超级电容器和蓄电池混合储能的串联型动态电压恢复器

摘要

本发明涉及一种采用超级电容器和蓄电池混合储能系统的串联型动态电压恢复器，属于电力设备技术领域，该动态电压恢复器包括：用于对超级电容器与蓄电池混合储能系统进行充电的充电装置、用于存储上述直流电形式电能的由超级电容器和蓄电池组成的混合储能系统、用于输出补偿电压的逆变单元、用于将动态电压恢复器接入电力系统的升压滤波单元。本发明提出的动态压恢复器，用一个混合储能模块实现恢复器直流侧的储能要求，以取代传统的储能方式，满足了对电力系统中电压短时跌落的补偿要求，同时相比较于采用传统储能单元的动态电压恢复器具有更好的动态响应，更长的补偿时间，具有更高性价比，更注重环保。

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用超级电容器和蓄电池混合储能的串联型动态电压恢复器，属于电力设备技术领域。

背景技术

电压暂降是指供电电压有效值在短时间内突然下降的事件，在电网中这种现象的持续时间大多为0.5～1.5s。电压暂降与中断已成为影响大工业商户最主要的电能质量问题。而电压暂降的次数远比电压中断发生的次数多，由于暂降发生次数较为频繁，所以从总体上看，暂降带来的损失是巨大的。

针对电压暂降的危害，传统的改善措施主要有：

(1)降低生产设备自身对电压暂降的敏感程度。

(2)减少电网的故障数目。

(3)缩短故障清除时间。

(4)安装补偿装置来抑制或消除电能质量问题的影响，传统的方法有：加装静止补偿装置(如TCR、TSC、SR)；采用不间断电源(UPS)；安装备用发电机等。

这些方法或是不能对电网发生的电压暂降、波动等暂态电能质量问题进行实时的补偿，或是价格昂贵且效率低，总之存在着诸多不足。

动态电压恢复器DVR是基于现代电力电子技术的定制电力装置，是目前最有效和经济的解决电压跌落和上升问题的方法，其基本思想是在用户线路中插入一个动态受控的电压源，采用适当的控制方法使该电压抵消由于电力系统扰动对负荷电压造成的任何不良影响。

储能单元在电压暂降期间给负载提供有功功率，必须具有一定的能量存储与功率交换能力。典型和潜在的储能设备包括：蓄电池、超级电容器、飞轮储能以及超导储能等，这几种方法都有各自特点和不足。

蓄电池的最大优势在于成本较低，使用简单；但蓄电池的电能转换效率低，由于自身充放电电流的限制，它不能提供较大的功率，在实时性上不能满足DVR进行电压补偿时瞬间释放大功率的要求；同时，蓄电池寿命较短，维护费用高，且多采用重金属或酸碱性原料，不利于环保。

超级电容器是一种新兴的储能元件，具有功率密度大，使用寿命长，免维护且环保的特点；缺点是单体电压低，要形成较高电压需要多个电容器串联，且能量密度相对较低，只能为DVR提供较短时间的电压补偿。

飞轮储能系统一般由飞轮和电机、变频器等组成主机，由真空泵、制冷装置等组成辅机。飞轮储能具有电力输入输出快速、效率高、寿命长等优点，但飞轮本体材料的许用应力使转速不能无限的升高，也就使飞轮储存的能量受到限制。其储能效率受到轴承摩擦的制约，用来稳定和定位飞轮的控制系统较复杂。此外，冷却技术、真空技术也有待提高。因飞轮的高速旋转还带来噪声、振动、安全问题等一系列问题。

超导储能技术(SMES)的原理是利用超导线圈内产生的磁场来储存电能。SMES设备最重要的组成部分是超导线圈、冷却池制冷系统、氦桶和外围设备。SMES的优点有，效率非常高，可以达到90％，输出功率大，易形成较高电压。缺点主要是制冷系统增加了造价，另外，其稳定性也值得关注，它对温度、电流密度和磁场的变化都非常敏感的，它的磁场要等于或高于9T，维持如此高的磁场也是一项难度非常大的技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超级电容器和蓄电池混合储能的串联型动态电压恢复器，用一个混合储能模块实现恢复器直流侧的储能要求，以取代传统的储能方式。

本发明的技术方案是：一种超级电容器和蓄电池混合储能的串联型动态电压恢复器，其特征在于：包括用于对超级电容器与蓄电池混合储能系统进行充电的充电装置、用于存储上述直流电形式电能的由超级电容器和蓄电池组成的混合储能系统、用于输出补偿电压的逆变单元和用于将动态电压恢复器接入电力系统的升压滤波单元；

混合储能系统并联在充电装置和逆变单元的直流侧，由多个单体超级电容器串联组成的超级电容器组、蓄电池组和两个电子开关组成，其中蓄电池组与超级电容器组经一个电子开关并联，用以控制混合储能系统放电；混合储能系统经另一个电子开关并联在逆变单元的直流侧。

如上所述的超级电容器和蓄电池混合储能的串联型动态电压恢复器，其特征在于：用于对超级电容器与蓄电池混合储能系统进行充电的充电装置，包括一个由四个功率二极管组成的单相整流桥、一个由电感及电容组成的滤波器以及三个电子开关，滤波器的电容并联在整流桥的直流侧，滤波器中的电感串联在充电电流回路中，一个电子开关串联充电装置与储能系统之间，作为充电启动与切除开关，另两个电子开关分别串联于蓄电池和超级电容器的正极，用于控制充电装置对混合储能系统充电，及与混合储能系统的两个电子开关配合，实现选择放电。

