[发明专利]一种级联多电平超级电容器储能系统及放电模式控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及储能技术领域，尤其涉及的是一种级联多电平超级电容器储能系统及放电模式控制方法。

背景技术

超级电容器是一种新型高能量密度的储能器件，它兼有常规电容器功率密度大、充电电池比能量高的优点，可快速充放电而且寿命长，在电动汽车、应急电源和电力自动化设备领域有着良好的应用前景。

超级电容器单体的电压较低，一般不超过2.7V，为了满足电压等级的需要，通常将多个单体超级电容器通过串联的方式组成超级电容器储能单元，再与功率变换电路并联构成储能系统，以获得稳定的输出电压。通过将超级电容器储能单元与半桥变换器并联，再由多个半桥变换器串联构成级联多电平储能系统可以获得较高的输出电压，并且通过对半桥变换器的控制可以使储能系统工作在DC／DC变换工作模式或逆变工作模式。在逆变工作模式中，级联多电平的结构可以有效降低储能系统输出正弦电压电流波形的谐波畸变率THD。

由于超级电容器储能单元参数和半桥变换器效率的不一致性，在储能系统充放电过程中会不同储能单元之间能量不平衡的现象，主要表现为端电压的不均衡。使用均压电路可以提高储能装置的利用率，提高储能单元的寿命。现有的均压电路大体可分为两大类：一类是能量消耗型电压均衡方法，把电压达到设定值的储能单体超级电容器的能量消耗在并联的电阻或稳压管上，以避免该单体的电压继续升高。主要有电阻均压、开关电阻均压和稳压管均压法等，能量消耗型均压电路的效率较低，且只能用于在充电过程中进行均压。另一类是能量转移型电压均衡方法，利用电感、电容、变压器等作为能量的缓冲，把某些单体上多余的能量转移到其他单体上，能量转移型均压方法效率较高，但是通常需要额外的功率变换电路进行能量转移。上述两种均压方法都是针对直接串联的超级电容器组，而基于级联多电平变换器的超级电容器储能系统，由于超级电容器储能单元之间的通过半桥或H桥变换器串联，因此无法使用传统的均压方法进行能量均衡。有文献提出通过在储能系统工作在并网逆变模式中，通过控制半桥变换器的驱动波形，使端电压低的超级电容器储能单元多充电、少放电；端电压高的超级电容器储能单元少充电、多放电从而使得不同单元之间能量趋于均衡。但是这种方法需要多个充放电周期才能达到能量的均衡，并且对于DC／DC变换工作模式和孤岛逆变模式效果不佳。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种级联多电平超级电容器储能系统及放电模式控制方法，能够通过辅助功率环路完成不同超级电容器储能单元之间功率均衡。

技术方案：一种级联多电平超级电容器储能系统，所述系统包括至少两个半桥变换器、与所述半桥变换器数量一致的超级电容器储能单元、电感、LC串联电路、滤波电容、电压检测单元以及控制器；所述每个半桥变换器的输入端都与一个超级电容器储能单元并联，所述每个半桥变换器输的输出端正端子通过所述电感连接到公共直流母线的正极，最后一个半桥变换器的输出端负端子连接到公共直流母线的负极；在所述第一个半桥变换器的输出端正端子与最后一个半桥变换器输出端负端子之间并联所述LC串联电路；在公共直流母线正负极之间并联所述滤波电容；公共直流母线正极以及所述每个超级电容器储能单元的正负极均连接到所述电压检测单元；所述电压检测单元将检测到的公共直流母线端电压以及每个超级电容器储能单元端电压信号传输至所述控制器，所述控制器输出PWM信号到所述每个半桥变换器。

作为本发明的优选方案，所述半桥变换器包括由两个串联的功率开关器件组成的桥臂；所述第一功率开关器件的集电极与半桥变换器输入端的正极以及超级电容器储能单元的正极相连，所述第一功率开关器件的发射极与第二功率开关器件的集电极相连，第二功率开关器件的发射极与半桥变换器输入端的负极以及超级电容器储能单元的负极相连；所述第一功率开关器件的基极以及第二功率开关器件的基极均连接至所述控制器。

作为本发明的优选方案，所述第一功率开关器件的和第二功率开关器件为电力场效应管、电力晶体管或绝缘栅双极晶体管的半导体开关管。

作为本发明的优选方案，所述每个超级电容器储能单元包含若干串联的单体超级电容器，所述单体超级电容器为双电层型超级电容器或赝电容型超级电容器。

作为本发明的优选方案，所述控制器包括数字信号微处理器，以及分别与所述数字信号微处理器连接的通讯接口、电源模块、模／数转换模块以及显示模块和PWM驱动模块；其中：

所述数字信号微处理器用于与所述控制器中其余模块进行信号传输，以及计算并输出控制所述各半桥变换器的PWM信号；

所述通讯接口用于完成数字信号微处理器与上位机之间的通讯；