一種三級對稱型動態儲能陣列器及其控制方法

2023-04-23 20:59:26

一種三級對稱型動態儲能陣列器及其控制方法
【專利摘要】本發明涉及直流動態儲能陣列器及其控制方法，具體涉及一種三級對稱型動態儲能陣列器及其控制方法。該陣列器由12個相同的直流電壓源型儲能模塊和12個低速雙向開關及其並聯的續流二極體構成。它具有4支路並聯運行模式、3支路並聯運行模式和2支路並聯運行模式等三種穩態運行模式和模式切換過程中產生的兩種瞬態運行模式，每種運行模式下每條並聯支路含有相同的儲能模塊數和開關個數，各儲能模塊狀態基本保持一致。本發明的儲能陣列拓撲結構簡單，所用開關數量少，容量利用率和電壓波動率綜合性能較好；當電壓波動率維持在33.3%以內時，容量利用率仍能高達88.9%。
【專利說明】一種三級對稱型動態儲能陣列器及其控制方法【技術領域】[0001]本發明涉及直流動態儲能陣列器及其控制方法，具體涉及一種三級對稱型動態儲 能陣列器及其控制方法。【背景技術】[0002]隨著風力和光伏發電等間歇式可再生能源的大量併網發電，儲能系統由於其平抑 發電功率波動的作用，重要性日益增加。常用的儲能方式有蓄電池儲能、飛輪儲能、超導儲 能、超級電容儲能等。鉛酸電池、鋰離子電池等蓄電池在正常工況下，其儲存能量的增減引 起的端電壓變化不大。電容、超級電容類的儲能元件則與之不同，其儲存的能量與端電壓密 切相關。[0003]圖1繪出了典型超級電容儲存能量的百分比與其端電壓的關係，可見該類電容在 充放電過程中將帶來電壓的劇烈波動。但是，為了保證儲能系統的穩定運行，儲能陣列的 電壓變化範圍往往是受限的，例如超級電容的最低工作電壓被限制在其額定電壓的50%以 上，那麼超級電容儲存容量的56.9%將無法用於儲能系統的功率調節，這造成了容量的巨 大浪費，增加了儲能系統的成本。[0004]為了提高儲能裝置的容量利用率，一種方法是擴大儲能系統對其電壓變化範圍的 限制。例如，如將最低電壓限制擴大到不低於額定電壓的1/6，儲能裝置的容量利用率將提 高到90%以上。但是，這種方法將使得對電力變換器通流能力的要求顯著提高。如果儲能 陣列輸出端接有DC/DC變換器，則還會造成DC/DC變換器變壓比過大，影響其使用效率。可 見，用放寬對儲能裝置電壓變化範圍限制的方法來提高儲能裝置的容量利用率，存在一定 局限性。[0005]為解決這一問題，人們提出了動態儲能陣列的概念。動態儲能陣列的切換級數指 陣列具有的不同運行模式的數量；儲能陣列的容量利用率指陣列在正常運行過程中可用於 能量交換的總能量與陣列存儲的最大容量之比。設額定輸出電壓為Vrate的動態儲能陣 列，正常運行過程中端電壓可能出現的最大值為Vmax，最小值為Vmin，則陣列的電壓波動 率定義為S = (vmax-vmin)vMte。一般地，陣列端電壓的最大值取為其額定值，因而其電壓波 動率變為 δ = (Vrate-Vmin)Vrate0[0006]期刊《Renewable Energy))2011年10月第36卷第10期第2599頁至第2604頁的 文章「Analysis of generalized parallel-series ultracapacitor shift circuits for energy storage systems」中提到的N級不對稱動態儲能陣列含有2N個儲能模塊和2N+1 個雙向開關，通過控制雙向開關，可使該電路在N種不同運行模式下進行切換。該動態儲能 陣列具有運行模式多的優點，但是大部分運行模式是非對稱模式，各模塊的參數必須按照 一定的比例關係選取，方能使陣列中各儲能模塊的荷電狀態保持一致。在N取值較大時各 模塊參數的差異將過大，從而嚴重影響該電路的應用價值。
【發明內容】
