兩級串聯的超級電容與蓄電池混合儲能系統及能量吸收與釋放的方法與流程
2023-10-04 16:18:54 1
本發明涉及電能的儲存與釋放領域，具體涉及一種兩級串聯結構的超級電容與蓄電池混合儲能系統及能量吸收與釋放的方法。
背景技術：
儲能技術的研究和應用一直受到各國能源、電力、交通、電訊等部門的高度重視。發展方向一方面是新型儲能元件的研發，如高性能蓄電池、超級電容、鈉硫電池，以及超導等。目前應用最為成熟和廣泛的還是蓄電池，超級電容的技術已經成熟，但是受限於價格，廣泛應用還一定距離。另外一方面是儲能變換系統的研製。
為了提高儲能裝置的性能，一些文章和專利提出了將蓄電池與超級電容組合使用，主要的拓撲結構是蓄電池與超級電容簡單並聯，或者是通過直流DC/DC變換電路分別連接超級電容和蓄電池，之後再並聯。如果系統為交流系統，還會增設DC/AC變換電路。主要目標是發揮兩種儲能元件的優勢，實現更好的調控效果。在高壓大功率場合，多數也是採用以上子模塊的並聯，或者級聯，也有通過變壓器升壓後與系統相連。但是目前儲能系統仍然需要解決很多問題，例如：
（1）在高壓大功率場合由於價格原因，多採用蓄電池作為儲能元件，只會在一些示範工程中採用新型的價格昂貴的儲能元件。採用蓄電池做儲能元件的裝置，一般用作在緊急狀態和電網故障情況下為系統提供後備支持，或者起到削峰填谷的作用減小負荷高峰期的供電需求和發電系統的資本投入，對於電源中出現的較大的功率波動和衝擊難以進行快速調節。
（2）大量蓄電池的串聯導致對蓄電池參數一致性要求高，裝置成本居高不下。另外，由於受到蓄電池充放電次數限制，對於系統頻繁出現的瞬時功率波動，尚不能進行很好的控制。
（3）由於超級電容儲能量與電壓平方成正比，一些直接將超級電容並聯至直流母線的系統，很難將超級電容的儲能性能發揮。並且過於頻繁的直流母線電壓波動，對超級電容本身也會帶來負面影響。
（4）蓄電池與超級電容簡單並聯，或蓄電池與超級電容經過DC/DC變換器之後再並聯，類似系統雖然加入了超級電容，但是當系統功率、電壓頻繁出現大範圍波動時，電壓電流仍然是同時施加在兩種儲能元件上，對蓄電池的負面影響依然存在，也難以實現能量的高效吸收與釋放。
（5）超級電容的內阻小，儲能量遠超普通電容，在上電過程中的衝擊電流數值和持續時間都將遠超普通電容，因此，需要設置功率較大的預充電電路。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是：提供一種兩級串聯結構的超級電容與蓄電池混合儲能系統及能量吸收與釋放的方法，超級電容置於蓄電池之前，通過合理控制可以吸收和釋放頻繁出現的瞬時大功率，一方面提高系統調控速度和性能，另外一方面減少蓄電池的大電流充放與充放電次數，提高蓄電池使用壽命。
本發明為解決上述技術問題所採取的技術方案為：一種兩級串聯結構的超級電容與蓄電池混合儲能系統，其特徵在於：它包括：
與外部系統直流母線連接的第一開關K1和第一電感L1；
連接在第一開關K1和第一電感L1之後的前級雙向升降壓變換電路；
連接在前級雙向升降壓變換電路之後直流母線之間的超級電容C；
與超級電容C串聯的第四開關K4和預充電電路；
連接在超級電容C之後直流母線之間的後級雙向升降壓變換電路；
連接在後級雙向升降壓變換電路之後直流母線之間的蓄電池B，以及與蓄電池B相互串聯的第二開關K2和第二電感L2。
按上述系統，所述的前級雙向升降壓變換電路由第一電力電子器件S1和第二電力電子器件S2構成；所述的後級雙向升降壓變換電路由第三電力電子器件S3和第四電力電子器件S4構成。
按上述系統，所述的第一電感L1和第二電感L2均為平波電感。
