一种三级对称型动态储能阵列器及其控制方法技术

本发明专利技术涉及直流动态储能阵列器及其控制方法，具体涉及一种三级对称型动态储能阵列器及其控制方法。该阵列器由12个相同的直流电压源型储能模块和12个低速双向开关及其并联的续流二极管构成。它具有4支路并联运行模式、3支路并联运行模式和2支路并联运行模式等三种稳态运行模式和模式切换过程中产生的两种瞬态运行模式，每种运行模式下每条并联支路含有相同的储能模块数和开关个数，各储能模块状态基本保持一致。本发明专利技术的储能阵列拓扑结构简单，所用开关数量少，容量利用率和电压波动率综合性能较好；当电压波动率维持在33.3%以内时，容量利用率仍能高达88.9%。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及直流动态储能阵列器及其控制方法，具体涉及一种三级对称型动态储 能阵列器及其控制方法。
技术介绍
随着风力和光伏发电等间歇式可再生能源的大量并网发电，储能系统由于其平抑 发电功率波动的作用，重要性日益增加。常用的储能方式有蓄电池储能、飞轮储能、超导储 能、超级电容储能等。铅酸电池、锂离子电池等蓄电池在正常工况下，其储存能量的增减引 起的端电压变化不大。电容、超级电容类的储能元件则与之不同，其储存的能量与端电压密 切相关。图1绘出了典型超级电容储存能量的百分比与其端电压的关系，可见该类电容在 充放电过程中将带来电压的剧烈波动。但是，为了保证储能系统的稳定运行，储能阵列的 电压变化范围往往是受限的，例如超级电容的最低工作电压被限制在其额定电压的50%以 上，那么超级电容储存容量的56.9%将无法用于储能系统的功率调节，这造成了容量的巨 大浪费，增加了储能系统的成本。为了提高储能装置的容量利用率，一种方法是扩大储能系统对其电压变化范围的 限制。例如，如将最低电压限制扩大到不低于额定电压的1/6，储能装置的容量利用率将提 高到90%以上。但是，这种方法将使得对电力变换器通流能力的要求显著提高。如果储能 阵列输出端接有DC/DC变换器，则还会造成DC/DC变换器变压比过大，影响其使用效率。可 见，用放宽对储能装置电压变化范围限制的方法来提高储能装置的容量利用率，存在一定 局限性。为解决这一问题，人们提出了动态储能阵列的概念。动态储能阵列的切换级数指 阵列具有的不同运行模式的数量；储能阵列的容量利用率指阵列在正常运行过程中可用于 能量交换的总能量与阵列存储的最大容量之比。设额定输出电压为Vrate的动态储能阵 列，正常运行过程中端电压可能出现的最大值为Vmax，最小值为Vmin，则阵列的电压波动 率定义为S = (vmax-vmin)vMte。一般地，阵列端电压的最大值取为其额定值，因而其电压波 动率变为 δ = (Vrate-Vmin)Vrate0期刊《Renewable Energy))2011年10月第36卷第10期第2599页至第2604页的 文章“Analysis of generalized parallel-series ultracapacitor shift circuits for energy storage systems”中提到的N级不对称动态储能阵列含有2N个储能模块和2N+1 个双向开关，通过控制双向开关，可使该电路在N种不同运行模式下进行切换。该动态储能 阵列具有运行模式多的优点，但是大部分运行模式是非对称模式，各模块的参数必须按照 一定的比例关系选取，方能使阵列中各储能模块的荷电状态保持一致。在N取值较大时各 模块参数的差异将过大，从而严重影响该电路的应用价值。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种三级对称型动态储能阵列器，另一目的是提供一种三级对称型动态储能阵列器的控制方法，该储能阵列为三级4-3-2对称型储能阵列。储能阵列中含有12个相同的储能模块，通过动态改变阵列内各储能模块的串并联关系，在扩大储能模块电压变化范围的同时保证阵列电压仍在要求的电压范围之内， 从而在满足电压波动率要求的前提下达到提高储能装置容量利用率的目的。