本發(fā)明涉及電能的儲存與釋放領(lǐng)域，具體涉及一種兩級串聯(lián)結(jié)構(gòu)的超級電容與蓄電池混合儲能系統(tǒng)及能量吸收與釋放的方法。

背景技術(shù)：

儲能技術(shù)的研究和應(yīng)用一直受到各國能源、電力、交通、電訊等部門的高度重視。發(fā)展方向一方面是新型儲能元件的研發(fā)，如高性能蓄電池、超級電容、鈉硫電池，以及超導(dǎo)等。目前應(yīng)用最為成熟和廣泛的還是蓄電池，超級電容的技術(shù)已經(jīng)成熟，但是受限于價格，廣泛應(yīng)用還一定距離。另外一方面是儲能變換系統(tǒng)的研制。

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?fù)浣Y(jié)構(gòu)是蓄電池與超級電容簡單并聯(lián)，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，之后再并聯(lián)。如果系統(tǒng)為交流系統(tǒng)，還會增設(shè)DC/AC變換電路。主要目標(biāo)是發(fā)揮兩種儲能元件的優(yōu)勢，實現(xiàn)更好的調(diào)控效果。在高壓大功率場合，多數(shù)也是采用以上子模塊的并聯(lián)，或者級聯(lián)，也有通過變壓器升壓后與系統(tǒng)相連。但是目前儲能系統(tǒng)仍然需要解決很多問題，例如：

（1）在高壓大功率場合由于價格原因，多采用蓄電池作為儲能元件，只會在一些示范工程中采用新型的價格昂貴的儲能元件。采用蓄電池做儲能元件的裝置，一般用作在緊急狀態(tài)和電網(wǎng)故障情況下為系統(tǒng)提供后備支持，或者起到削峰填谷的作用減小負(fù)荷高峰期的供電需求和發(fā)電系統(tǒng)的資本投入，對于電源中出現(xiàn)的較大的功率波動和沖擊難以進(jìn)行快速調(diào)節(jié)。

（2）大量蓄電池的串聯(lián)導(dǎo)致對蓄電池參數(shù)一致性要求高，裝置成本居高不下。另外，由于受到蓄電池充放電次數(shù)限制，對于系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)的瞬時功率波動，尚不能進(jìn)行很好的控制。

（3）由于超級電容儲能量與電壓平方成正比，一些直接將超級電容并聯(lián)至直流母線的系統(tǒng)，很難將超級電容的儲能性能發(fā)揮。并且過于頻繁的直流母線電壓波動，對超級電容本身也會帶來負(fù)面影響。

（4）蓄電池與超級電容簡單并聯(lián)，或蓄電池與超級電容經(jīng)過DC/DC變換器之后再并聯(lián)，類似系統(tǒng)雖然加入了超級電容，但是當(dāng)系統(tǒng)功率、電壓頻繁出現(xiàn)大范圍波動時，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(fù)面影響依然存在，也難以實現(xiàn)能量的高效吸收與釋放。

（5）超級電容的內(nèi)阻小，儲能量遠(yuǎn)超普通電容，在上電過程中的沖擊電流數(shù)值和持續(xù)時間都將遠(yuǎn)超普通電容，因此，需要設(shè)置功率較大的預(yù)充電電路。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種兩級串聯(lián)結(jié)構(gòu)的超級電容與蓄電池混合儲能系統(tǒng)及能量吸收與釋放的方法，超級電容置于蓄電池之前，通過合理控制可以吸收和釋放頻繁出現(xiàn)的瞬時大功率，一方面提高系統(tǒng)調(diào)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(shù)，提高蓄電池使用壽命。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為：一種兩級串聯(lián)結(jié)構(gòu)的超級電容與蓄電池混合儲能系統(tǒng)，其特征在于：它包括：

與外部系統(tǒng)直流母線連接的第一開關(guān)K1和第一電感L1；

連接在第一開關(guān)K1和第一電感L1之后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后直流母線之間的超級電容C；

與超級電容C串聯(lián)的第四開關(guān)K4和預(yù)充電電路；

連接在超級電容C之后直流母線之間的后級雙向升降壓變換電路；

連接在后級雙向升降壓變換電路之后直流母線之間的蓄電池B，以及與蓄電池B相互串聯(lián)的第二開關(guān)K2和第二電感L2。

按上述系統(tǒng)，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(gòu)成；所述的后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(gòu)成。

