專利名稱：一種用于混合儲能系統協同出力的部分功率變換器的制作方法
技術領域：
本發明屬于功率變換技術領域，具體涉及一種用于混合儲能系統協同出力的部分功率變換器。
背景技術：
在可再生能源發電系統中，由于其出力隨機波動、間歇，與負荷難于實時匹配，因此需要相應的電能存儲機制配合來協同系統的正常運轉。然而，蓄電池、超級電容和超導線圈等不同的儲能介質在存儲效率、存儲容量、功率密度以及響應時間等方面又存在著明顯的差異性和互補性，單一儲能技術很可能難以滿足具體應用所提出的所有技術經濟性能要求，以較為常見的兩類儲能介質為例蓄電池響應速度慢、使用壽命短，作為單一儲能介質應用在快速響應以及功率吞吐比較頻繁的場合時效果比較差；超級電容能量存儲密度低、價格高，作為單一儲能介質不適宜應用在大容量、大功率充放電場合，因此采用單一儲能技術無法充分發揮儲能介質本身的優勢并且無法滿足儲能系統的技術經濟性要求，造成儲能介質的應用受到比較大的局限。對于響應速度快、能量密度低的I型儲能介質應用于快速響應以及功率吞吐比較頻繁的場合能夠更好的利用其優勢；然而對于響應速度慢、能量密度高的II型儲能介質，則適合應用于大功率充放電以及響應速度要求稍低的場合。兩種儲能介質的特性差別較大，如何充分利用兩者的優勢對于儲能系統來說非常重要。
采用混合儲能技術可以最大程度發揮不同儲能介質的優勢，提高混合儲能系統的效率和穩定性。可見，混合儲能技術在儲能系統中發揮了重要的作用。常規的混合儲能功率變換器主要有無源級聯、有源級聯和有源并聯等三種結構，無源級聯結構由于直流工作電壓變化范圍比較窄，對于超級電容等響應速度快、能量密度低的I型儲能介質其容量利用率低；在有源級聯結構中，以雙儲能介質結構為例，如圖I所示，雙儲能介質分別為I型儲能介質和II型儲能介質，當I型儲能介質通過變換器接入，則對變換器瞬態響應性能、峰值功率能力要求很高，且不利于工況敏感的II型儲能介質長期正常工作，從而影響儲能系統的穩定性；而如果將I型儲能介質和II型儲能介質位置互換，當大容量的II型儲能介質通過變換器接入必然會引起較大的能量損失，降低儲能系統效率。在有源并聯結構中，以雙儲能介質結構為例，如圖2所示，由于所采用的變換器均為全功率變換，整個儲能系統的變換器成本較高，可靠性問題以及能量損耗問題更加嚴重，同時I型儲能介質對應的變換器瞬態響應性能和峰值功率能力要求很高，不易達到。
發明內容
針對現有技術所存在的上述技術缺陷，本發明提供了一種高效率、結構簡單且可靠性高的用于混合儲能系統協同出力的部分功率變換器，該變換器應用于混合儲能系統中，可以獲取快速的系統響應和較高的儲能效率。
一種用于混合儲能系統協同出力的部分功率變換器，包括穩流電路單元和與之相連的穩壓電路單元；所述的混合儲能系統包括一 I型儲能介質和η個II型儲能介質，η為大于O的自然數；所述的穩流電路單元用于通過控制各II型儲能介質的電流大小，來調節部分功率變換器的輸出功率Po在各儲能介質上的功率分配；所述的穩壓電路單元用于構造部分功率變換器的輸出直流母線電壓Vtl，且在I型儲能介質正常工作情況下對輸出直流母線電壓Vtl進行穩壓控制。所述的穩流電路單元由η個穩流模塊組成；其中，所述的穩流模塊的輸入端與對應的II型儲能介質的正極相連，各穩流模塊的正輸出端共連且為穩流電路單元的正輸出端，各穩流模塊的負輸出端共連且為穩流電路單元的負輸出端。