本专利技术的目的是采用下述技术方案实现的:本专利技术提供一种三级对称型动态储能阵列器，该储能阵列器包括储能模块，其改进之处在于，所述储能模块为结构相同的12个储能模块，所述储能阵列器为对称结构，包括由12个储能模块和12个双向开关构成的4条支路；每条支路由串联的3个储能模块和 I个双向开关构成，两两支路之间通过双向开关连接；所述12个双向开关均并联有续流二极管；双向开关闭合时电流双向流动，且双向的电流关断均可控；所述储能阵列器包括4支路并联运行模式、3支路并联运行模式和2支路并联运行模式三种稳态运行模式和模式切换过程中产生的两种瞬态运行模式。进一步地，所述12个储能模块分别为模块I~12 ;所述12个双向开关分别为双向开关 K41，K42, K43, K44, K45, 35、Κ46, 36、Κ31, 23、Κ32、Κ33、Κ34, 24、Κ21、Κ22 ;所述 4 条支路分别为第一串联支路、第二串联支路、第三串联支路和第四串联支路； 所述第一串联支路由串联的模块I~3以及双向开关Κ41组成；所述第二串联支路由串联的模块4-5、双向开关Κ42以及模块6组成；所述第三串联支路由串联的模块7、双向开关Κ43以及模块8-9组成；所述第四串联支路由串联的双向开关Κ44以及模块10-12组成。进一步地，所述第一串联支路与第二串联支路之间通过双向开关Κ31，23连接，该双向开关Κ31，23连接在第一串联支路双向开关Κ41的输入端与第二串联支路双向开关Κ42 的输出端之间；所述第二串联支路与第三串联支路之间通过双向开关Κ32和Κ33连接，双向开关 Κ32和Κ33串联组成双向开关串联支路，所述双向开关串联支路连接在第二串联支路双向开关Κ42的输入端与第三串联支路双向开关Κ43输出端之间；所述第三串联支路与第四串联支路之间通过双向开关Κ34，24连接，该双向开关 Κ34, 24连接在第三串联支路双向开关Κ43的输入端与第四串联支路双向开关Κ44的输出端之间；双向开关Κ45，35和Κ22串联后连接在第二串联支路模块4的输入端与模块5的输出端两侧；双向开关Κ21和Κ46，36串联后连接在第二串联支路模块8的输入端与模块9的输出端两侧。进一步地，所述储能模块为直流电压源型储能模块，包括但不限于超级电容。进一步地，所述储能阵列器的额定电压为Vrate, 4条支路并联运行向3条支路并联运行模式切换的切换电压为—3，3条支路并联运行向4条支路并联运行模式切换的切换电压为V3 — 4，3条支路并联运行向2条支路并联运行模式切换的切换电压为V3 — 2，2条支路并联运行向3条支路并联运行模式切换的切换电压为V2 — 3 ;满足V4 — 3 > (1/4) Vrate > V3^4 >V3 —2> (l/6)Vrate> V2 —3。进一步地，所述储能阵列器的4支路并联运行模式、3支路并联运行模式和2支路 并联运行模式三种稳态运行模式分别如下:A、当储能模块电压在(1/4) Vrate?(1/3) Vrate范围内时,储能阵列运行在4条 支路并联模式下，每条支路含有3个串联的储能模块；4条支路分别为，模块I?3串联支 路，模块4?6串联支路，模块7?9串联支路和模块10?12串联支路；B、当储能模块电压在(1/6)Vrate?(1/4)Vrate范围内时,储能阵列运行在3条 支路并联模式下，每条支路含有4个串联的储能模块；3条支路分别为:模块I?3和模块 6串联支路，模块4?5和模块8?9串联支路，以及模块7和模块10?12串联支路。C、当储能模块电压低于(1/6)Vrate时，储能阵列运行在2条支路并联模式下，每 条支路含有6个串联的储能模块；2条支路分别为，模块I?3、模块6和模块8?9串联支 路，以及模块4?5、模块7和模块10?12串联支路。本专利技术基于另一目的提供的一种三级对称型动态储能阵列器的控制方法，其改进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三级对称型动态储能阵列器，该储能阵列器包括储能模块，其特征在于，所述储能模块为结构相同的12个储能模块，所述储能阵列器为对称结构，包括由12个储能模块和12个双向开关构成的4条支路；每条支路由串联的3个储能模块和1个双向开关构成，两两支路之间通过双向开关连接；所述12个双向开关均并联有续流二极管；双向开关闭合时电流双向流动，且双向的电流关断均可控；所述储能阵列器包括4支路并联运行模式、3支路并联运行模式和2支路并联运行模式三种稳态运行模式和模式切换过程中产生的两种瞬态运行模式。

