级联储能电路及系统的制作方法

1.本发明涉及储能的技术领域，尤其是涉及一种级联储能电路及系统。


背景技术：

2.随着社会经济的发展，人民生活水平以及用电需求不断提高，导致电力负荷的峰谷差越来越大，电力系统供需不平衡的问题日益突出。这种高峰负荷电力短缺问题将影响当地居民正常生活和经济产业发展，制约社会经济的发展。同时，低谷负荷一方面给电力系统稳定控制带来了困难，另一方面也造成了资源浪费，导致系统运行的经济性下降。
3.在电力负荷削峰填谷的问题需要解决的环境下，储能赢来了发展机遇。目前常用的蓄电池储能系统技术方案可总结为dcac储能方案、dcdc储能方案和级联dcdc储能方案。其中，dcac储能方案中，电池通过dcac设备直接与电网进行能量交互，中间环节少，效率较高，但对电池包容量和电压等级要求较高。而dcdc储能方案，虽然可以实现能量双向升降压运行，但对电池包容量要求较高。最后，级联dcdc储能方案，能够有效降低单电池包容量和电压等级，通过增加级联的子模块数量来提高母线电压等级，但子模块数量确定后，母线电压等级也随之确定，无法灵活升降压运行。
4.综上，现有的储能方案存在无法在降低电池包容量和电压等级的同时，实现灵活升降压的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种级联储能电路及系统，以缓解现有的储能方案存在的无法在降低电池包容量和电压等级的同时，实现灵活升降压的技术问题。
6.第一方面，本发明提供了一种级联储能电路，包括：多个电池包串联构成的级联电池包和升压电路；
7.所述级联电池包的第一端与所述升压电路的第一端连接，所述级联电池包的第二端与所述升压电路的第二端连接；
8.所述级联电池包，用于将多个电池包串联后的总压调制至级联电压，并输出级联电压至升压电路；
9.所述升压电路，用于将所述级联电压提升至期望输出电压。
10.进一步的，所述升压电路包括：电感、第一场效应管、第二场效应管和电容；
11.所述电感的第一端与所述级联电池包的第一端连接，所述电感的第二端分别与所述第一场效应管的第一端、所述第二场效应管的第一端连接，所述第一场效应管的第二端与所述电容的第一端连接，所述电容的第二端分别与所述级联电池包的第二端、所述第二场效应管的第二端连接。
12.进一步的，所述电池包包括：蓄电池和子变换器；
13.所述蓄电池的第一端与所述子变换器的第一端连接，所述蓄电池的第二端与所述子变换器的第二端连接；
14.所述子变换器，用于控制所述蓄电池输出预设电池电压。
15.进一步的，所述子变换器为dcdc变换器；
16.其中，所述子变换器的结构为以下任一种：全桥结构、半桥结构。
17.进一步的，不同所述电池包内的子变换器的结构相同或不同。
18.进一步的，所述级联电池包输出的所述级联电压的计算算式为：
19.u
bat_out
＝m
×n×ubat_pack
，其中，u
bat_pack
表示所述电池包的预设电池电压，u
bat_out
表示所述级联电压，m表示调制度，n表示所述电池包的数量。
20.进一步的，所述升压电路输出的所述期望输出电压的计算算式为：
21.其中，u
bus
表示所述期望输出电压，d表示占空比，u
bat_out
表示所述级联电压。
22.第二方面，本发明实施例还提供了一种级联储能系统，包括：多个上述第一方面任一项所述的级联储能电路；
23.其中，相邻两个所述级联储能电路之间的连接方式为并联连接。
24.在本发明实施例中，提供了一种级联储能电路，包括：多个电池包串联构成的级联电池包和升压电路；级联电池包的第一端与升压电路的第一端连接，级联电池包的第二端与升压电路的第二端连接；级联电池包，用于将多个电池包串联后的总压调制至级联电压，并输出级联电压至升压电路；升压电路，用于将级联电压提升至期望输出电压。通过上述描述可知，本发明的级联储能电路在级联电池包的调制下，将多个电池包串联后的总压降低到级联电压后，利用升压电路提升级联电压至期望输出电压。该电路利用级联电池包的调制作用和升压电路的升压作用，实现了能量在多个电池包与升压电路后续连接的高压、大容量的负载系统之间的升降压运行。其次，由于级联电池包利用多个串联的电池包组成，降低级联储能电路对级联电池包内部单个电池包的容量和电压等级的要求，有效缓解了现有储能方案存在的无法在降低电池包容量和电压等级的同时，实现灵活升降压的技术问题。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本发明实施例提供的一种级联储能电路的结构框图；
27.图2为本发明实施例提供的一种微网系统的结构框图；
28.图3为本发明实施例提供的一种升压电路的电路结构示意图；
29.图4为本发明实施例提供的一种级联储能电路的电路结构示意图；
30.图5为本发明实施例提供的一种级联储能系统的结构框图。
31.图标：11-级联电池包；12-升压电路；111-电池包。
具体实施方式
32.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实
