CN103236706A - 基于模块化多电平交交变换拓扑的电池储能系统 - Google Patents

Abstract

一种基于模块化多电平交交变换拓扑的电池储能系统，包括模块化多电平三相AC/单相AC变换器（1）、单相高频隔离变压器（2）、单相整流器（3）和储能电池组（4）。模块化多电平三相AC/单相AC变换器（1）的三相输入侧连接电网，模块化多电平三相AC/单相AC变换器（1）的单相交流输出端连接单相高频隔离变压器（2）的原边。单相高频隔离变压器（2）的副边连接单相整流器（3）。单相整流器（3）的直流侧连接储能电池组（4）。

Description

基于模块化多电平交交变换拓扑的电池储能系统

技术领域

本发明涉及一种应用于中压电力系统的电池储能系统。

背景技术

目前，随着新能源发电并网容量的不断加大，新能源本身存在的间歇性、波动性对电网稳定性的影响越来越大，为了平抑新能源发电的功率波动，一种可行的解决方案是加入储能系统。

在低压电网领域，由于电力电子开关器件耐压充足以及结构简单等优点，储能系统通常采用两电平拓扑。在中高压电网，受制于当前电力电子器件耐压性能的限制，无法直接采用三相两电平拓扑。为输出高电压有两种策略，一种是将两电平低压变流器和升压变压器组合使用；另一种则使用高压变流器直接并网。前一种方案由于引入了升压变压器增加了系统的成本、体积和重量，且为实现大功率转换常需要多台低压变流器并联运行，效率较低；后一种方案则较好地克服了上述缺点。

目前已有的中高压储能变流器有以下几种方案。一种是采用两电平或三电平拓扑并将电力电子开关器件串联使用以产生更高的电压。这种方案需要器件串联技术难度大、且对器件均一性要求高。另一种则使用H桥级联（CHB）的方法获得多电平高压输出。该方案需要每个级联单元都包含一组储能介质，通常需要对各单元进行荷电状态（SOC）以及充放电功率的均衡控制以便充分利用所有电池的存储能力以及延长其使用寿命。为降低对电池的绝缘要求和增强电池的安全性，通常需要在输出端加装隔离变压器，这增加了系统的体积、重量及造价。也可以在每个单元内部将电池组通过隔离式DC/DC变换器接入逆变H桥，但是本方式使用开关器件数量大，能量转换环节多效率低。

模块化多电平（MMC）是近年来出现的又一种可以输出多电平高电压无需升压变压器就可并网的拓扑结构。当模块单元使用半桥结构时，MMC可实现电能的交/直变换。中国专利CN102013691A在电池储能系统中采用了该拓扑结构。由于多个储能电池组分散安放于不同模块单元中，所以需要对各电池组的荷电状态进行复杂的均衡控制，且大量电池分散安置使其防护、维护及更换较为不便。另外每个模块单元因含有电池，使模块体积和重量较大，增加了模块装配的难度。

发明内容

本发明的目的在于克服已有的中高压多电平储能变流器的不足，降低现有方案的控制复杂度、提高转换效率和增强绝缘安全，提出一种使用模块化多电平交交变换拓扑的中压电池储能系统。

本发明电池储能系统所采用的技术方案是：本发明包括模块化多电平三相AC/单相AC变换器、单相高频隔离变压器、单相整流器和储能电池组。

网侧三相交流电连接到模块化多电平三相AC/单相AC变换器的三相输入侧，经该模块化多电平三相AC/单相AC变换器变换后，在所述模块化多电平三相AC/单相AC变换器的单相输出侧产生中高频单相交流电。该单相交流通过单相高频隔离变压器进行电气隔离，并将电能传递到变压器副边，变压器副边连接单相整流器的交流侧，单相整流器的直流侧连接储能电池组。