【技术特征摘要】
1.一种三级对称型动态储能阵列器，该储能阵列器包括储能模块，其特征在于，所述储能模块为结构相同的12个储能模块，所述储能阵列器为对称结构，包括由12个储能模块和 12个双向开关构成的4条支路；每条支路由串联的3个储能I吴块和I个双向开关构成，两两支路之间通过双向开关连接；所述12个双向开关均并联有续流二极管；双向开关闭合时电流双向流动，且双向的电流关断均可控；所述储能阵列器包括4支路并联运行模式、3支路并联运行模式和2支路并联运行模式三种稳态运行模式和模式切换过程中产生的两种瞬态运行模式。2.如权利要求1所述的储能阵列器，其特征在于，所述12个储能模块分别为模块I~ 12 ;所述 12 个双向开关分别为双向开关 K41，K42，K43，K44，K45, 35、Κ46，36、Κ31，23、Κ32、 Κ33、Κ34，24、Κ21、Κ22 ;所述4条支路分别为第一串联支路、第二串联支路、第三串联支路和第四串联支路；所述第一串联支路由串联的模块I~3以及双向开关Κ41组成；所述第二串联支路由串联的模块4-5、双向开关Κ42以及模块6组成；所述第三串联支路由串联的模块7、双向开关Κ43以及模块8-9组成；所述第四串联支路由串联的双向开关Κ44以及模块10-12组成。3.如权利要求2所述的储能阵列器，其特征在于，所述第一串联支路与第二串联支路之间通过双向开关Κ31，23连接，该双向开关Κ31，23连接在第一串联支路双向开关Κ41的输入端与第二串联支路双向开关Κ42的输出端之间；所述第二串联支路与第三串联支路之间通过双向开关Κ32和Κ33连接，双向开关Κ32 和Κ33串联组成双向开关串联支路，所述双向开关串联支路连接在第二串联支路双向开关 Κ42的输入端与第三串联支路双向开关Κ43输出端之间；所述第三串联支路与第四串联支路之间通过双向开关Κ34，24连接，该双向开关 Κ34, 24连接在第三串联支路双向开关Κ43的输入端与第四串联支路双向开关Κ44的输出端之间；双向开关Κ45，35和Κ22串联后连接在第二串联支路模块4的输入端与模块5的输出端两侧；双向开关Κ21和Κ46，36串联后连接在第二串联支路模块8的输入端与模块9的输出端两侧。4.如权利要求1所述的储能阵列器，其特征在于，所述储能模块为直流电压源型储能模块，包括但不限于超级电容。5.如权利要求1所述的储能阵列器，其特征在于，所述储能阵列器的额定电压为VMte， 4条支路并联运行向3条支路并联运行模式切换的切换电压为V4 —3，3条支路并联运行向 4条支路并联运行模式切换的切换电压为V3 —4，3条支路并联运行向2条支路并联运行模式切换的切换电压为V3 —2，2条支路并联运行向3条支路并联运行模式切换的切换电压为 V2 —3;满足 V4 —3> (l/4)Vrate> V3^4 > V3^2 > (l/6)Vrate> V2 —3。6.如权利要求1所述的储能阵列器，其特征在于，所述储能阵列器的4支路并联运行模式、3支路并联运行模式和2支路并联运行模式三种稳态运行模式分别如下:A、当储能模块电压在(1/4) Vrate~(1/3) Vrate范围内时,储能阵列运行在4条支路并联模式下，每条支路含有3个串联的储能模块；4条支路分别为，模块I~3串联支路，模块4~6串联支路，模块7~9串联支路和模块10~12串联支路；B、当储能模块电压在(1/6)Vrate~(1/4) Vrate范围内时,储能阵列运行在3条支路并联模式下，每条支路含有4个串联的储能模块；3条支路分别为:模块I~3和模块6串联支路，模块4~5和模块8~9串联支路，以及模块7和模块10~12串联支路。C、当储能模块电压低于(1/6)Vrate时，储能阵列运行在2条支路并联模式下，每条支路含有6个串联的储能模块；2条...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕志鹏，盛万兴，钟庆昌，肖曦，刘海涛，吴鸣，聂金峰，丁若星，田培根，王奎，
申请(专利权)人：国家电网公司，中国电力科学研究院，国网辽宁省电力有限公司，清华大学，
类型：发明
国别省市：