施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种级联储能电路进行详细介绍。
34.实施例一：
35.图1是根据本发明实施例提供的一种级联储能电路的结构框图，如图1所示，该电路包括：多个电池包串联构成的级联电池包11和升压电路12；
36.级联电池包11的第一端与升压电路12的第一端连接，级联电池包11的第二端与升压电路12的第二端连接；
37.级联电池包11，用于将多个电池包111串联后的总压调制至级联电压，并输出级联电压至升压电路12；
38.升压电路12，用于将级联电压提升至期望输出电压。
39.在本发明实施例中，若没有特殊说明，对于左右两端连接的器件，第一端是指该器件的左端，第二端是指该器件的右端，对于上下两端连接的器件，第一端是指该器件的上端，第二端是指该器件的下端。
40.具体的，如图2所示，储能电路一般与光伏、风电、负载以及电网等组成微网系统，进而根据需求实现对储能电路存储的能量的调度，实现能量在系统内的流通。基于此，本实施例的级联储能电路主要包括：级联电池包11和升压电路12，其中，级联电池包11由多个电池包111串联构成。正常工作时，级联电池包11将多个电池包111串联后的总压调制到级联电压后，输出级联电压至升压电路12。进而，通过升压电路12将级联电压提升至期望输出电压。其中，级联电压小于调制前的多个电池包111串联的总压，也就是说，级联电池包11相当于一个降压电池包。本实施例的级联储能电路通过级联电池包11对多个电池包111串联后的总压的降压调制，以及升压电路12对调制后的级联电压的升压，实现将多个电池包111串联后的总压调节至期望输出电压，进而实现能量在多个电池包与升压电路后续连接的负载系统之间的升降压运行。
41.在本发明实施例中，提供了一种级联储能电路，包括：多个电池包串联构成的级联电池包11和升压电路12；级联电池包11的第一端与升压电路12的第一端连接，级联电池包11的第二端与升压电路12的第二端连接；级联电池包11，用于将多个电池包111串联后的总压调制至级联电压，并输出级联电压至升压电路12；升压电路12，用于将级联电压提升至期望输出电压。通过上述描述可知，本发明的级联储能电路在级联电池包的调制下，将多个电池包串联后的总压降低到级联电压后，利用升压电路提升级联电压至期望输出电压。该电路利用级联电池包的调制作用和升压电路的升压作用，实现了能量在多个电池包与升压电路后续连接的高压、大容量的负载系统之间的灵活升降压运行。其次，由于级联电池包利用多个串联的电池包组成，降低级联储能电路对级联电池包内部单个电池包的容量和电压等级的要求，有效缓解了现有储能方案存在的无法在降低电池包容量和电压等级的同时，实现灵活升降压的技术问题。
42.上述内容对级联储能电路的结构框图进行了整体描述，下面再对级联储能电路的具体电路结构和工作原理进行详细介绍。
43.在本发明的一个可选实施例中，参考图3，升压电路12包括：电感l、第一场效应管q1、第二场效应管q2和电容c；
44.电感l的第一端与级联电池包11的第一端连接，电感l的第二端分别与第一场效应管q1的第一端、第二场效应管q2的第一端连接，第一场效应管q1的第二端与电容c的第一端连接，电容c的第二端分别与级联电池包11的第二端、第二场效应管q2的第二端连接。
45.具体的，本实施例的级联储能电路还包括升压电路12，由电感l、第一场效应管q1、第二场效应管q2和电容c构成，其中，第一场效应管q1和第二场效应管q2为两个驱动波形互补的mos管。正常工作时，升压电路12可以等效为boost升压电路，当第一场效应管q1处于关断状态时，第二场效应管q2处于导通状态，此时，级联电池包11输出的级联电压为电感l充电；当第一场效应管q1导通后，第二场效应管q2对应处于关断状态，此时，电感l储存的能量将通过第一场效应管q1为后续连接的负载系统放电。同时，级联电池包11也会通过第一场效应管q1为后续连接的负载系统放电，叠加前述电感l储存的能量后，负载系统两端的实际电压将高于级联电池包11输出的级联电压，即电路升压完成。
46.值得注意的是，与传统boost升压电路不同的是，本实施例中升压电路12内包含两个场效应管。因此，本实施例的级联储能电路可以实现能量在多个电池包与升压电路后续连接的高压、大容量的负载系统之间的双向传输。
47.在本发明的一个可选实施例中，电池包111包括：蓄电池和子变换器；
48.蓄电池的第一端与子变换器的第一端连接，蓄电池的第二端与子变换器的第二端连接；
49.子变换器，用于控制蓄电池输出预设电池电压。
50.另外，子变换器为dcdc变换器；
51.其中，子变换器的结构为以下任一种：全桥结构、半桥结构。
52.另外，不同电池包111内的子变换器的结构相同或不同。
53.具体的，本实施例的级联电池包11由多个电池包111串联构成，其中，每个电池包111都由蓄电池和子变换器组成。正常工作时，当级联电压确定后，根据级联电池包11的调制度可以推算出多个电池包111串联的总压，进而将总压灵活分配到每个子变换器，利用子变换器控制蓄电池输出分配到的预设电池电压。值得注意的是，每个电池包111内的子变换器均为dcdc变换器，但不同电池包111内的子变换器的结构相同或不同，其中，子变换器的结构可以是全桥结构或半桥结构。本实施例中以全桥结构的子变换器为例，具体的电路结构示意图如图4所示。