所述模块化多电平三相AC/单相AC变换器的三相输入侧通过启动电路与电网相连，模块化多电平三相AC/单相AC变换器的单相输出侧连接于单相高频隔离变压器的原边。

所述模块化多电平三相AC/单相AC变换器由三相六个桥臂构成，每相包含上下两个桥臂。每个桥臂由N个模块单元和1个电抗器串联而成，N为大于1的自然数。每相的上桥臂和下桥臂连接在一起，连接点为三相交流输入端之一。每个上桥臂的两个端点中：一个端点连接下桥臂，另一个端点与其他上桥臂的端点连接在一起形成一个输出端；每个下桥臂的两个端点中：一个端点连接上桥臂，另一个端点与其他下桥臂的端点连接在一起形成另一个输出端。上述两个输出端分别作为模块化多电平三相AC/单相AC变换器的单相交流输出的两极。

所述模块化多电平三相AC/单相AC变换器通过控制桥臂电压实现三相交流到单相交流的转换。桥臂电压由桥臂上串联的各个模块的输出电压叠加而成。所述的模块单元由一个H桥（全桥）电路与直流电容并联而成，可输出双极性电压。

单相高频隔离变压器的原边与模块化多电平三相AC/单相AC变换器的单相交流侧相连。单相高频隔离变压器的副边可以为一个或多个绕组，每个绕组连接一个单相整流器。

所述单相整流器连接到单相高频隔离变压器的副边。单相整流器将输入的交流电转换为直流电，再输出到储能电池组。单相整流器可以由一个使用自关断电力电子器件的H桥（全桥）与直流电容并联而成，也可以由一个使用自关断电力电子器件的半桥电路与直流电容并联而成，还可以采用其他形式的单相整流器拓扑。

单相高频隔离变压器通常有一个原边绕组，一个或为多个副边绕组，每个副边绕组连接一个单相整流器。

所述储能电池组并联在每个单相整流器的直流侧。储能电池组由一定数量的电池单体串联而成以得到所需的直流电压。还可以将多个电池组并联以增大储能系统的功率和容量。

所述启动电路由电阻和开关并联而成，将电网与模块化多电平三相AC/单相AC变换器的三相输入端连接在一起。

本发明的优点是：

本储能变流器系统使用集中式低压电池组无需多电池组均衡控制；使用体积小、重量小、成本较低的一台单相高频隔离变压器实现电网与电池的电气隔离；能量转换环节少系统效率高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为模块化多电平三相AC/单相AC变换器的一个模块单元的结构示意图；

图3为模块化多电平三相AC/单相AC变换器的电压关系示意图；

图4为单相整流器实施例的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1为本发明基于模块化多电平交交变换器的电池储能系统的结构图。如图1所示，所述的储能系统由模块化多电平三相AC/单相AC变换器1、单相高频隔离变压器2、单相整流器3和储能电池组4组成。模块化多电平三相AC/单相AC变换器1通过并网电感5和启动电路6连接到电网，并网电感5和启动电路6串联连接在模块化多电平三相AC/单相AC变换器1和电网之间。网侧三相交流电连接到模块化多电平三相AC/单相AC变换器1的三相输入侧，模块化多电平三相AC/单相AC变换器1将电网的工频三相电转换为高频单相电，模块化多电平三相AC/单相AC变换器1的单相交流输出端连接单相高频隔离变压器2的原边，单相高频隔离变压器2的副边连接单相整流器3的交流侧，单相整流器3的直流侧连接储能电池组4。

模块化多电平三相AC/单相AC变换器1将电网的三相工频交流电转换为频率较高的单相交流电。生成该单相交流电是为了利用单相高频隔离变压器2将网侧高压进行电气隔离后再对储能电池组4充电。模块化多电平三相AC/单相AC拓扑由三相六个桥臂构成，每相包含上下两个桥臂；每相的上、下桥臂的公共点连接三相电网电压之一相；各个上桥臂的两个端点中除去连接下桥臂的端点外剩余的另一个端点均连接在一起，形成一个输出端；各个下桥臂的两个端点中除去连接上桥臂的端点外剩余的另一个端点均连接在一起形成另一个输出端，上述的两个输出端分别作为模块化多电平三相AC/单相AC变换器1的单相交流输出的两极连接到单相高频隔离变压器2的原边。