[0007]針對現有技術的不足，本發明的目的是提供一種三級對稱型動態儲能陣列器，另一目的是提供一種三級對稱型動態儲能陣列器的控制方法，該儲能陣列為三級4-3-2對稱型儲能陣列。儲能陣列中含有12個相同的儲能模塊，通過動態改變陣列內各儲能模塊的串並聯關係，在擴大儲能模塊電壓變化範圍的同時保證陣列電壓仍在要求的電壓範圍之內， 從而在滿足電壓波動率要求的前提下達到提高儲能裝置容量利用率的目的。[0008]本發明的目的是採用下述技術方案實現的:[0009]本發明提供一種三級對稱型動態儲能陣列器，該儲能陣列器包括儲能模塊，其改進之處在於，所述儲能模塊為結構相同的12個儲能模塊，所述儲能陣列器為對稱結構，包括由12個儲能模塊和12個雙向開關構成的4條支路；每條支路由串聯的3個儲能模塊和 I個雙向開關構成，兩兩支路之間通過雙向開關連接；所述12個雙向開關均並聯有續流二極體；雙向開關閉合時電流雙向流動，且雙向的電流關斷均可控；[0010]所述儲能陣列器包括4支路並聯運行模式、3支路並聯運行模式和2支路並聯運行模式三種穩態運行模式和模式切換過程中產生的兩種瞬態運行模式。[0011]進一步地，所述12個儲能模塊分別為模塊I~12 ;所述12個雙向開關分別為雙向開關 K41，K42, K43, K44, K45, 35、Κ46, 36、Κ31, 23、Κ32、Κ33、Κ34, 24、Κ21、Κ22 ;所述 4 條支路分別為第一串聯支路、第二串聯支路、第三串聯支路和第四串聯支路； [0012]所述第一串聯支路由串聯的模塊I~3以及雙向開關Κ41組成；[0013]所述第二串聯支路由串聯的模塊4-5、雙向開關Κ42以及模塊6組成；[0014]所述第三串聯支路由串聯的模塊7、雙向開關Κ43以及模塊8-9組成；[0015]所述第四串聯支路由串聯的雙向開關Κ44以及模塊10-12組成。[0016]進一步地，所述第一串聯支路與第二串聯支路之間通過雙向開關Κ31，23連接，該雙向開關Κ31，23連接在第一串聯支路雙向開關Κ41的輸入端與第二串聯支路雙向開關Κ42 的輸出端之間；[0017]所述第二串聯支路與第三串聯支路之間通過雙向開關Κ32和Κ33連接，雙向開關 Κ32和Κ33串聯組成雙向開關串聯支路，所述雙向開關串聯支路連接在第二串聯支路雙向開關Κ42的輸入端與第三串聯支路雙向開關Κ43輸出端之間；[0018]所述第三串聯支路與第四串聯支路之間通過雙向開關Κ34，24連接，該雙向開關 Κ34, 24連接在第三串聯支路雙向開關Κ43的輸入端與第四串聯支路雙向開關Κ44的輸出端之間；[0019]雙向開關Κ45，35和Κ22串聯後連接在第二串聯支路模塊4的輸入端與模塊5的輸出端兩側；[0020]雙向開關Κ21和Κ46，36串聯後連接在第二串聯支路模塊8的輸入端與模塊9的輸出端兩側。[0021]進一步地，所述儲能模塊為直流電壓源型儲能模塊，包括但不限於超級電容。[0022]進一步地，所述儲能陣列器的額定電壓為Vrate, 4條支路並聯運行向3條支路並聯運行模式切換的切換電壓為—3，3條支路並聯運行向4條支路並聯運行模式切換的切換電壓為V3 — 4，3條支路並聯運行向2條支路並聯運行模式切換的切換電壓為V3 — 2，2條支路並聯運行向3條支路並聯運行模式切換的切換電壓為V2 — 3 ;滿足V4 — 3 > (1/4) Vrate > V3^4 >V3 —2> (l/6)Vrate> V2 —3。[0023]進一步地，所述儲能陣列器的4支路並聯運行模式、3支路並聯運行模式和2支路 並聯運行模式三種穩態運行模式分別如下:[0024]A、當儲能模塊電壓在(1/4) Vrate?(1/3) Vrate範圍內時,儲能陣列運行在4條 支路並聯模式下，每條支路含有3個串聯的儲能模塊；4條支路分別為，模塊I?3串聯支 路，模塊4?6串聯支路，模塊7?9串聯支路和模塊10?12串聯支路；[0025]B、當儲能模塊電壓在(1/6)Vrate?(1/4)Vrate範圍內時,儲能陣列運行在3條 支路並聯模式下，每條支路含有4個串聯的儲能模塊；3條支路分別為:模塊I?3和模塊 6串聯支路，模塊4?5和模塊8?9串聯支路，以及模塊7和模塊10?12串聯支路。[0026]C、當儲能模塊電壓低於(1/6)Vrate時，儲能陣列運行在2條支路並聯模式下，每 條支路含有6個串聯的儲能模塊；2條支路分別為，模塊I?3、模塊6和模塊8?9串聯支 路，以及模塊4?5、模塊7和模塊10?12串聯支路。