54.在本发明的一个可选实施例中，级联电池包11输出的级联电压的计算算式为：
55.u
bat_out
＝m
×n×ubat_pack
，其中，u
bat_pack
表示电池包的预设电池电压，u
bat_out
表示级联电压，m表示调制度，n表示电池包的数量。
56.另外，升压电路12输出的期望输出电压的计算算式为：
57.其中，u
bus
表示期望输出电压，d表示占空比，u
bat_out
表示级联电压。
58.具体的，本实施例中级联电池包11输出的级联电压、升压电路12输出的期望输出电压的计算算式分别为：u
bat_out
＝m
×n×ubat_pack
、其中，u
bat_pack
表示电池包的
预设电池电压，u
bat_out
表示级联电压，m表示调制度，n表示电池包的数量，u
bus
表示期望输出电压，d表示占空比。结合计算算式以及前述实施例中对各个子电路工作原理的说明，下面对级联储能电路的占空比的确定进行详细介绍。
59.具体实现时，本实施例的级联储能电路对外可呈现电压源特性或电流源特性，分别对应有恒压控制或恒流控制。对于恒压控制，级联储能电路的控制过程为：首先分别根据多个电池包串联的总压、期望输出电压的需求确定第一级联电压范围、第二级联电压范围，利用两个级联电压范围的公共部分确定出级联电压的最优值。进一步的，根据级联电压最优值和升压电路的升压比(期望输出电压与级联电压的比例关系)确定升压电路的占空比；对于恒流控制，级联储能电路的控制过程为：同理，首先分别根据多个电池包串联的总压、期望输出电压的需求确定第一级联电压范围、第二级联电压范围，利用两个级联电压范围的公共部分确定出级联电压的最优值。进一步的，根据外接负载系统的实际输出电压和输出电流确定升压电路的占空比。其中，不论是恒压控制还是恒流控制，级联电压均小于期望输出电压。
60.在实际应用中，级联电池包11调制度m的理论范围为0～1，为降低电池包纹波电流，最优范围在0.75～0.9之间；升压电路占空比d的理论范围0～1，可根据总输出电压进行调节，工程应用需小于0.95。
61.本发明的级联储能电路通过调整级联电池包的调制度和升压电路的占空比，可以实现对多个电池包串联后的总压调节与期望输出电压之间的调节，其中，多个电池包串联后的总压可以大于或小于期望输出电压，从而实现能量在多个电池包与升压电路后续连接负载系统之间的灵活升降压运行。其次，由于级联电池包通过多个串联的电池包组成，使得本发明的级联储能电路对级联电池包内部单个电池包的容量和电压等级要求不高，有效解决级联储能电路电压等级适配的问题，提高了储能电路的稳定性和可靠性。
62.实施例二：
63.一种级联储能系统，包括：多个上述实施例一中任一项所述的级联储能电路；
64.其中，相邻两个级联储能电路之间的连接方式为并联连接。
65.具体的，上述实施例一中的级联储能电路可以多个并联拓展为级联储能系统使用，如图5所示。其中，多个级联储能电路并联时的并联点为升压电路12内电容c的两端。
66.本发明实施例所提供的级联储能电路的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
67.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
68.在本技术所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
69.再例如，附图中的流程图和框图显示了根据本技术的多个实施例的装置、方法和
计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
70.所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
71.另外，在本技术提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
72.所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台电子设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，简称rom)、随机存取存储器(random access memory，简称ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
73.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本技术的具体实施方式，用以说明本技术的技术方案，而非对其限制，本技术的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术实施例技术方案的范围。都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。