按上述系統，所述的第一開關K1、第二開關K2、第四開關K4分別為斷路器、接觸器、負載開關或熔斷器中的一種或幾種的組合。
按上述系統，所述的預充電電路包括與超級電容C串聯的充電開關K3，以及與充電開關K3並聯的充電電阻R。
按上述系統，所述的充電開關K3為斷路器、接觸器、負載開關或熔斷器中的一種或幾種的組合。
利用上述兩級串聯結構的超級電容與蓄電池混合儲能系統實現的能量吸收與釋放的方法，其特徵在於：它包括以下步驟：
當本系統處於能量吸收狀態時：1）當外部系統直流母線產生能量回饋時，若有瞬間浪湧電流的衝擊，直接通過第二電力電子器件S2對超級電容C進行充電；2）當浪湧結束後或者充電過程不存在浪湧電流的衝擊，對第二電力電子器件S2進行PWM控制，使得前級雙向升降壓變換電路工作在升壓狀態，對能量進行吸收；後級雙向升降壓變換電路則通過PWM控制第三電力電子器件S3構成降壓電路，向蓄電池充電； 3）在充電控制結束時，若超級電容C的電壓高於額定值，後級雙向升降壓變換電路持續通過PWM控制第三電力電子器件S3構成降壓電路，直到超級電容C的電壓恢復到額定值，為接受下一次能量吸收做好準備；
當本系統處於能量釋放狀態時：1）當直流母線出現瞬間的大功率缺口時，控制第一電力電子器S1完成超級電容C向外部系統直流母線的瞬間大電流能量輸送；2）當補償大電流缺口結束或者放電過程不存在大電流缺口時，對第一電力電子器件S1進行PWM控制，使得前級雙向升降壓變換電路工作在降壓狀態，輸出放電電流；後級雙向升降壓變換電路通過PWM控制第四電力電子器件S4構成升壓電路，維持超級電容C的電壓；3）在放電控制結束時，若超級電容C的電壓低於額定值，後級雙向升降壓變換電路通過PWM控制第四電力電子器件S4構成升壓電路，直到超級電容C的電壓恢復到額定值，為接受下一次能量回饋做好準備。
本發明的有益效果為：
（1）超級電容置於蓄電池之前，通過合理控制可以吸收和釋放頻繁出現的瞬時大功率，一方面提高系統調控速度和性能，另外一方面減少蓄電池的大電流充放與充放電次數，提高蓄電池使用壽命。
（2）前級為升降壓結構，可以使儲能系統在更寬的電壓範圍內實現能量的高效儲存與釋放。
（3）蓄電池作為儲能型元件，設置在超級電容後端，用來實現較長時間的能量吸收與釋放，升降壓電路的存在可以減少蓄電池串聯數量。預充電能量，也可由蓄電池組提供。
（4）超級電容設置了預充電電路，避免上電瞬間電流衝擊損壞器件，在故障時刻限流電阻也可以有效限制故障電流。
（5）前後串聯的結構具有集成度高、結構緊湊、控制相對簡單的特點，相比並聯而言更能夠發揮兩種儲能元件的特點。
附圖說明
圖1為本發明的系統結構示意圖。
圖2為本發明一實施例的系統結構示意圖。
圖3為瞬間大功率吸收能量時的工作狀態示意圖。
圖4為正常狀態下吸收能量時的工作狀態示意圖。
圖5為瞬間大功率釋放能量時的工作狀態示意圖。
圖6為正常狀態下釋放能量時的工作狀態示意圖。
具體實施方式
下面結合具體實例和附圖對本發明做進一步說明。
本發明提供一種兩級串聯結構的超級電容與蓄電池混合儲能系統，如圖1所示，它包括：與外部系統直流母線連接的第一開關K1和第一電感L1；連接在第一開關K1和第一電感L1之後的前級雙向升降壓變換電路；連接在前級雙向升降壓變換電路之後直流母線之間的超級電容C；與超級電容C串聯的第四開關K4和預充電電路；連接在超級電容C之後直流母線之間的後級雙向升降壓變換電路；連接在後級雙向升降壓變換電路之後直流母線之間的蓄電池B，以及與蓄電池B相互串聯的第二開關K2和第二電感L2。
所述的前級雙向升降壓變換電路由第一電力電子器件S1和第二電力電子器件S2構成；所述的後級雙向升降壓變換電路由第三電力電子器件S3和第四電力電子器件S4構成。