[0027]本發明基於另一目的提供的一種三級對稱型動態儲能陣列器的控制方法，其改進 之處在於，所述方法通過動態改變儲能陣列裝置內各儲能模塊的串並聯關係實現，包括完 全放電過程中儲能陣列五種運行模式和完全充電過程中儲能陣列五種運行模式。[0028]進一步地，所述完全放電過程中儲能陣列器五種運行模式分別如下:[0029](I)放電開始時，儲能模塊I?12均處於滿充狀態，雙向開關1(41，1(42，1(43，1(44， K45, 35和K46，36閉合，其餘雙向開關斷開，此時儲能陣列器運行在4條支路並聯運行的穩 態模式下，每條支路含有3個儲能模塊，4條支路分別為:模塊I?3串聯支路，模塊4?6 串聯支路，模塊7?9串聯支路和模塊10?12串聯支路；[0030](2)當儲能陣列器放電、儲能模塊I?12電壓降到V4 — 3後，斷開雙向開關K41， K42，K43和Κ44 ;對應與上述雙向開關並聯的續流二極體D41，D42，D43和D44導通，儲能陣 列器進入4條支路並聯運行的瞬態模式；[0031](3)當儲能陣列器放電、儲能模塊I?12電壓降到Vp4後，開通雙向開關K31，23， K32，K33和K34，24 ;當雙向開關Κ31，23，Κ32，Κ33和Κ34，24導通後，與上述雙向開關並聯的 四個續流二極體因為反向偏置自動關斷，電路從4條支路並聯運行的瞬態模式切換到3條 支路並聯運行的穩態模式，3條支路分別為:模塊I?3和模塊6串聯支路；模塊4?5和 模塊8?9串聯支路；以及模塊7和模塊10?12串聯支路；[0032](4)當儲能陣列器放電、儲能模塊I?12電壓降低到V3 — 2後，關斷雙向開關 Κ45, 35，Κ33，Κ46，36 ;此時續流二極體D45，35，D33和D46，36續流，儲能陣列器進入3條支 路並聯運行的瞬態模式；[0033](5)當儲能陣列器放電、儲能模塊電壓降低到V2 — 3後，導通雙向開關Κ21，Κ22 ;續 流二極體D45，35，D33，D46, 36因反向偏置自動關斷，儲能陣列器切換到2條支路並聯運行 的穩態模式，2條支路分別為:模塊I?3、模塊6和模塊8?9串聯支路，以及模塊4?5、 模塊7和模塊10?12串聯支路。[0034]進一步地，所述完全充電過程中儲能陣列器五種運行模式分別如下:[0035]〈1>充電開始時，雙向開關Κ21，Κ22，Κ31，23和Κ34，24導通，其餘雙向開關關斷， 儲能陣列器運行在2條支路並聯的穩態模式；[0036]隨著充電的進行，儲能模塊I?12電壓升高，當儲能模塊I?12電壓升至 V2 —3時，關斷雙向開關Κ21和Κ22，續流二極體D21和D22續流，儲能陣列器運行在2條支路並聯的瞬態模式；[0037]當儲能陣列器充電、儲能模塊I?12電壓升至V3 — 2時，開通雙向開關K45，35， K32，K33和Κ46，36 ;續流二極體D21和D22因反向偏置自動關斷，儲能陣列器從2條支路並 聯運行的瞬態模式切換到3條支路並聯運行的穩態模式；[0038]〈4>當儲能陣列器充電、儲能模塊I?12電壓升至V3 — 4時，關斷雙向開關Κ31，23， Κ32和Κ34，24 ;續流二極體D31，23，D32和D34，24續流，儲能陣列器運行在3條支路並聯的 瞬態模式；[0039]當儲能陣列器充電、儲能模塊I?12電壓升至乂卜3時，開通雙向開關K41， K42，K43和K44，續流二極體D31, 23，D32和D34, 24因反向偏置自動關斷，儲能陣列器從3 條支路並聯運行的瞬態模式切換到4條支路並聯運行的穩態模式。[0040]進一步地，通過動態改變儲能陣列裝置內各儲能模塊的串並聯關係使儲能陣列器 的電壓波動率維持在33.3%以內時，容量利用率達到88.9%。