所述的穩流模塊由電感L2和兩個開關管S3 S4組成；其中，電感L2的一端為穩流模塊的輸入端，開關管S3的輸入端為穩流模塊的正輸出端，開關管S4的輸出端為穩流模塊的負輸出端，電感L2的另一端與開關管S3的輸出端和開關管S4的輸入端相連；開關管S3和開關管S4的控制端均接收外部設備提供的驅動信號。所述的穩壓電路單元由電感L1、穩壓電容Cs、輸出電容Ctl和兩個開關管S1 S2組成；其中，穩壓電容Cs的一端與開關管S1的輸入端、輸出電容Ctl的一端和穩流電路單兀的正輸出端相連，穩壓電容Cs的另一端與電感L1的一端、穩流電路單兀的負輸出端和I型儲能介質的正極相連，電感L1的另一端與開關管S1的輸出端和開關管S2的輸入端相連,開關管S2的輸出端與輸出電容Ctl的另一端以及各儲能介質的負極相連；開關管S1和開關管S2的控制端均接收外部設備提供的驅動信號。所述的開關管S1接收的驅動信號與開關管S2接收的驅動信號相位互補。所述的開關管S3接收的驅動信號與開關管S4接收的驅動信號相位互補。由于部分功率變換器的輸出直流母線電壓Vtl和輸出功率Ptl是根據實際系統指令確定的，本發明充分考慮了 I型儲能介質能量密度低，響應時間快，工作電壓范圍寬的特點，將其與穩壓電容串聯來構建穩定的輸出直流母線電壓Vtl;本發明通過調節穩壓電路單元中開關管驅動信號的占空比，使得I型儲能介質在正常工作范圍內都能夠保證輸出直流母線電壓Vtl恒定，在保證儲能介質的高利用率的同時使得變換器輸出直流母線電壓Vtl無明顯波動。同時本發明考慮到II型儲能介質能量密度高，響應時間慢的特點，將其通過穩流模塊引入，并利用穩流模塊的級聯來擴大系統的儲能容量，通過控制II型儲能介質的輸出電流來調節輸出功率Po在儲能系統各儲能介質上的功率分配。本發明部分功率變換器工作時，功率是可以雙向流動的，既可以由I型儲能介質與II型儲能介質對外提供功率，也能夠由外部發電系統向I型儲能介質與II型儲能介質提供功率。如果I型儲能介質或者II型儲能介質的容量足夠大，也可以互相充放電，從而保證了整個儲能系統功率的有效合理分配。本發明的有益技術效果為(I)本發明充分考慮了 I型儲能介質，其能量密度低，響應時間快，工作電壓范圍寬的特點，將其與穩壓電容串聯，在保證儲能介質的高利用率的同時使得變換器輸出直流母線電壓無明顯波動，降低了儲能介質所需容量以及整個儲能系統成本，同時提高了儲能系統響應速度。(2)本發明中利用II型儲能介質能量密度高，響應時間慢的特點，將其通過穩流模塊引入，與I型儲能介質一起，共同構造穩定的直流母線電壓輸出以及合理的功率分配，實現了 I型儲能介質和II型儲能介質的優勢互補。(3)本發明中穩流電路單元的引入實現了部分功率變換，穩流模塊中開關管電壓峰值穩定在穩壓電容電壓，大大降低了其電壓應力，使高性能的開關管器件的應用成為可能，從而減小開關管的導通損耗和開關損耗，進一步減小了變換器的損耗，提高了工作效率。(4)本發明中穩流模塊的級聯可以擴大系統的儲能容量，滿足大容量儲能系統的應用。
(5)本發明穩流電路單元可以根據系統指令，通過控制II型儲能介質的輸出電流，對整個儲能系統的功率進行有效合理的分配。(6)本發明中穩壓電路單元和穩流電路單元的控制方式是相互獨立的，在輸出直流母線電壓穩定時，穩壓電路單元甚至可以開環運行，而不會對整個混合儲能系統的功率分配造成影響，提高了混合儲能系統的可靠性。(7)本發明中無需額外的功率開關和電感元件，附件元件少，結構簡單，電路中無能量損耗元件，可提高混合儲能變換器的效率。
圖I為傳統有源級聯式功率變換器的結構示意圖。圖2為傳統有源并聯式功率變換器的結構示意圖。圖3為本發明部分功率變換器的結構示意圖。圖4為本發明部分功率變換器第一換流階段過程的原理示意圖。圖5為本發明部分功率變換器第二換流階段過程的原理示意圖。圖6為本發明部分功率變換器第三換流階段過程的原理示意圖。圖7為本發明部分功率變換器第四換流階段過程的原理示意圖。圖8為本發明級聯式部分功率變換器的結構示意圖。
具體實施例方式為了更為具體地描述本發明，下面結合附圖及具體實施方式
