两级串联的超级电容与蓄电池混合储能系统及能量吸收与释放的方法技术方案

本发明专利技术提供一种两级串联结构的超级电容与蓄电池混合储能系统，包括与外部系统直流母线连接的第一开关和第一电感；连接在第一开关和第一电感之后的前级双向升降压变换电路；连接在前级双向升降压变换电路之后直流母线之间的超级电容；与超级电容串联的第四开关和预充电电路；连接在超级电容之后直流母线之间的后级双向升降压变换电路；连接在后级双向升降压变换电路之后直流母线之间的蓄电池，以及与蓄电池相互串联的第二开关和第二电感。超级电容置于蓄电池之前，通过合理控制可以吸收和释放频繁出现的瞬时大功率，一方面提高系统调控速度和性能，另外一方面减少蓄电池的大电流充放与充放电次数，提高蓄电池使用寿命。

Two stage series super capacitor and battery hybrid energy storage system and energy absorption and release method

The invention provides a tandem structure two super capacitor and battery hybrid energy storage system, including the connection with the external DC bus system the first switch and the first inductor; before connection after the first switch and the first inductance of the bidirectional buck converter; connected to the front after the bidirectional buck boost converter circuit between DC bus super capacitor; the fourth switch and the pre series and super capacitor charging circuit; the connection between the DC bus in the super capacitor after level bidirectional buck boost converter circuit; the battery is connected between the DC link bidirectional buck converter after class, and are connected with the battery second switch and second inductor. Before the super capacitor placed in the battery, through reasonable control can absorb and release a large instantaneous power frequently, improve the control speed and performance of the system on the one hand, on the other hand, reduce the high current charge and discharge the battery charge and discharge times, improve the service life of the battery.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电能的储存与释放领域，具体涉及一种两级串联结构的超级电容与蓄电池混合储能系统及能量吸收与释放的方法。
技术介绍
