型计算获得补偿储能模组的串联数m2和并联数n2，所述补偿储能模组串联数量模型和主储能模组并联数量模型分别如下：

n2＝ceil[idcmax(1+0.5*p％)/ir_es2](3)

m2＝ceil[ubuckmax(1+a％)/ur_es2](4)

其中，ur_es2，ir_es2为补偿储能模组中电池模组，单体或超级电容模组的额定电压和额定电流，p％为电感电流纹波率，并且p的取值范围为10-40；a％用于补偿储能模组在buck工作时估计放电过程中的压降，不同储能单元不同运行状态其压降也有所不同；

步骤三：若初步选取的m2不够满足0～t2时间内，母线电压稳定在参考值uref，证明该串联数m2不满足要求，令m2＝m2+1，向上查找满足稳压要求的串联数，直至找到满足要求的m2为止；若初步选取的m2使储能系统实现稳压，证明该串联数m2满足要求，令m2＝m2-1，向下查找满足要求的最小串联数，直到m2刚好不能满足要求为止，则此时的m2+1即为刚好满足要求的串联数，可达到尽量减少所需储能模组的数量，减小系统体积，降低成本，提高功率密度的目的。

至此完成主储能模组的串联数m1，并联数n1和补偿储能模组的串联数m2，并联数n2的选取。

实施例4

本实施例提出一种具有直流dvr的大容量直流储能装置，所述装置包括主储能模组1，dvr补偿器2，补偿储能模组3，续流二极管4，滤波电容5、储能管理系统一6、储能管理系统二7、充电装置一8、充电装置二9、控制单元10、直流电压采样单元11，直流电流采样单元12和隔离驱动单元13。所述控制单元10采用母线电压外环和dvr输出电流内环双闭环的控制方式，其中电压外环，电流内环分别以母线电压，电感电流作为控制量，实施例中应用的闭环控制原理如图5所示，以采用主储能和补偿储能均为电池模组的主电路为例，其余三种拓扑同理。具体地，将主储能模组端电压，dvr补偿器输出电压分别经过直流电压采样电路及低通滤波处理，滤除电压信号中的高频谐波，得到ues1，udvr，电感电流经过直流电流采样电路及低通滤波处理，滤除电流信号中的高频谐波，得到il，其中滤波处理包括硬件电路的模拟滤波和软件程序中的数字滤波，本例中软件和硬件滤波均使用。然后将ues1，udvr和il送入控制器进行处理。

首先ues1经过dvr使能环节，以判定dvr是否投入工作，确定储能装置处于何种工作模式下，判断流程如图6所示。当ues1<uref，表明母线电压开始跌落至uref以下，则dvr应立即运行并补偿电压跌落，使能环节输出为1；当ues1>uref，表明母线电压仍高于uref，dvr不工作，使能环节输出为0。使能环节需实时判断，直到储能装置一次完整放电过程结束。本例中电压，电流调节器采用比例积分pi调节器实现，比例p部分实现反馈量对参考量的快速跟踪，积分部分i保证稳态时反馈与参考量无静差。以uref作为电压外环的理想参考量，ues1与udvr之和作为母线电压的实际反馈量，二者作差后，与使能环节输出结果相乘，作为输入信号，送入电压pi调节器的处理，调节器带有限幅环节，其输出上下限分别为电感电流的最大值和最小值，即idcmax和0。以电压调节器的输出作为电流内环的参考量，采样得到的il作为电流内环的反馈量，二者作差后，送入电流pi调节器处理，输出为占空比信号，调节器带有限幅环节，其上下限分别为占空比的最大值和最小值，即1和0。电流调节器输出的占空比与三角载波比较得到pwm信号，经过隔离驱动电路驱动开关管动作，实现对buck电路及整个储能装置的控制。以上，完成具有直流dvr的大容量直流储能装置的闭环控制。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。