[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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；