按上述系統(tǒng)，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(tǒng)，所述的第一開關(guān)K1、第二開關(guān)K2、第四開關(guān)K4分別為斷路器、接觸器、負(fù)載開關(guān)或熔斷器中的一種或幾種的組合。

按上述系統(tǒng)，所述的預(yù)充電電路包括與超級電容C串聯(lián)的充電開關(guān)K3，以及與充電開關(guān)K3并聯(lián)的充電電阻R。

按上述系統(tǒng)，所述的充電開關(guān)K3為斷路器、接觸器、負(fù)載開關(guān)或熔斷器中的一種或幾種的組合。

利用上述兩級串聯(lián)結(jié)構(gòu)的超級電容與蓄電池混合儲能系統(tǒng)實現(xiàn)的能量吸收與釋放的方法，其特征在于：它包括以下步驟：

當(dāng)本系統(tǒng)處于能量吸收狀態(tài)時：1）當(dāng)外部系統(tǒng)直流母線產(chǎn)生能量回饋時，若有瞬間浪涌電流的沖擊，直接通過第二電力電子器件S2對超級電容C進(jìn)行充電；2）當(dāng)浪涌結(jié)束后或者充電過程不存在浪涌電流的沖擊，對第二電力電子器件S₂進(jìn)行PWM控制，使得前級雙向升降壓變換電路工作在升壓狀態(tài)，對能量進(jìn)行吸收；后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(gòu)成降壓電路，向蓄電池充電； 3）在充電控制結(jié)束時，若超級電容C的電壓高于額定值，后級雙向升降壓變換電路持續(xù)通過PWM控制第三電力電子器件S₃構(gòu)成降壓電路，直到超級電容C的電壓恢復(fù)到額定值，為接受下一次能量吸收做好準(zhǔn)備；

當(dāng)本系統(tǒng)處于能量釋放狀態(tài)時：1）當(dāng)直流母線出現(xiàn)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(tǒng)直流母線的瞬間大電流能量輸送；2）當(dāng)補(bǔ)償大電流缺口結(jié)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(jìn)行PWM控制，使得前級雙向升降壓變換電路工作在降壓狀態(tài)，輸出放電電流；后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(gòu)成升壓電路，維持超級電容C的電壓；3）在放電控制結(jié)束時，若超級電容C的電壓低于額定值，后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(gòu)成升壓電路，直到超級電容C的電壓恢復(fù)到額定值，為接受下一次能量回饋做好準(zhǔn)備。

本發(fā)明的有益效果為：

（1）超級電容置于蓄電池之前，通過合理控制可以吸收和釋放頻繁出現(xiàn)的瞬時大功率，一方面提高系統(tǒng)調(diào)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(shù)，提高蓄電池使用壽命。

（2）前級為升降壓結(jié)構(gòu)，可以使儲能系統(tǒng)在更寬的電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)能量的高效儲存與釋放。

（3）蓄電池作為儲能型元件，設(shè)置在超級電容后端，用來實現(xiàn)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(lián)數(shù)量。預(yù)充電能量，也可由蓄電池組提供。

（4）超級電容設(shè)置了預(yù)充電電路，避免上電瞬間電流沖擊損壞器件，在故障時刻限流電阻也可以有效限制故障電流。

（5）前后串聯(lián)的結(jié)構(gòu)具有集成度高、結(jié)構(gòu)緊湊、控制相對簡單的特點，相比并聯(lián)而言更能夠發(fā)揮兩種儲能元件的特點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明一實施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為瞬間大功率吸收能量時的工作狀態(tài)示意圖。

圖4為正常狀態(tài)下吸收能量時的工作狀態(tài)示意圖。

圖5為瞬間大功率釋放能量時的工作狀態(tài)示意圖。

圖6為正常狀態(tài)下釋放能量時的工作狀態(tài)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實例和附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