每个桥臂如图1所示由N个模块单元以及一个电抗器串联而成，N为大于1的自然数。电抗器可以减少环流，并限制网侧短路故障时的电流。模块单元的结构如图2所示：第一开关T1与第一二极管D1并联，第二开关T2与第二二极管D2并联，第三开关T3与第三二极管D3并联，第四开关T4与第四二极管D4并联；第一开关T1与第二开关T2串联，第三开关T3与第四开关T4串联，串联在一起的第一开关T1、第二开关T2与串联在一起的第三开关T3、第四开关T4并联形成H桥，串联在一起的第一开关T1、第二开关T2同时与电容C并联。H桥两个桥臂的中点为模块单元的两个输出端，输出的电压为双极性：当开关器件T1、T4导通而T2、T3关断时，模块单元输出正电压；当开关器件T1、T4关断而T2、T3导通时，模块单元输出负电压。通过控制各个模块单元的输出电压可控制各个桥臂电压，进而实现三相交流到单相交流的转换。以桥臂为基本单元进行电路的分析如图3所示。设A、B、C三相上下桥臂的电压分别为V_ap、V_an、V_bp、V_bn、V_cp、V_cn，输入的三相交流电压为V_a、V_b、V_c，输出的单相交流电压为V₂。经电路理论推导可知，桥臂电压满足以下条件可得到上述的输入侧三相交流电压和输出侧单相交流电压：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{an}}=V_a+\frac{1}{2}{V}_2\\ V_{\mathrm{bn}}=V_b+\frac{1}{2}{V}_2\\ V_{\mathrm{cn}}=V_c+\frac{1}{2}{V}_2\end{array}\right.$ $\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{ap}}=-V_a+\frac{1}{2}{V}_2\\ V_{\mathrm{bp}}=-V_b+\frac{1}{2}{V}_2\\ V_{\mathrm{cp}}=-V_c+\frac{1}{2}{V}_2\end{array}\right.$

模块单元中还包含有旁路开关K1，旁路开关K1并联于模块单元的输出端，如图2所示。模块单元发生故障时，旁路开关K1闭合，使得发生故障的模块单元被切除。通常还可增加冗余模块单元，在备用状态下冗余单元的旁路开关为闭合状态。当同一相的其他模块单元发生故障时，旁路开关打开，将冗余单元投入运行。

单相高频隔离变压器2的原边绕组连接模块化多电平三相AC/单相AC变换器1的单相交流侧。单相高频隔离变压器2的副边绕组连接单相整流器3的交流侧。单相高频隔离变压器2通常有一个原边绕组，一个或为多个副边绕组，每个副边绕组连接一个单相整流器。原边绕组和所有副边绕组共用一个铁芯。单相高频隔离变压器2工作于中高频，以便减小系统的体积、重量和降低造价。

单相整流器3负责将隔离后的单相交流电转换为电池所需的直流电。单相整流器3的一种结构是单相全桥PWM整流器，如图4所示：四个电力电子开关器件T5-T8分别并联二极管D5-D8后构成了H桥。H桥的交流侧连接单相高频隔离变压器的一组副边，储能电池组4并联在H桥的直流侧。H桥的交流输出电压为双极性，当第五开关T5和第八开关T8导通，而第六开关T6和第七开关T7关断时，单相全桥PWM整流器输出正电压，当第五开关T5和第八开关T8关断，而第六开关T6和第七开关T7导通时，单相全桥PWM整流器输出负电压。控制H桥输出电压的相位和幅值，可控制储能电池组4充电以及放电的功率。

储能电池组4并联于单相整流器3的直流侧。为得到适应单相整流器3的直流电压，储能电池组4可以由多个电池单体串联而成。为适应充放电的功率需求以及增大存储容量，储能电池组4还可以由多组串联电池组并联而成。