储能技术的研究和应用一直受到各国能源、电力、交通、电讯等部门的高度重视。发展方向一方面是新型储能元件的研发，如高性能蓄电池、超级电容、钠硫电池，以及超导等。目前应用最为成熟和广泛的还是蓄电池，超级电容的技术已经成熟，但是受限于价格，广泛应用还一定距离。另外一方面是储能变换系统的研制。为了提高储能装置的性能，一些文章和专利提出了将蓄电池与超级电容组合使用，主要的拓扑结构是蓄电池与超级电容简单并联，或者是通过直流DC/DC变换电路分别连接超级电容和蓄电池，之后再并联。如果系统为交流系统，还会增设DC/AC变换电路。主要目标是发挥两种储能元件的优势，实现更好的调控效果。在高压大功率场合，多数也是采用以上子模块的并联，或者级联，也有通过变压器升压后与系统相连。但是目前储能系统仍然需要解决很多问题，例如：（1）在高压大功率场合由于价格原因，多采用蓄电池作为储能元件，只会在一些示范工程中采用新型的价格昂贵的储能元件。采用蓄电池做储能元件的装置，一般用作在紧急状态和电网故障情况下为系统提供后备支持，或者起到削峰填谷的作用减小负荷高峰期的供电需求和发电系统的资本投入，对于电源中出现的较大的功率波动和冲击难以进行快速调节。（2）大量蓄电池的串联导致对蓄电池参数一致性要求高，装置成本居高不下。另外，由于受到蓄电池充放电次数限制，对于系统频繁出现的瞬时功率波动，尚不能进行很好的控制。（3）由于超级电容储能量与电压平方成正比，一些直接将超级电容并联至直流母线的系统，很难将超级电容的储能性能发挥。并且过于频繁的直流母线电压波动，对超级电容本身也会带来负面影响。（4）蓄电池与超级电容简单并联，或蓄电池与超级电容经过DC/DC变换器之后再并联，类似系统虽然加入了超级电容，但是当系统功率、电压频繁出现大范围波动时，电压电流仍然是同时施加在两种储能元件上，对蓄电池的负面影响依然存在，也难以实现能量的高效吸收与释放。（5）超级电容的内阻小，储能量远超普通电容，在上电过程中的冲击电流数值和持续时间都将远超普通电容，因此，需要设置功率较大的预充电电路。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种两级串联结构的超级电容与蓄电池混合储能系统及能量吸收与释放的方法，超级电容置于蓄电池之前，通过合理控制可以吸收和释放频繁出现的瞬时大功率，一方面提高系统调控速度和性能，另外一方面减少蓄电池的大电流充放与充放电次数，提高蓄电池使用寿命。本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种两级串联结构的超级电容与蓄电池混合储能系统，其特征在于：它包括：与外部系统直流母线连接的第一开关K1和第一电感L1；连接在第一开关K1和第一电感L1之后的前级双向升降压变换电路；连接在前级双向升降压变换电路之后直流母线之间的超级电容C；与超级电容C串联的第四开关K4和预充电电路；连接在超级电容C之后直流母线之间的后级双向升降压变换电路；连接在后级双向升降压变换电路之后直流母线之间的蓄电池B，以及与蓄电池B相互串联的第二开关K2和第二电感L2。按上述系统，所述的前级双向升降压变换电路由第一电力电子器件S1和第二电力电子器件S2构成；所述的后级双向升降压变换电路由第三电力电子器件S3和第四电力电子器件S4构成。按上述系统，所述的第一电感L1和第二电感L2均为平波电感。按上述系统，所述的第一开关K1、第二开关K2、第四开关K4分别为断路器、接触器、负载开关或熔断器中的一种或几种的组合。按上述系统，所述的预充电电路包括与超级电容C串联的充电开关K3，以及与充电开关K3并联的充电电阻R。按上述系统，所述的充电开关K3为断路器、接触器、负载开关或熔断器中的一种或几种的组合。利用上述两级串联结构的超级电容与蓄电池混合储能系统实现的能量吸收与释放的方法，其特征在于：它包括以下步骤：当本系统处于能量吸收状态时：1）当外部系统直流母线产生能量回馈时，若有瞬间浪涌电流的冲击，直接通过第二电力电子器件S2对超级电容C进行充电；2）当浪涌结束后或者充电过程不存在浪涌电流的冲击，对第二电力电子器件S2进行PWM控制，使得前级双向升降压变换电路工作在升压状态，对能量进行吸收；后级双向升降压变换电路则通过PWM控制第三电力电子器件S3构成降压电路，向蓄电池充电；3）在充电控制结束时，若超级电容C的电压高于额定值，后级双向升降压变换电路持续通过PWM控制第三电力电子器件S3构成降压电路，直到超级电容C的电压恢复到额定值，为接受下一次能量吸收做好准备；当本系统处于能量释放状态时：1）当直流母线出现瞬间的大功率缺口时，控制第一电力电子器S1完成超级电容C向外部系统直流母线的瞬间大电流能量输送；2）当补偿大电流缺口结束或者放电过程不存在大电流缺口时，对第一电力电子器件S1进行PWM控制，使得前级双向升降压变换电路工作在降压状态，输出放电电流；后级双向升降压变换电路通过PWM控制第四电力电子器件S4构成升压电路，维持超级电容C的电压；3）在放电控制结束时，若超级电容C的电压低于额定值，后级双向升降压变换电路通过PWM控制第四电力电子器件S4构成升压电路，直到超级电容C的电压恢复到额定值，为接受下一次能量回馈做好准备。