所述的第一電感L1和第二電感L2均為平波電感。
所述的第一開關K1、第二開關K2、第四開關K4分別為斷路器、接觸器、負載開關或熔斷器中的一種或幾種的組合。
所述的預充電電路包括與超級電容C串聯的充電開關K3，以及與充電開關K3並聯的充電電阻R。
所述的充電開關K3為斷路器、接觸器、負載開關或熔斷器中的一種或幾種的組合。
利用上述兩級串聯結構的超級電容與蓄電池混合儲能系統實現的能量吸收與釋放的方法，包括以下步驟：
當本系統處於能量吸收狀態時：1）當外部系統直流母線產生能量回饋時，若有瞬間浪湧電流的衝擊，直接通過第二電力電子器件S2對超級電容C進行充電；2）當浪湧結束後或者充電過程不存在浪湧電流的衝擊，對第二電力電子器件S2進行PWM控制，使得前級雙向升降壓變換電路工作在升壓狀態，對能量進行吸收；後級雙向升降壓變換電路則通過PWM控制第三電力電子器件S3構成降壓電路，向蓄電池充電； 3）在充電控制結束時，若超級電容C的電壓高於額定值，後級雙向升降壓變換電路持續通過PWM控制第三電力電子器件S3構成降壓電路，直到超級電容C的電壓恢復到額定值，為接受下一次能量吸收做好準備；
當本系統處於能量釋放狀態時：1）當直流母線出現瞬間的大功率缺口時，控制第一電力電子器S1完成超級電容C向外部系統直流母線的瞬間大電流能量輸送；2）當補償大電流缺口結束或者放電過程不存在大電流缺口時，對第一電力電子器件S1進行PWM控制，使得前級雙向升降壓變換電路工作在降壓狀態，輸出放電電流；後級雙向升降壓變換電路通過PWM控制第四電力電子器件S4構成升壓電路，維持超級電容C的電壓；3）在放電控制結束時，若超級電容C的電壓低於額定值，後級雙向升降壓變換電路通過PWM控制第四電力電子器件S4構成升壓電路，直到超級電容C的電壓恢復到額定值，為接受下一次能量回饋做好準備。
為使本發明的技術方案和優點更加清楚，下面針對外部直流母線電壓等級為1500V的電驅礦用卡車系統為例對本發明作進一步詳細的說明。選取1500V為例，主要是考慮地鐵、電驅礦用卡車等系統，內部直流母線電壓為1500V，並且類似設備在啟動、制動過程中存在頻繁的能量吸收和回饋釋放。而目前回饋的制動能量多數場合是讓其在電阻柵上以發熱的形式消耗掉。採用本發明所述的混合儲能裝置能夠很好的吸收這部分能量，在系統正常運行過程中釋放，由此達到降低系統能耗，提高節能效率的作用。
應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
如圖2所示，儲能系統的N+，N-直接與外部1500V直流母線的正極與負極連接。N+與第一電感L1、第一快熔K1-1、第一接觸器K1-2相串聯，第一電感L1的參數根據超級電容C充放電電流不斷續的原則進行設計，第一快熔K1-1與第一接觸器K1-2電壓等級和電流參數按照系統最高電壓和容量，並考慮一定裕度後確定。本實施例中第一電力電子器件S1和第二電力電子器件S2均為3300V電壓等級IGBT器件。
前級雙向升降壓變換電路採用美國MAXWELL公司超級電容作為功率型儲能元件，在1500V電壓等級，綜合考慮串聯數量和電壓等級，選擇48V/165F超級電容模塊進行串聯，1串的數量為35-40塊，即圖2中CN的N值為35-40。該數量可根據系統瞬時功率的大小進行核算，由於超級電容成本高，因此不建議採用2串的結構擴大容量。充電開關K3為第三接觸器，第四開關K4為第四接觸器K4-2和第二快熔K4-1，它們的電壓等級和電流參數按照直流母線最高電壓，並考慮一定裕度後確定。充電電阻R與第三接觸器並聯，由於超級電容C儲能量相比普通電容大，因此預充電功率大，且充電時間較長，因此預充電的功能最好是由裝置內部的蓄電池完成，避免對外部系統造成影響。預充電電阻可選擇20歐姆，如果蓄電池B的電壓等級為650V，則此時最大預充電電流為32.5A。