如上所述的超级电容器和蓄电池混合储能的串联型动态电压恢复器，其特征在于：用于输出补偿电压的逆变单元，包括一个由四个开关管组成的单相逆变桥。

如上所述的超级电容器和蓄电池混合储能的串联型动态电压恢复器，其特征在于：用于将动态电压恢复器接入电力系统的升压滤波单元，包括一个升压变压器和一个电容及一个电感组成的滤波器，逆变单元的输出串联电感后与电容并联，升压变压器的副边并联滤波电容，原边接入电力系统，用于实现动态电压恢复器的恢复电压功能。

本发明的工作原理：(1)用于对超级电容器与蓄电池混合储能系统进行充电的充电装置中，单相整流桥用于将从系统获取的交流电形式的电能通过不控整流转换成直流电形式的电能，并将该电能从整流桥的直流侧输出，用以给混合储能系统充电，滤波器的电容用于滤除输出电压中的高频谐波成分，滤波器中的电感；(2)用于输出补偿电压的逆变单元，是用于从混合储能系统获取直流电形式的电能，并根据采样电路对负载电压的检测结果，对正弦调制脉冲系列占空比进行控制，将直流电能转换成交流电形式的电能后从逆变桥的交流输出侧输出；(3)用于将串联型动态电压恢复器接入电力系统的升压滤波单元中，滤波电容用于滤除逆变单元输出电压中的高频谐波成分，电感用于调节滤波效果。

本发明的有益效果是：

响应时间快：超级电容器的功率密度达到5kW/kg，可在瞬间释放出上千安电流。

工作时间长：蓄电池与超级电容器在技术性能上具有较强的互补性。蓄电池的能量密度大，但功率密度小，充放电效率低，循环寿命短，对充放电过程敏感，大功率充放电和频繁充放电的适应性不强。而超级电容器则相反，其功率密度大，充放电效率高，循环寿命长，非常适应于大功率充放电和循环充放电的场合。将超级电容器与蓄电池混合使用，使蓄电池能量密度大和超级电容器功率密度大、循环寿命长等特点相结合，可以提高混合储能装置的功率输出能力、降低内部损耗、增加放电时间。

性价比高：由于蓄电池和超级电容器同属于静止储能器件，因而在混合使用时简单可靠，无需辅机设备，运行成本低，维护费用少。混合储能系统工作中，瞬间大电流主要由超级电容器承担，可以有效减少蓄电池的充放电循环次数，延长整套储能系统的使用寿命；还可以缩小储能装置的体积、改善供电系统的可靠性和经济性。

综上所述，由超级电容器与蓄电池组成的混合储能系统有着其他储能方式无法比拟的优点，采用此混合储能系统的动态电压恢复器动态响应速度快，储能容量大，维护方便，操作简单，性价比高。

附图说明

图1，本发明实施例的主电路图。

图2，本发明实施例的超级电容器与蓄电池混合储能系统的充放电电路图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的超级电容器和蓄电池混合储能的串联型动态电压恢复器做详细的说明。

本发明实施例的超级电容器和蓄电池混合储能的串联型动态电压恢复器，其主电路图如图1所示，包括：

(1)用于对超级电容器与蓄电池混合储能系统进行充电的充电装置，包括一个由四个功率二极管D1-D4组成的单相整流桥、一个由电感L1及电容C1组成的滤波器以及三个电子开关K1、K2、K3，滤波器的电容C1并联在整流桥的直流侧，滤波器中的电感L1串联在充电电流回路中，电子开关K1串联充电装置与储能系统之间，作为充电启动与切除开关；电子开关K2、K3分别串联于蓄电池和超级电容器的正极，用于控制充电装置对混合储能系统充电及与电子开关K4、K5配合，实现选择放电；

(2)用于存储上述直流电形式电能的由超级电容器和蓄电池组成的混合储能系统，此混合储能系统并联在充电装置和逆变单元的直流侧，由多个单体超级电容器串联组成的超级电容器组、蓄电池组、两个电子开关K4、K5组成。其中蓄电池组与超级电容器组经一个电子开关K4并联，用以控制主放电电源；整个混合储能系统经电子开关K5并联在逆变单元的直流侧；

(3)用于输出补偿电压的逆变单元，包括一个由四个开关管(TD1-TD4)组成的单相逆变桥；

(4)用于将动态电压恢复器接入电力系统的升压滤波单元，包括一个升压变压器Tup和一个电容C2及一个电感L2组成的滤波器，逆变单元的输出串联电感L2后与电容C2并联，升压变压器Tup的副边并联滤波电容C2，原边接入电力系统，用于实现动态电压恢复器的恢复电压功能。

以下详细介绍本发明实施例的工作流程，本发明实施例的超级电容器与蓄电池混合储能系统的充放电电路图如图2所示，整个混合储能系统的充放电过程分为三个部分：两储能元件分别充电、超级电容器放电、蓄电池放电。

系统初始化时，先由电子开关K1、K2、K3闭合，通过整流滤波回路对两储能元件：超级电容器与蓄电池分别充电，当两储能元件端电压达到额定值时，K1、K2、K3断开，切断充电回路；

超级电容器与蓄电池并联，中间由电子开关K4连接，超级电容器并联在逆变端，中间有一个启动开关K5连接，电子开关K4由两储能元件端压差控制，若蓄电池端电压高过超级电容器端压某一限定值，电子开关K4闭合。正常情况电子开关K4、K5断开。当系统电压出现暂降，发出启动信号，K5闭合，由超级电容器先向逆变单元供电，若暂降时间较短，超级电容器端压下降不明显影响补偿效果，则仅由超级电容器供电，K4保持断开。若暂降时间较长，或暂降次数频繁，超级电容器端压下降较多，不能实现负载电压完全恢复，则K4闭合，由蓄电池提供逆变单元直流电源，同时对超级电容器充电。若暂降继续持续，蓄电池不足以提供恢复电压，则由DVR主电路发出停机信号，切除负载。