一种基于多电平变换器的新型混合储能系统研究

This project proposed a novel hybrid storage system based on multi-level converter. A group of storage cells are serialized to enhance the voltage rating. An voltage equalization universal circuit, which consists of basic equalization modules, is utilized to balance the voltage of each cell, thus the reliability of the storage modules are significantly improved. As an combination of the storage module and multi-level converter, a hybrid storage system is established. The output voltage of the system is multi-level staircase waveforms and the total harmonic distortation is reduced. Thus improve the harmonic issue. Also, the characteristics of the system is improved becaused of the high quality output voltages. Two kinds of storage elements, which are the batteries and the super capacitors are adpoted in the relative hybrid storage system. The batteries can store a large amount of energy while it cannot be charged rapidly. The super capacitors cannot store as much energy as the batteries, but it can be chareged or dischared rapidly. The combination of the two elements makes the hybrid system attractive in energy transfer. The energy management strategy and modulation method are both proposed in this project to improve the efficiency and harmonic characteristics. The target hybrid storage system in this project can be used in power system, renewable resouce generation, electric motors and motor drive to store or release the energy quickly, eliminate the viberation of power and improve the efficiency of the power conversion system.

本课题研究一种基于多电平变换器的新型混合储能系统，提出了一种均压电路通用拓扑结构,可实现储能单体的串联均压，有利于提高储能单元的效率和延长使用寿命；储能单元结合多电平变换器组成储能系统，模块化程度较高，可通过增加串联个数和并联个数，进一步提高储能系统容量。由于采用了多电平技术，储能系统的输出电压波形质量高，谐波含量小,可减少或消除对电网的谐波污染，显著提高系统的控制性能。储能系统使用了蓄电池和超级电容两种储能介质，利用超级电容充放电速度快的特点，实现短时间存储和释放能量，弥补蓄电池虽然储电量高，但瞬时充放电能力较差的缺点。课题研究了储能系统能量管理策略和优化调制算法，提高了系统谐波特性和运行效率，实现了蓄电池和超级电容两种储能介质的优势结合。课题提出的混合储能系统可用于电力系统、可再生能源发电、电动汽车、电机驱动等场合，达到快速储存和释放能量、平抑功率波动、提高能量利用效率的目的。

本课题研究一种基于多电平变换器的新型混合储能系统，主要工作分为两个方面。一是结合电力电子基本单元，由电力电子基本单元形成电力电子变换器的拓扑演化规律出发，得出了一种超级电容和蓄电池单体均压电路的扩展方法，课题中提出了均压电路的拓扑扩展方法，并针对具体的拓扑结构进行了定量计算分析和仿真、实验验证，研究了其高效率、高可靠性和低成本实现方法，有利于实现均压电路的规模化应用；二是在完成储能单体均压电路研制和验证的基础上，将基于蓄电池和超级电容的储能单元与传统的多电平变换器进行结合，实现了两种形式储能单元的充放电控制，通过发挥超级电容功率密度大和蓄电池能量密度高的特点，改善储能系统的运行性能。本课题的研究成果和形成的实验样机可用于电力系统储能和能量优化，以及用于电动汽车等电机频繁起制动场合，对于提高能量利用率，优化系统运行特性具有较好的借鉴和参考意义。.具体取得的研究成果如下：.（1）基于电感、电力电子器件构成基本均压单元，并将基本均压单元进行串并联组合，研究其简化方法，构成了适用于不同单体个数的均压电路，对其进行了建模分析并完成了实验样机；.（2）在形成的均压电路的基础上，为进一步提高均压电路运行效率，降低开关损耗，提出了一种具有零电压开关特性的均压电路和扩展方法，完成了理论分析和实验样机搭建、验证工作；.（3）为进一步降低均压电路成本，在软开关均压的基础上，进一步改进得出了一种相邻单元均压电路并进行了实验样机验证，有利于实现电路成本和均压特性的均衡；.（4）基于提出的均压电路拓扑结构，结合蓄电池和超级电容储能单体，形成了储能单元模块，并构建了多电平储能系统平台，提出了储能平台能量的运行策略和控制方法，实验样机可以按预期正常运行。.（5）针对多电平变换器中的PWM调制算法进行了分析，利用载波层叠策略完成电压脉宽调制，同时实现储能模块的动态均压，研制完成了可用于电动汽车驱动的实验样机。.在课题进展过程中，已发表录用SCI/EI论文13篇，申请完成专利4项，编写完成储能系统控制软件2套。基于课题基金的支持，已经完成3篇硕士论文(已毕业)。此外还有2篇SCI/EI论文已经完成投稿，2名硕士研究生正在基于本课题开展研究工作。