[0041]與現有技術比，本發明達到的有益效果是:[0042]1、本發明提供的三級4-3-2對稱型儲能陣列器，儲能陣列中含有12個相同的儲能 模塊，通過動態改變陣列內各儲能模塊的串並聯關係，在擴大儲能模塊電壓變化範圍的同 時保證陣列電壓仍在要求的電壓範圍之內，從而在滿足電壓波動率要求的前提下達到提高 儲能裝置容量利用率的目的，克服了端電壓變化範圍大的儲能單元容量利用率低的缺陷。[0043]2、本發明提供的三級4-3-2對稱型儲能陣列器，包含4支路並聯運行模式、3支路 並聯運行模式和2支路並聯運行模式等三種穩態運行模式和模式切換過程中產生的兩種 瞬態運行模式，每種運行模式下每條並聯支路含有相同的儲能模塊數和開關個數，各儲能 模塊狀態能基本保持一致，並且本發明拓撲結構簡單，所用開關數量少，容量利用率和電壓 波動率綜合性能好；當儲能模塊電壓不低於(l/9)Vrate時,可保證儲能陣列的端電壓始終 處於(2/3)Vrate?Vrate範圍內；即當電壓波動率維持在33.3%以內時，容量利用率仍能 聞達88.9%。【專利附圖】

【附圖說明】[0044]圖1是超級電容儲能量百分比與端電壓關係圖；[0045]圖2是本發明提供的三級對稱型動態儲能陣列拓撲器圖；[0046]圖3是本發明提供的以超級電容為儲能模塊的拓撲器圖；[0047]圖4是本發明提供的完全放電過程中各運行模式下的電流路徑圖，其中:[0048]圖(a)是本發明提供的完全放電過程中4條支路並聯穩態模式下的電流路徑圖；[0049]圖(b)是本發明提供的完全放電過程中4條支路並聯瞬態模式下的電流路徑圖；[0050]圖(c)是本發明提供的完全放電過程中3條支路並聯穩態模式下的電流路徑圖；[0051]圖(d)是本發明提供的完全放電過程中3條支路並聯瞬態模式下的電流路徑圖；[0052]圖(e)是本發明提供的完全放電過程中2條支路並聯穩態模式下的電流路徑圖；[0053]圖5是本發明提供的完全充電過程中各運行模式下的電流路徑圖，其中:[0054]圖(a』)是本發明提供的完全充電過程中2條支路並聯穩態模式下的電流路徑圖；[0055]圖(b』)是本發明提供的完全充電過程中2條支路並聯瞬態模式下的電流路徑圖；[0056]圖(c』)是本發明提供的完全充電過程中3條支路並聯穩態模式下的電流路徑圖；[0057]圖(d』)是本發明提供的完全充電過程中3條支路並聯瞬態模式下的電流路徑圖；[0058]圖(e』)是本發明提供的完全充電過程中4條支路並聯穩態模式下的電流路徑圖。【具體實施方式】[0059]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。[0060]本發明的目的在於克服端電壓變化範圍大的儲能單元容量利用率低的缺陷，提供一種能夠同時實現較高容量利用率和較小電壓波動率的動態儲能陣列器及其控制方法。[0061]本發明提供的三級對稱型動態儲能陣列器拓撲圖如圖2所示，Kij表示雙向開關， Dij表示與Kij並聯的續流二極體，其中i=2、3、4 ;j=l、2、…、6。儲能陣列由12個相同的儲能模塊和12個並聯有續流二極體的低速雙向開關構成陣列。[0062]12個相同的儲能模塊和12個雙向開關構成的4條支路，所述4條支路並聯；每條支路由串聯的3個儲能模塊和I個雙向開關構成，兩兩支路之間通過雙向開關連接；所述 12個雙向開關均並聯有續流二極體；儲能陣列器包括4支路並聯運行模式、3支路並聯運行模式和2支路並聯運行模式三種穩態運行模式和模式切換過程中產生的兩種瞬態運行模式。[0063]12個儲能模塊分別為模塊I~12 ;所述12個雙向開關分別為雙向開關I~12 ;所述4條支路分別為第一串聯支路、第二串聯支路、第三串聯支路和第四串聯支路；所述第一串聯支路由串聯的模塊I~3以及雙向開關I組成；所述第二串聯支路由串聯的模塊4-5、 雙向開關3以及模塊6組成；所述第三串聯支路由串聯的模塊7、雙向開關6以及模塊8-9 組成；所述第四串聯支路由串聯的雙向開關8以及模塊10-12組成。