[发明专利]一种三级对称型动态储能阵列器及其控制方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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δ＝(V_max-V_min)V_rate。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＝(V_rate-V_min)V_rate。

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。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明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。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明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。

进一步地，所述12个储能模块分别为模块1～12；所述12个双向开关分别为双向开关K41，K42，K43，K44，K45,35、K46,36、K31,23、K32、K33、K34,24、K21、K22；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1～3以及双向开关K41组成；

所述第二串联支路由串联的模块4-5、双向开关K42以及模块6组成；