本發(fā)明提供一種兩級串聯(lián)結(jié)構(gòu)的超級電容與蓄電池混合儲能系統(tǒng)，如圖1所示，它包括：與外部系統(tǒng)直流母線連接的第一開關(guān)K1和第一電感L1；連接在第一開關(guān)K1和第一電感L1之后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后直流母線之間的超級電容C；與超級電容C串聯(lián)的第四開關(guān)K4和預(yù)充電電路；連接在超級電容C之后直流母線之間的后級雙向升降壓變換電路；連接在后級雙向升降壓變換電路之后直流母線之間的蓄電池B，以及與蓄電池B相互串聯(lián)的第二開關(guān)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(gòu)成；所述的后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(gòu)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(guān)K1、第二開關(guān)K2、第四開關(guān)K4分別為斷路器、接觸器、負(fù)載開關(guān)或熔斷器中的一種或幾種的組合。

所述的預(yù)充電電路包括與超級電容C串聯(lián)的充電開關(guān)K3，以及與充電開關(guān)K3并聯(lián)的充電電阻R。

所述的充電開關(guān)K3為斷路器、接觸器、負(fù)載開關(guān)或熔斷器中的一種或幾種的組合。

利用上述兩級串聯(lián)結(jié)構(gòu)的超級電容與蓄電池混合儲能系統(tǒng)實現(xiàn)的能量吸收與釋放的方法，包括以下步驟：

當(dāng)本系統(tǒng)處于能量吸收狀態(tài)時：1）當(dāng)外部系統(tǒng)直流母線產(chǎn)生能量回饋時，若有瞬間浪涌電流的沖擊，直接通過第二電力電子器件S2對超級電容C進(jìn)行充電；2）當(dāng)浪涌結(jié)束后或者充電過程不存在浪涌電流的沖擊，對第二電力電子器件S₂進(jìn)行PWM控制，使得前級雙向升降壓變換電路工作在升壓狀態(tài)，對能量進(jìn)行吸收；后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(gòu)成降壓電路，向蓄電池充電； 3）在充電控制結(jié)束時，若超級電容C的電壓高于額定值，后級雙向升降壓變換電路持續(xù)通過PWM控制第三電力電子器件S₃構(gòu)成降壓電路，直到超級電容C的電壓恢復(fù)到額定值，為接受下一次能量吸收做好準(zhǔn)備；

當(dāng)本系統(tǒng)處于能量釋放狀態(tài)時：1）當(dāng)直流母線出現(xiàn)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(tǒng)直流母線的瞬間大電流能量輸送；2）當(dāng)補(bǔ)償大電流缺口結(jié)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(jìn)行PWM控制，使得前級雙向升降壓變換電路工作在降壓狀態(tài)，輸出放電電流；后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(gòu)成升壓電路，維持超級電容C的電壓；3）在放電控制結(jié)束時，若超級電容C的電壓低于額定值，后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(gòu)成升壓電路，直到超級電容C的電壓恢復(fù)到額定值，為接受下一次能量回饋做好準(zhǔn)備。

為使本發(fā)明的技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面針對外部直流母線電壓等級為1500V的電驅(qū)礦用卡車系統(tǒng)為例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。選取1500V為例，主要是考慮地鐵、電驅(qū)礦用卡車等系統(tǒng)，內(nèi)部直流母線電壓為1500V，并且類似設(shè)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(shù)場合是讓其在電阻柵上以發(fā)熱的形式消耗掉。采用本發(fā)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(tǒng)正常運行過程中釋放，由此達(dá)到降低系統(tǒng)能耗，提高節(jié)能效率的作用。

應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖2所示，儲能系統(tǒng)的N+，N-直接與外部1500V直流母線的正極與負(fù)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(lián)，第一電感L1的參數(shù)根據(jù)超級電容C充放電電流不斷續(xù)的原則進(jìn)行設(shè)計，第一快熔K1-1與第一接觸器K1-2電壓等級和電流參數(shù)按照系統(tǒng)最高電壓和容量，并考慮一定裕度后確定。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采用美國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(lián)數(shù)量和電壓等級，選擇48V/165F超級電容模塊進(jìn)行串聯(lián)，1串的數(shù)量為35-40塊，即圖2中C_N的N值為35-40。該數(shù)量可根據(jù)系統(tǒng)瞬時功率的大小進(jìn)行核算，由于超級電容成本高，因此不建議采用2串的結(jié)構(gòu)擴(kuò)大容量。充電開關(guān)K3為第三接觸器，第四開關(guān)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(shù)按照直流母線最高電壓，并考慮一定裕度后確定。充電電阻R與第三接觸器并聯(lián)，由于超級電容C儲能量相比普通電容大，因此預(yù)充電功率大，且充電時間較長，因此預(yù)充電的功能最好是由裝置內(nèi)部的蓄電池完成，避免對外部系統(tǒng)造成影響。預(yù)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(yù)充電電流為32.5A。