[0064]第一串聯支路與第二串聯支路之間通過雙向開關2連接，該雙向開關2連接在第一串聯支路雙向開關I的輸入端與第二串聯支路雙向開關3的輸出端之間；第二串聯支路與第三串聯支路之間通過雙向開關4和5連接，雙向開關4和5串聯組成雙向開關串聯支路，所述雙向開關串聯支路連接在第二串聯支路雙向開關2的輸入端與第三串聯支路雙向開關6輸出端之間；第三串聯支路與第四串聯支路之間通過雙向開關7連接，該雙向開關7 連接在第三串聯支路雙向開關6的輸入端與第四串聯支路雙向開關8的輸出端之間；雙向開關9和10並聯後連接在第二串聯支路模塊4的輸入端與模塊5的輸出端兩側；雙向開關 11和12並聯後連接在第二串聯支路模塊8的輸入端與模塊9的輸出端兩側。[0065]儲能模塊為直流電壓源型儲能模塊，包括超級電容。[0066]本發明還提供一種三級對稱型動態儲能陣列器的控制方法，當儲能模塊電壓發生大範圍變化時，通過控制雙向開關改變各儲能模塊之間的串並聯關係，以減小儲能陣列端電壓的波動範圍，4支路並聯運行模式、3支路並聯運行模式和2支路並聯運行模式三種穩態運行模式分別如下:[0067]A、當儲能模塊電壓在(1/4) Vrate~(1/3) Vrate範圍內時,儲能陣列運行在4條支路並聯模式下，每條支路含有3個串聯的儲能模塊；4條支路分別為，模塊I~3串聯支路，模塊4~6串聯支路，模塊7~9串聯支路和模塊10~12串聯支路；
[0068]B、當儲能模塊電壓在(1/6)Vrate~(1/4)Vrate範圍內時,儲能陣列運行在3條支路並聯模式下，每條支路含有4個串聯的儲能模塊；3條支路分別為:模塊I~3和模塊 6串聯支路，模塊4~5和模塊8~9串聯支路，以及模塊7和模塊10~12串聯支路。[0069]C、當儲能模塊電壓低於(1/6)Vrate時，儲能陣列運行在2條支路並聯模式下，每條支路含有6個串聯的儲能模塊；2條支路分別為，模塊I~3、模塊6和模塊8~9串聯支路，以及模塊4~5、模塊7和模塊10~12串聯支路。[0070]本發明與不對稱動態儲能陣列器相比，優點是每種運行模式下每條並聯支路含有相同的儲能模塊數和開關個數，各儲能模塊狀態能基本保持一致。並且本發明拓撲結構簡單，所用開關數量少，容量利用率和電壓波動率綜合性能較好；當儲能模塊電壓不低於 (1/9) Vrate時，可保證儲能陣列的端電壓始終處於(2/3) Vrate~Vrate範圍內；即當電壓波動率維持在33.3%以內時，容量利用率仍能高達88.9%。[0071]實施例[0072]下面以超級電容為儲能單元的儲能陣列器的完全充放電過程為例，詳細說明本發明的【具體實施方式】。[0073]本發明提供的以超級電容為儲能模塊的拓撲圖如圖3所示，Kij表示雙向開關， Dij表示與Kij並聯的續流二極體，SCn表示超級電容儲能模塊，其中:i=2、3、4 ;j=l、2、...、 6 ;n=l、2、…、12。設a點電位高於13點電位。[0074]儲能陣列器的額定電壓為VMte，4條支路並聯運行向3條支路並聯運行模式切換的切換電壓為—3，3條支路並聯運行向4條支路並聯運行模式切換的切換電壓V3 — 4，3條支路並聯運行向2條支路並聯運行模式切換的切換電壓V3 —2，2條支路並聯運行向3條支路並聯運行模式切換的切換電壓V2^3，且滿足Vp3 > (1/4) Vrate > V3^4 > V3^2 > (1/6) Vrate > V2-3。[0075]在一次完全的放電過程中，該儲能陣列五種運行模式的電流路徑如圖4所示。[0076]儲能陣列器的控制方法通過動態改變儲能陣列裝置內各儲能模塊的串並聯關係實現，包括完全放電過程中儲能陣列五種運行模式和完全充電過程中儲能陣列五種運行模式。[0077]完全放電過程中儲能陣列器五種運行模式分別如下:[0078]放電開始時，儲能模塊I~12均處於滿充狀態，雙向開關K41，K42，K43，K44， K45, 35和K46，36閉合，其餘雙向開關斷開，此時儲能陣列器運行在4條支路並聯運行的穩態模式下，每條支路含有3個儲能模塊，4條支路分別為:模塊I~3串聯支路，模塊4~6 串聯支路，模塊7~9串聯支路和模塊10~12串聯支路。儲能陣列內部的電流路徑如圖 4(a)所示。