對本發明的技術方案及其相關原理進行詳細說明。實施例I如圖3所示，一種用于混合儲能系統協同出力的部分功率變換器，包括穩流電路單元100和與之相連的穩壓電路單元200 ;本實施例中的混合儲能系統由一超級電容SC和一蓄電池B組成。穩流電路單元100用于通過控制蓄電池B的電流Ib大小，來調節部分功率變換器的輸出功率Po在混合儲能系統中各儲能介質上的功率分配；本實施方式中，其由電感L2和兩個IGBT管S3 S4組成；其中，電感L2的一端與蓄電池B的正極相連，IGBT管S3的集電極為穩流電路單元的正輸出端，IGBT管S4的發射極為穩流電路單元的負輸出端，電感L2的另一端與IGBT管S3的發射極和開關管S4的集電極相連；IGBT管S3和IGBT管S4的門極均接收外部設備提供的驅動信號，且兩者接收的驅動信號相位互補。穩壓電路單元200用于構造部分功率變換器的輸出直流母線電壓Vtl,且在超級電容SC正常工作情況下對輸出直流母線電壓Vtl進行穩壓控制；本實施方式中，其由電感U、穩壓電容Cs、輸出電容Ctl和兩個IGBT管S1 S2組成；其中，穩壓電容Cs的一端與IGBT管S1的集電極、輸出電容Ctl的一端和穩流電路單兀的正輸出端相連,穩壓電容Cs的另一端與電感L1的一端、穩流電路單元的負輸出端和超級電容SC的正極相連，電感L1的另一端與IGBT管S1的發射極和IGBT管S2的集電極相連，IGBT管S2的發射極與輸出電容Ctl的另一端、超級電容SC的負極和蓄電池B的負極相連；輸出電容Ctl的兩端接負載Rtl, IGBT管S1和IGBT管S2的門極均接收外部設備提供的驅動信號，且兩者接收的驅動信號相位互補。 本實施方式的部分功率變換器在一個開關周期內依次完成以下四個換流過程(I)開關管S1關斷與開關管S2開通之間的換流過程，如圖4所示換流前，電路處于S1導通、S2關斷、S3導通、S4關斷的穩定工作狀態。當S1關斷、S2導通時，S1上電壓迅速上升，S2上電壓迅速下降至零，由于輸出電容Ctl的作用，S1兩端電壓被箝位在設定的輸出直流母線電壓值，實現了 S1的軟箝位關斷。一部分能量開始從超級電容SC向電感L1轉移，另一部分能量從蓄電池B和電感L2向負載Rtl和穩壓電容Cs轉移。(2)開關管S3關斷與開關管S4開通之間的換流過程，如圖5所示當S3關斷、S4導通時，S3上電壓迅速上升，S4上電壓迅速下降至零，由于穩壓電容Cs的作用，s3兩端電壓被箝位在一定電壓值，實現了 S3的軟箝位關斷。并且，此電壓值要遠小于輸出直流母線電壓值，從而減小了 S3的電壓應力。一部分能量從超級電容SC向電感L1和負載Rtl轉移，一部分能量從蓄電池B向電感L1、電感L2以及負載Rtl轉移，另一部分能量從穩壓電容Cs向負載Rtl轉移。(3)開關管S2關斷與開關管S1開通之間的換流過程，如圖6所示當S2關斷、S1導通時，S2上電壓迅速上升，S1上電壓迅速下降至零，由于輸出電容Ctl的作用，S2兩端電壓被箝位在設定的輸出直流母線電壓值，實現了 S2的軟箝位關斷。一部分能量從超級電容SC和電感L1向負載Rtl轉移，一部分能量從蓄電池B向電感L2和負載Rci轉移，另一部分能量從穩壓電容Cs向負載Rtl轉移。(4)開關管S4關斷與開關管S3開通之間的換流過程，如圖7所示當S4關斷、S3導通時，S4上電壓迅速上升，S3上電壓迅速下降至零，由于穩壓電容Cs的作用，s4兩端電壓被箝位在一定電壓值，實現了 S4的軟箝位關斷。并且，此電壓值要遠小于輸出直流母線電壓值，從而減小了 S4的電壓應力。一部分能量從超級電容SC和電感L1向負載Rtl轉移，另一部分能量從蓄電池B和電感L2向負載Rtl和穩壓電容Cs轉移。本實施方式中由于穩壓電容Cs與超級電容SC串聯，因此當超級電容SC正常工作時，通過控制開關管S2驅動信號的占空比(見下式)，可以保證輸出直流母線電壓Vtl無明顯波動； V0 = vc+vsc V0 = —1 \( ■