后級雙向升降壓變換電路采用廉價的鉛酸蓄電池作為能量型儲能元件，并且為減少蓄電池B串聯(lián)數(shù)量，其額定電壓等級設(shè)定為650V，額定電壓12V的鉛酸蓄電池，需要54塊進(jìn)行串聯(lián)，即圖2中B_1N的N值為54，如果需要擴(kuò)大系統(tǒng)儲能時間，則可以利用多組蓄電池組進(jìn)行并聯(lián)。

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(gòu)成的后級升降壓變換電路。第二電感的參數(shù)要求根據(jù)蓄電池B充放電電流不斷續(xù)的原則進(jìn)行設(shè)計，第二快熔K2-1與第二接觸器K2-2電壓等級和電流參數(shù)按照系統(tǒng)最高電壓和容量，并考慮一定裕度后確定。

下面結(jié)合結(jié)構(gòu)示意圖及假設(shè)工作環(huán)境對此系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步說明。必須強(qiáng)調(diào)的是此工作環(huán)境僅為詳細(xì)的說明此系統(tǒng)。假設(shè)超級電容可承受沖擊電流為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(tǒng)在瞬間大功率吸收能量時的工作狀態(tài)示意圖。當(dāng)?shù)V車制動時，外部直流母線首先將出現(xiàn)突然的電壓升高，并產(chǎn)生很大的制動電流。如果制動電流大于150A，若直接向蓄電池充電，對蓄電池的沖擊將會很大，影響蓄電池壽命。因此設(shè)定此時系統(tǒng)進(jìn)入如圖3（a）所示的狀態(tài)。制動能量通過S₁的反并聯(lián)二極管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沖擊。當(dāng)制動初始時間段結(jié)束后，制動的電壓和電流將會逐漸降低，在制動電流小于150A之后，系統(tǒng)將工作在圖3（b）所示的狀態(tài)，通過PI控制算法控制開關(guān)器件S₂工作在脈寬調(diào)制狀態(tài)，將制動過程后期的能量加以高效吸收。進(jìn)而整個系統(tǒng)進(jìn)入到如圖4所示的工作狀態(tài)。如果初始制動電流小于150A，則系統(tǒng)直接進(jìn)入如圖4所示工作狀態(tài)。

如圖4所示為系統(tǒng)在正常狀態(tài)下吸收能量時的工作狀態(tài)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(tài)，維持超級電容C兩端電壓穩(wěn)定，后級電路工作在降壓狀態(tài)，對蓄電池B進(jìn)行充電。若超級電容C兩端電壓超過1500V，則持續(xù)對第三電力電子器件S₃進(jìn)行控制，保持后級電路的降壓狀態(tài)，直至超級電容C電壓維持在1500V，為下次充電過程做準(zhǔn)備。

如圖5所示為瞬間大功率釋放能量時的工作狀態(tài)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(tài)，將能量回饋至外部直流母線系統(tǒng)。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(xiàn)此電流的釋放。大電流缺口補(bǔ)償之后，如果需要持續(xù)穩(wěn)定的釋放能量，系統(tǒng)則進(jìn)入如圖6所示的工作狀態(tài)。

如圖6所示為正常狀態(tài)下釋放能量時的工作狀態(tài)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(tài)，將能量回饋至外部直流母線系統(tǒng)。后級電路通過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(tài)，將蓄電池B的能量經(jīng)過第三電力電子器件S₃的反并聯(lián)二極管輸送至D+、D-，并且維持超級電容C兩端的電壓穩(wěn)定在1500V。

以上實施例僅用于說明本發(fā)明的設(shè)計思想和特點，其目的在于使本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于上述實施例。所以，凡依據(jù)本發(fā)明所揭示的原理、設(shè)計思路所作的等同變化或修飾，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。