[0079]當儲能陣列器放電、儲能模塊I~12電壓降到V4 — 3後，斷開雙向開關K41，K42， K43和K44 ;對應與上述雙向開關並聯的續流二極體D41，D42，D43和D44導通，儲能陣列器進入4條支路並聯運行的瞬態模式，其電流路徑如圖4(b)所示。[0080] 當儲能模塊I~12電壓因繼續放電降到％ — 4後，開通雙向開關1(31，23，1(32，1(33 和K34，24 ;當雙向開關K31，23，Κ32，Κ33和Κ34，24導通後，與上述雙向開關並聯的四個續流二極體因為反向偏置自動關斷，電路從4條支路並聯運行的瞬態模式切換到3條支路並聯運行的穩態模式，3條支路分別為:模塊I~3和模塊6串聯支路；模塊4~5和模塊8~ 9串聯支路；以及模塊7和模塊10~12串聯支路，其電流路徑如圖4(c)所不。[0081]當儲能模塊I~12電壓因繼續放電降低到V3 — 2後，關斷雙向開關Κ45，35，Κ33， Κ46, 36 ;此時續流二極體D45，35，D33和D46，36續流，儲能陣列器進入3條支路並聯運行的瞬態模式。[0082]當儲能模塊I?12電壓因繼續放電降低到V2 — 3後，導通雙向開關K21，K22 ;續 流二極體D45，35，D33，D46, 36因反向偏置自動關斷，儲能陣列器切換到2條支路並聯運行 的穩態模式，2條支路分別為:模塊I?3、模塊6和模塊8?9串聯支路，以及模塊4?5、 模塊7和模塊10?12串聯支路，切換過程中所經歷的三種運行模式的電流路徑依次如圖 4(c)?(e)所示。[0083]充電過程中該儲能陣列的運行模式切換過程與放電過程相似，其五種運行模式下 的電流路徑如圖5所示。[0084]充電開始時，雙向開關K21，K22，K31, 23和K34，24導通，其餘雙向開關關斷，儲能 陣列器運行在2條支路並聯的穩態模式，其電流路徑如圖5(a』 )所示。[0085]隨著充電的進行，儲能模塊I?12電壓升高，當儲能模塊I?12電壓升至％ —3 時，關斷雙向開關K21和K22，續流二極體D21和D22續流，儲能陣列器運行在2條支路並聯 的瞬態模式。[0086]當儲能模塊I?12電壓升至Vp2時，開通雙向開關1(45，35，1(32，1(33和1(46，36 ； 續流二極體D21和D22因反向偏置自動關斷，儲能陣列器從2條支路並聯運行的瞬態模式 切換到3條支路並聯運行的穩態模式。此過程該陣列經歷的電流路徑依次如圖5(a』 )? (c』 )所示[0087]當儲能模塊I?12電壓繼續升至V3 —4時，關斷雙向開關K31，23，K32和K34，24 ； 續流二極體D31，23，D32和D34，24續流，儲能陣列器運行在3條支路並聯的瞬態模式。[0088]當儲能模塊I?12電壓繼續升至V4 —3時，開通雙向開關Κ41，Κ42，Κ43和Κ44，續 流二極體D31，23，D32和D34，24因反向偏置自動關斷，儲能陣列器從3條支路並聯運行的 瞬態模式切換到4條支路並聯運行的穩態模式，此過程經歷的電流路徑依次如圖5(c』 )? (e，)所示。[0089]本發明提供的三級4-3-2對稱型動態儲能陣列及其控制方法。該陣列由12個相 同的直流電壓源型儲能模塊和12個低速雙向開關及其並聯的續流二極體構成。它具有4 支路並聯運行模式、3支路並聯運行模式和2支路並聯運行模式等三種穩態運行模式和模 式切換過程中產生的兩種瞬態運行模式，每種運行模式下每條並聯支路含有相同的儲能模 塊數和開關個數，各儲能模塊狀態基本保持一致。本發明的儲能陣列拓撲結構簡單，所用開 關數量少，容量利用率和電壓波動率綜合性能較好；當電壓波動率維持在33.3%以內時，容 量利用率仍能高達88.9%。[0090]最後應當說明的是:以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，盡 管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解:依然 可以對本發明的【具體實施方式】進行修改或者等同替換，而未脫離本發明精神和範圍的任何 修改或者等同替換，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