ι-a其中V。為穩壓電容Cs的電壓，Vs。為超級電容SC的電壓，d為開關管S2驅動信號的占空比，V0為輸出直流母線電壓。超級電容SC響應速度快的特性能夠確保儲能系統能夠快速的響應系統指令；同時由于穩壓電容的作用將開關管S3和開關管S4關斷電壓箝位在一個較低的電壓值,大大降低了其電壓應力，使高性能的開關管器件的應用成為可能，從而減小開關管的導通損耗和開關損耗，進一步減小了變換器的損耗，提高了工作效率。本實施方式穩流電路單元中由于電感L2的存在，故可以根據系統指令獲取混合儲能系統中各儲能介質的出力，通過控制蓄電池B的輸出電流Ib(見下式)來達到控制其出力的目的；
權利要求
1.一種用于混合儲能系統協同出力的部分功率變換器，其特征在于包括穩流電路單元和與之相連的穩壓電路單元； 所述的穩流電路單元用于通過控制各II型儲能介質的電流大小，來調節部分功率變換器的輸出功率Po在各儲能介質上的功率分配； 所述的穩壓電路單元用于構造部分功率變換器的輸出直流母線電壓Vtl，且在I型儲能介質正常工作情況下對輸出直流母線電壓Vtl進行穩壓控制。
2.根據權利要求I所述的用于混合儲能系統協同出力的部分功率變換器，其特征在于所述的穩流電路單元由η個穩流模塊組成；其中，所述的穩流模塊的輸入端與對應的II型儲能介質的正極相連，各穩流模塊的正輸出端共連且為穩流電路單元的正輸出端，各穩流模塊的負輸出端共連且為穩流電路單元的負輸出端為混合儲能系統中II型儲能介質的個數。
3.根據權利要求2所述的用于混合儲能系統協同出力的部分功率變換器，其特征在于所述的穩流模塊由電感L2和兩個開關管S3 S4組成；其中，電感L2的一端為穩流模塊的輸入端，開關管S3的輸入端為穩流模塊的正輸出端，開關管S4的輸出端為穩流模塊的負輸出端，電感L2的另一端與開關管S3的輸出端和開關管S4的輸入端相連；開關管S3和開關管S4的控制端均接收外部設備提供的驅動信號。
4.根據權利要求I所述的用于混合儲能系統協同出力的部分功率變換器，其特征在于所述的穩壓電路單元由電感L1、穩壓電容Cs、輸出電容Ctl和兩個開關管S1 S2組成；其中，穩壓電容Cs的一端與開關管S1的輸入端、輸出電容Ctl的一端和穩流電路單兀的正輸出端相連，穩壓電容Cs的另一端與電感L1的一端、穩流電路單元的負輸出端和I型儲能介質的正極相連，電感L1的另一端與開關管S1的輸出端和開關管S2的輸入端相連,開關管S2的輸出端與輸出電容Ctl的另一端以及各儲能介質的負極相連；開關管S1和開關管S2的控制端均接收外部設備提供的驅動信號。
5.根據權利要求4所述的用于混合儲能系統協同出力的部分功率變換器，其特征在于所述的開關管S1接收的驅動信號與開關管S2接收的驅動信號相位互補。
6.根據權利要求3所述的用于混合儲能系統協同出力的部分功率變換器，其特征在于所述的開關管S3接收的驅動信號與開關管S4接收的驅動信號相位互補。
全文摘要
本發明公開了一種用于混合儲能系統協同出力的部分功率變換器，包括穩流電路單元和與之相連的穩壓電路單元；穩流電路單元用于通過控制各II型儲能介質的電流大小，來調節功率變換器的輸出功率在混合儲能系統中各儲能介質上的功率分配；穩壓電路單元用于構造穩定的輸出直流母線電壓。本發明利用I型儲能介質與穩壓電容串聯，提高了I型儲能介質的電壓利用率、儲能效率以及輸出直流母線電壓的穩定性，實現了I型儲能介質和II型儲能介質的優勢互補；利用穩流電路單元實現了部分功率變換，降低了開關管的電壓應力，減小了開關管的損耗，提高了整個變換器的效率，優化了混合儲能系統的功率分配，提高了混合儲能系統的可靠性。
文檔編號H02M3/07GK102832808SQ201210318460
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月31日 優先權日2012年8月31日
發明者鄧焰, 吳建德, 陶勇, 劉全偉, 彭浩 申請人:浙江大學