Claims (7)

1.一种基于模块化多电平交交变换拓扑的电池储能系统，其特征在于：所述的储能系统由模块化多电平三相AC/单相AC变换器（1）、单相高频隔离变压器（2）、单相整流器（3）、储能电池组（4）组成；模块化多电平三相AC/单相AC变换器（1）通过并网电感（5）和启动电路（6）连接到电网，网侧三相交流电送入模块化多电平三相AC/单相AC变换器（1）的三相输入侧，模块化多电平三相AC/单相AC变换器（1）将电网的工频三相电转换为高频单相电，该单相交流电连接到单相高频隔离变压器（2）的原边；单相高频隔离变压器（2）的副边连接单相整流器（3），单相整流器（3）的直流侧连接储能电池组（4）。

2.根据权利要求1所述的电池储能系统，其特征在于：所述的模块化多电平三相AC/单相AC变换器（1）由三相六个桥臂构成，每相包含上下两个桥臂，每个桥臂由N个模块单元以及一个电抗器串联而成，N为大于1的自然数；每相的上桥臂和下桥臂连接在一起，连接点为三相交流输入端之一；每个上桥臂的两个端点中：一个端点连接下桥臂，另一个端点与其他上桥臂的端点连接在一起形成一个输出端；每个下桥臂的两个端点中：一个端点连接上桥臂，另一个端点与其他下桥臂的端点连接在一起形成另一个输出端；上述两个输出端分别作为模块化多电平三相AC/单相AC变换器的单相交流输出的两极。

3.根据权利要求1所述的电池储能系统，其特征在于：所述的模块单元中，四个电力电子开关器件（T1-T4）分别与四个并联二极管（D1-D4）构成H桥：第一开关（T1）与第一二极管（D1）并联，第二开关（T2）与第二二极管（D2）并联，第三开关（T3）与第三二极管（D3）并联，第四开关（T4）与第四二极管（D4）并联；第一开关（T1）与第二开关（T2）串联，第三开关（T3）与第四开关（T4）串联，串联在一起的第一开关（T1）、第二开关（T2）与串联在一起的第三开关（T3）、第四开关（T4）并联，串联在一起的第一开关（T1）、第二开关（T2）同时与电容（C）并联；H桥两个桥臂的中点为所述模块单元的两个输出端，输出的电压为双极性：当第一开关（T1）和第四开关（T4）导通而第二开关（T2）和第三开关（T3）关断时，所述的模块单元输出正电压；当第一开关器件（T1）和第四开关（T4）关断而第二开关（T2）、第三开关（T3）导通时，所述的模块单元输出负电压；通过控制各个模块单元的输出电压控制各个桥臂电压，实现三相交流到单相交流的转换。

4.根据权利要求1所述的电池储能系统，其特征在于：所述单相高频隔离变压器（2）有一个原边绕组，一个或多个副边绕组，每个副边绕组连接一个单相整流器；所述的原边绕组和所有副边绕组共用一个铁芯。

5.根据权利要求1所述的电池储能系统，其特征在于：所述的单相整流器（3）是单相全桥PWM整流器，H桥的交流输出电压为双极性，当第五开关（T5）和第八开关（T8）导通而第六开关（T6）和第七开关（T7）关断时，单相全桥PWM整流器输出正电压；当第五开关（T5）和第八开关（T8）关断，而第六开关（T6）和第七开关（T7）导通时，单相全桥PWM整流器输出负电压；控制H桥输出电压的相位和幅值控制储能电池组（4）充电以及放电的功率。

6.根据权利要求1所述的电池储能系统，其特征在于：所述的储能电池组（4）由多个电池单体串联而成，或由多组串联电池组并联组成。

7.根据权利要求1所述的电池储能系统，其特征在于：所述的启动电路（6）由电阻和开关并联组成；启动电路（6）串联连接在模块化多电平三相AC/单相AC变换器（1）和电网之间。

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