【權利要求】
1.一種三級對稱型動態儲能陣列器，該儲能陣列器包括儲能模塊，其特徵在於，所述儲能模塊為結構相同的12個儲能模塊，所述儲能陣列器為對稱結構，包括由12個儲能模塊和 12個雙向開關構成的4條支路；每條支路由串聯的3個儲能I吳塊和I個雙向開關構成，兩兩支路之間通過雙向開關連接；所述12個雙向開關均並聯有續流二極體；雙向開關閉合時電流雙向流動，且雙向的電流關斷均可控；所述儲能陣列器包括4支路並聯運行模式、3支路並聯運行模式和2支路並聯運行模式三種穩態運行模式和模式切換過程中產生的兩種瞬態運行模式。
2.如權利要求1所述的儲能陣列器，其特徵在於，所述12個儲能模塊分別為模塊I~ 12 ;所述 12 個雙向開關分別為雙向開關 K41，K42，K43，K44，K45, 35、Κ46，36、Κ31，23、Κ32、 Κ33、Κ34，24、Κ21、Κ22 ;所述4條支路分別為第一串聯支路、第二串聯支路、第三串聯支路和第四串聯支路；所述第一串聯支路由串聯的模塊I~3以及雙向開關Κ41組成；所述第二串聯支路由串聯的模塊4-5、雙向開關Κ42以及模塊6組成；所述第三串聯支路由串聯的模塊7、雙向開關Κ43以及模塊8-9組成；所述第四串聯支路由串聯的雙向開關Κ44以及模塊10-12組成。
3.如權利要求2所述的儲能陣列器，其特徵在於，所述第一串聯支路與第二串聯支路之間通過雙向開關Κ31，23連接，該雙向開關Κ31，23連接在第一串聯支路雙向開關Κ41的輸入端與第二串聯支路雙向開關Κ42的輸出端之間；所述第二串聯支路與第三串聯支路之間通過雙向開關Κ32和Κ33連接，雙向開關Κ32 和Κ33串聯組成雙向開關串聯支路，所述雙向開關串聯支路連接在第二串聯支路雙向開關 Κ42的輸入端與第三串聯支路雙向開關Κ43輸出端之間；所述第三串聯支路與第四串聯支路之間通過雙向開關Κ34，24連接，該雙向開關 Κ34, 24連接在第三串聯支路雙向開關Κ43的輸入端與第四串聯支路雙向開關Κ44的輸出端之間；雙向開關Κ45，35和Κ22串聯後連接在第二串聯支路模塊4的輸入端與模塊5的輸出端兩側；雙向開關Κ21和Κ46，36串聯後連接在第二串聯支路模塊8的輸入端與模塊9的輸出端兩側。
4.如權利要求1所述的儲能陣列器，其特徵在於，所述儲能模塊為直流電壓源型儲能模塊，包括但不限於超級電容。
5.如權利要求1所述的儲能陣列器，其特徵在於，所述儲能陣列器的額定電壓為VMte， 4條支路並聯運行向3條支路並聯運行模式切換的切換電壓為V4 —3，3條支路並聯運行向 4條支路並聯運行模式切換的切換電壓為V3 —4，3條支路並聯運行向2條支路並聯運行模式切換的切換電壓為V3 —2，2條支路並聯運行向3條支路並聯運行模式切換的切換電壓為 V2 —3;滿足 V4 —3> (l/4)Vrate> V3^4 > V3^2 > (l/6)Vrate> V2 —3。
6.如權利要求1所述的儲能陣列器，其特徵在於，所述儲能陣列器的4支路並聯運行模式、3支路並聯運行模式和2支路並聯運行模式三種穩態運行模式分別如下:A、當儲能模塊電壓在(1/4) Vrate~(1/3) Vrate範圍內時,儲能陣列運行在4條支路並聯模式下，每條支路含有3個串聯的儲能模塊；4條支路分別為，模塊I~3串聯支路，模塊4~6串聯支路，模塊7~9串聯支路和模塊10~12串聯支路；B、當儲能模塊電壓在(1/6)Vrate~(1/4) Vrate範圍內時,儲能陣列運行在3條支路並聯模式下，每條支路含有4個串聯的儲能模塊；3條支路分別為:模塊I~3和模塊6串聯支路，模塊4~5和模塊8~9串聯支路，以及模塊7和模塊10~12串聯支路。C、當儲能模塊電壓低於(1/6)Vrate時，儲能陣列運行在2條支路並聯模式下，每條支路含有6個串聯的儲能模塊；2條支路分別為，模塊I~3、模塊6和模塊8~9串聯支路， 以及模塊4~5、模塊7和模塊10~12串聯支路。