後級雙向升降壓變換電路採用廉價的鉛酸蓄電池作為能量型儲能元件，並且為減少蓄電池B串聯數量，其額定電壓等級設定為650V，額定電壓12V的鉛酸蓄電池，需要54塊進行串聯，即圖2中B1N的N值為54，如果需要擴大系統儲能時間，則可以利用多組蓄電池組進行並聯。
蓄電池B通過第二電感L2、第二快熔K2-1、第二接觸器K2-2與接入由第三電力電子器件S3和第四電力電子器件S4（均為3300V電壓等級IGBT器件）構成的後級升降壓變換電路。第二電感的參數要求根據蓄電池B充放電電流不斷續的原則進行設計，第二快熔K2-1與第二接觸器K2-2電壓等級和電流參數按照系統最高電壓和容量，並考慮一定裕度後確定。
下面結合結構示意圖及假設工作環境對此系統進行進一步說明。必須強調的是此工作環境僅為詳細的說明此系統。假設超級電容可承受衝擊電流為1000A，超級電容額定電壓為1500V,蓄電池額定充放電電流80A，最大充放電電流150A。
如圖3所示為系統在瞬間大功率吸收能量時的工作狀態示意圖。當礦車制動時，外部直流母線首先將出現突然的電壓升高，並產生很大的制動電流。如果制動電流大於150A，若直接向蓄電池充電，對蓄電池的衝擊將會很大，影響蓄電池壽命。因此設定此時系統進入如圖3（a）所示的狀態。制動能量通過S1的反並聯二極體直接向超級電容充電，吸收能量的同時避免了大電流對蓄電池的衝擊。當制動初始時間段結束後，制動的電壓和電流將會逐漸降低，在制動電流小於150A之後，系統將工作在圖3（b）所示的狀態，通過PI控制算法控制開關器件S2工作在脈寬調製狀態，將制動過程後期的能量加以高效吸收。進而整個系統進入到如圖4所示的工作狀態。如果初始制動電流小於150A，則系統直接進入如圖4所示工作狀態。
如圖4所示為系統在正常狀態下吸收能量時的工作狀態示意圖。此時制動電流維持在60~100A，可以直接向蓄電池充電，此時通過PI控制算法控制第二電力電子器件S2和第三電力電子器件S3，使得前級電路工作在升壓狀態，維持超級電容C兩端電壓穩定，後級電路工作在降壓狀態，對蓄電池B進行充電。若超級電容C兩端電壓超過1500V，則持續對第三電力電子器件S3進行控制，保持後級電路的降壓狀態，直至超級電容C電壓維持在1500V，為下次充電過程做準備。
如圖5所示為瞬間大功率釋放能量時的工作狀態示意圖，此過程中，前級電路通過PI控制算法控制第一電力電子器件S1使得前級電路工作在降壓狀態，將能量回饋至外部直流母線系統。此過程中，外部能量缺口過大，若放電電流需超過150A，則用超級電容C可以實現此電流的釋放。大電流缺口補償之後，如果需要持續穩定的釋放能量，系統則進入如圖6所示的工作狀態。
如圖6所示為正常狀態下釋放能量時的工作狀態示意圖。此過程中，前級電路通過PI控制算法控制第一電力電子器件S1使得電路工作在降壓狀態，將能量回饋至外部直流母線系統。後級電路通過PI控制算法控制第四電力電子器件S4使得電路工作在升壓狀態，將蓄電池B的能量經過第三電力電子器件S3的反並聯二極體輸送至D+、D-，並且維持超級電容C兩端的電壓穩定在1500V。
以上實施例僅用於說明本發明的設計思想和特點，其目的在於使本領域內的技術人員能夠了解本發明的內容並據以實施，本發明的保護範圍不限於上述實施例。所以，凡依據本發明所揭示的原理、設計思路所作的等同變化或修飾，均在本發明的保護範圍之內。