混合级联多电平储能充放电变换器研究

随着经济的不断发展，整个社会对电能的需求快速增长，随之带来的能源消耗和环境污染问题也日益加重，节能减排已经成为了全球的主要研究方向。积极开发风能、太阳能等新能源、采用新能源电动汽车等研究工作都被公认为减少污染和节约能源的有效措施。但是无论是新能源发电还是电动汽车，储能系统都是必不可少的技术支撑。目前，较为成熟的储能技术中以超级电容和蓄电池储能应用较为广泛，但是两者受到电压和电流输出能力的限制，在应用中需要串、并联构成大容量模块使用，并且需要附加必要的均压均流电路，这样会使储能系统的效率降低，并且会因为过多的使用开关器件而提高成本。 针对以上问题，本文提出了一种新型的混合级联型多电平充放电电路拓扑结构，储能单元的连接方式不再是传统的直接串并联，而是由电力电子变换器单独控制储能单元后进行级联。将传统的均压电路和充放电控制电路合并为一个电路，拓扑结构模块性好，并且易于采用多种混合介质的配合利用组成混合储能系统。由于每个储能单元是独立控制的，降低了储能单体直接的串并联对储能系统寿命和效率的影响，通过对各个模块剩余电压的检测，采用载波层叠PWM调制方法实现对级联变换器的控制，能够在储能单元出现不平衡状态前就实现主动均衡，既能够保护储能单元，也能提高储能单元的利用率。此外，电路拓扑输出为多电平电压，电平变化仅为单个储能单元的电压，交流输出侧更接近于交流正弦波，驱动电机时可以减少电机绕组中的谐波，在用于电力系统储能时可以提高电能质量，减少或者省掉输出滤波器。 文中就该级联多电平拓扑在采用单一储能系统和混合储能系统两种情况下的充放电分别介绍了控制策略和各自的实现方法，并以铅酸蓄电池和超级电容为例搭建了仿真平台和实验小型样机，仿真和实验的输出结果共同验证了本文提出的级联储能拓扑结构的合理性和优越性。