7.一種三級對稱型動態儲能陣列器的控制方法，其特徵在於，所述方法通過動態改變儲能陣列裝置內各儲能模塊的串並聯關係實現，包括完全放電過程中儲能陣列五種運行模式和完全充電過程中儲能陣列五種運行模式。
8.如權利要求7所述的控制方法，其特徵在於，所述完全放電過程中儲能陣列器五種運行模式分別如下:(1)放電開始時，儲能模塊I~12均處於滿充狀態，雙向開關K41，K42，K43，K44，K45，35 和K46，36閉合，其餘雙向開關斷開，此時儲能陣列器運行在4條支路並聯運行的穩態模式下，每條支路含有3個儲能模塊，4條支路分別為:模塊I~3串聯支路，模塊4~6串聯支路，模塊7~9串聯支路和模塊10~12串聯支路；(2)當儲能陣列器放電、儲能模塊I~12電壓降到V4— 3後，斷開雙向開關K41，K42， K43和K44 ;對應與上述雙向開關並聯的續流二極體D41，D42，D43和D44導通，儲能陣列器進入4條支路並聯運行的瞬態模式；(3)當儲能陣列器放電、儲能模塊I~12電壓降到V3—4後，開通雙向開關K31，23，K32， Κ33和Κ34，24 ;當雙向開關Κ31，23，Κ32，Κ33和Κ34，24導通後，與上述雙向開關並聯的四個續流二極體因為反向偏置自動關斷，電路從4條支路並聯運行的瞬態模式切換到3條支路並聯運行的穩態模式，3條支路分別為:模塊I~3和模塊6串聯支路；模塊4~5和模塊8~9串聯支路；以及模塊7和模塊10~12串聯支路；(4)當儲能陣列器放電、儲能模塊I~12電壓降低到V3— 2後，關斷雙向開關Κ45，35， Κ33，Κ46, 36 ;此時續流二極體D45，35，D33和D46，36續流，儲能陣列器進入3條支路並聯運行的瞬態模式；(5)當儲能陣列器放電、儲能模塊電壓降低到V2—3後，導通雙向開關Κ21，Κ22 ;續流二極體D45，35，D33，D46, 36因反向偏置自動關斷，儲能陣列器切換到2條支路並聯運行的穩態模式，2條支路分別為:模塊I~3、模塊6和模塊8~9串聯支路，以及模塊4~5、模塊 7和模塊10~12串聯支路。
9.如權利要求7所述的控制方法，其特徵在於，所述完全充電過程中儲能陣列器五種運行模式分別如下:充電開始時，雙向開關Κ21，Κ22，Κ31, 23和Κ34，24導通，其餘雙向開關關斷，儲能陣列器運行在2條支路並聯的穩態模式；隨著充電的進行，儲能模塊I~12電壓升高，當儲能模塊I~12電壓升至V2 — 3時， 關斷雙向開關Κ21和Κ22，續流二極體D21和D22續流，儲能陣列器運行在2條支路並聯的瞬態模式；當儲能陣列器 充電、儲能模塊I~12電壓升至V3 — 2時，開通雙向開關Κ45，35，Κ32，K33和K46，36 ;續流二極體D21和D22因反向偏置自動關斷，儲能陣列器從2條支路並聯運行的瞬態模式切換到3條支路並聯運行的穩態模式；當儲能陣列器充電、儲能模塊I~12電壓升至Vp4時，關斷雙向開關K31，23，K32 和Κ34，24 ;續流二極體D31，23，D32和D34，24續流，儲能陣列器運行在3條支路並聯的瞬態模式；當儲能陣列器充電、儲能模塊I~12電壓升至V4 — 3時，開通雙向開關Κ41，Κ42， Κ43和Κ44，續流二極體D31，23，D32和D34，24因反向偏置自動關斷，儲能陣列器從3條支路並聯運行的瞬態模式切換到4條支路並聯運行的穩態模式。
10.如權利要求7-9中任一項所述的控制方法，其特徵在於，通過動態改變儲能陣列裝置內各儲能模塊的串並聯關係使儲能陣列器的電壓波動率維持在33.3%以內時， 容量利用率達到88.9%。
【文檔編號】H02J1/02GK103606912SQ201310500589
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年10月22日 優先權日:2013年10月22日
【發明者】呂志鵬, 盛萬興, 鍾慶昌, 肖曦, 劉海濤, 吳鳴, 聶金峰, 丁若星, 田培根, 王奎 申請人:國家電網公司, 中國電力科學研究院, 國網遼寧省電力有限公司, 清華大學