本专利技术的有益效果为：（1）超级电容置于蓄电池之前，通过合理控制可以吸收和释放频繁出现的瞬时大功率，一方面提高系统调控速度和性能，另外一方面减少蓄电池的大电流充放与充放电次数，提高蓄电池使用寿命。（2）前级为升降压结构，可以使储能系统在更宽的电压范围内实现能量的高效储存与释放。（3）蓄电池作为储能型元件，设置在超级电容后端，用来实现较长时间的能量吸收与释放，升降压电路的存在可以减少蓄电池串联数量。预充电能量，也可由蓄电池组提供。（4）超级电容设置了预充电电路，避免上电瞬间电流冲击损坏器件，在故障时刻限流电阻也可以有效限制故障电流。（5）前后串联的结构具有集成度高、结构紧凑、控制相对简单的特点，相比并联而言更能够发挥两种储能元件的特点。附图说明图1为本专利技术的系统结构示意图。图2为本专利技术一实施例的系统结构示意图。图3为瞬间大功率吸收能量时的工作状态示意图。图4为正常状态下吸收能量时的工作状态示意图。图5为瞬间大功率释放能量时的工作状态示意图。图6为正常状态下释放能量时的工作状态示意图。具体实施方式下面结合具体实例和附图对本专利技术做进一步说明。本专利技术提供一种两级串联结构的超级电容与蓄电池混合储能系统，如图1所示，它包括：与外部系统直流母线连接的第一开关K1和第一电感L1；连接在第一开关K1和第一电感L1之后的前级双向升降压变换电路；连接在前级双向升降压变换电路之后直流母线之间的超级电容C；与超级电容C串联的第四开关K4和预充电电路；连接在超级电容C之后直流母线之间的后级双向升降压变换电路；连接在后级双向升降压变换电路之后直流母线之间的蓄电池B，以及与蓄电池B相互串联的第二开关K2和第二电感L2。所述的前级双向升降压变换电路由第一电力电子器件S1和第二电力电子器件S2构成；所述的后级双向升降压变换电路由第三电力电子器件S3和第四电力电子器件S4构成。所述的第一电感L1和第本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种两级串联结构的超级电容与蓄电池混合储能系统，其特征在于：它包括：与外部系统直流母线连接的第一开关K1和第一电感L1；连接在第一开关K1和第一电感L1之后的前级双向升降压变换电路；连接在前级双向升降压变换电路之后直流母线之间的超级电容C；与超级电容C串联的第四开关K4和预充电电路；连接在超级电容C之后直流母线之间的后级双向升降压变换电路；连接在后级双向升降压变换电路之后直流母线之间的蓄电池B，以及与蓄电池B相互串联的第二开关K2和第二电感L2。

【技术特征摘要】
1.一种两级串联结构的超级电容与蓄电池混合储能系统，其特征在于：它包括：与外部系统直流母线连接的第一开关K1和第一电感L1；连接在第一开关K1和第一电感L1之后的前级双向升降压变换电路；连接在前级双向升降压变换电路之后直流母线之间的超级电容C；与超级电容C串联的第四开关K4和预充电电路；连接在超级电容C之后直流母线之间的后级双向升降压变换电路；连接在后级双向升降压变换电路之后直流母线之间的蓄电池B，以及与蓄电池B相互串联的第二开关K2和第二电感L2。2.根据权利要求1所述的两级串联结构的超级电容与蓄电池混合储能系统，其特征在于：所述的前级双向升降压变换电路由第一电力电子器件S1和第二电力电子器件S2构成；所述的后级双向升降压变换电路由第三电力电子器件S3和第四电力电子器件S4构成。3.根据权利要求1所述的两级串联结构的超级电容与蓄电池混合储能系统，其特征在于：所述的第一电感L1和第二电感L2均为平波电感。4.根据权利要求1所述的两级串联结构的超级电容与蓄电池混合储能系统，其特征在于：所述的第一开关K1、第二开关K2、第四开关K4分别为断路器、接触器、负载开关或熔断器中的一种或几种的组合。5.根据权利要求1所述的两级串联结构的超级电容与蓄电池混合储能系统，其特征在于：所述的预充电电路包括与超级电容C串联的充电开关K3，以及与充电开关K3并联的充电电阻R。6.根据权利要求5所述的两级串联结构的超级电容与蓄电池混合储能系统，其特征在于：所述的充电开关K3为断路器、接触器、负...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘健，管增伦，张忠温，刘如成，颜冰，娄珍申，王阳，刘小虎，秦实宏，文小玲，李自成，
申请(专利权)人：武汉工程大学，中国中煤能源集团有限公司，武汉微氢新能源有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42