CN103280829A - 一种应用于大容量电池储能的隔离双级链式变流器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种应用于大容量电池储能的隔离双级链式变流器，在传统链式变流器的各H桥模块与电池间增加一个带高频隔离变压器的双向隔离全桥变流器，使得电池侧与高压电网绝缘。通过控制双向隔离全桥变流器，能保持中间直流侧的电压，同时能缓冲链式变流器电池侧的二次脉动功率；而链式储能变流器用做电池储能与电网的接口，既可实现高压直接并网，完成电网的功率调度，又可减少储能系统接入电网的谐波、滤波元件的体积。本发明能降低对电池模块的绝缘等级的要求，减小了电池侧的二次脉动功率，保证了电池的安全可靠；同时可接入不同电压等级不同种类的电池，且易于模块化生产，适合于大容量高电压并网的电池储能系统。
Description
技术领域
本发明涉及电气自动化设备技术领域，具体地，涉及一种应用于大容量电池储能的隔离双级链式变流器拓扑。
背景技术
电池储能系统因其响应速度快、能量密度高、环境条件好、技术成熟等优势，已经广泛应用于电力系统中的各个方面，尤其是在负荷平衡、用户侧电能质量、无功补偿以及容纳可再生能源等重要问题中凸显优势。
链式拓扑广泛应用在高压电机的驱动变频器、高压无功补偿等领域；该拓扑也可作为储能变流器，直接接入高压电网。作为储能的功率转换系统，链式变流器如图1，由于没有隔离变压器，因此每相中不同的电池模块都与电网侧有较大的共模电压，较高的电压不利于电池模块的制作，并极大地影响了工作人员对电池的维修等，降低了电池储能系统的安全与可靠性。
双向隔离全桥变流器是未来大功率DC/DC变流器的发展方向，其结构及控制简单，且可实现软开关，降低损耗，提高效率。而高频工作下，隔离变压器的体积可以非常小，容易实现高压隔离绝缘，从而降低了电池的制作工艺要求。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种应用于大容量电池储能的隔离双级链式变流器拓扑结构，在链式变流器的各H桥中间直流侧电容与电池间增加一个双向隔离全桥变流器，用以完全隔离电池模块与电网，增加电池储能系统的安全与可靠性；链式储能变流器用做电磁储能与电网的接口，既可实现高压直接并网，完成电网的功率调度，又可以减少储能系统接入电网的谐波，减少滤波元件的体积。
为实现上述目的，本发明提供一种应用于大容量电池储能的隔离双级链式变流器，包括电池储能系统中的电池模块E、单元以及并网电抗器Ls。所述变流器的拓扑每一相由N个单元串联而成，三相接成星形，通过所述电抗器Ls直接接入高压电网。
优选地，所述的每相的主要模块单元，由电池模块E、电池侧电容C1、三个H桥模块H1、H2和H3、高频隔离变压器T和中间直流侧电容C2组成。其中两个H桥模块H1、H2和高频隔离变压器T组成双向隔离全桥变流器；第三个H桥模块H3则与单元所在相的其他单元的H桥模块一起构成链式变流器。
优选地，所述的双向隔离全桥变流器控制中间直流侧电容C2的电压，缓冲单元的二次脉动功率；电池侧电容C1则滤除电池侧的高频电流纹波；链式变流器则根据电网调度来完成有功无功功率的控制。
优选地，所述的构成每个单元的主要元件H桥模块，由四个开关组成，其中：第一、第三开关S1、S3串联构成一个桥臂，第二、第四开关S2、S4串联构成另一个桥臂。而H桥单元的接口有四个，即“+”、“－”、“A”和“B”，其中“+”和“－”接入直流侧，“A”和“B”接入交流侧。
优选地，所述的高频隔离变压器，其工作频率一般在1-10KHz，而其绝缘等级与所接入的电网电压等级相同，从而使得电池与电网完全绝缘。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明的应用于大容量电池储能的隔离双级链式变流器拓扑，能够降低对电池模块的绝缘等级的要求，减小了电池侧的二次脉动功率，保证了电池的安全可靠；且可接入不同电压等级不同种类的电池，且易于模块化生产，适合于大容量高电压并网的电池储能系统；链式储能变流器用做电磁储能与电网的接口，既可实现高压直接并网，完成电网的功率调度，又可以减少储能系统接入电网的谐波，减少滤波元件的体积。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1现有的链式储能变流器电路拓扑；
图2本发明提出的一种应用于大容量电池储能的隔离双级链式变流器拓扑结构；
图3双向隔离全桥变流器拓扑；
图4双向隔离全桥变流器的工作波形；
图5双向隔离全桥变流器的控制框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
参照图2，本实施例提供的一种应用于大容量电池储能的隔离双级链式变流器拓扑结构，包括电池储能系统中的电池模块E、单元以及并网电抗器Ls。该拓扑的每一相由N个单元串联而成，三相接成星形，通过所述电抗器Ls直接接入高压电网。而所述的单元，由电池模块E、电池侧电容C1、H桥模块H1、H2和H3、高频隔离变压器T和中间直流侧电容C2组成。其中H桥模块H1、H2和高频隔离变压器T组成双向隔离全桥变流器；H桥模块H3则与单元所在相的其他单元的H桥模块一起构成链式变流器。
参照图2，本实施例中每个单元的主要元件H桥模块，由四个开关组成，其中：第一、第三开关S1、S3串联构成一个桥臂，第二、第四开关S2、S4串联构成另一个桥臂。而H桥单元的接口有四个，即“+”、“－”、“A”和“B”，其中“+”和“－”接入直流侧，“A”和“B”接入交流侧。
参照图3，本实施例中的双向隔离全桥变流器，由H桥模块H1、H2和高频隔离变压器T组成，其中Lst为高频隔离变压器的漏感。高频隔离变压器的工作频率一般在1-10KHz，而其绝缘等级与所接入的电网电压等级相同，从而使得电池与电网完全绝缘。
参照图4，本实施例中的双向隔离全桥变流器的调制波形。当双向隔离全桥变流器工作时，其原副边仅有功率输入侧的H桥需要调制信号，而输出侧的H桥当作整流桥用。此时输入侧的H桥中四个开关管的调制信号如图所示，每个桥臂的上下对管有死区时间，而滞后桥臂与超前桥臂间的相位差即移相相角，与直流侧电压有唯一对应关系。通过控制改变移相相角，即可以达到控制直流侧电压稳定的目的。
参照图5，本实施例中的双向隔离全桥变流器的控制框图。中间直流侧电容C2的电压为控制目标，反馈信号经平均值处理后，能够使移相相角中没有二次脉动分量，从而抑制电池侧的二次脉动功率。而在电池充放电不同情况下，根据指令将双向隔离全桥变流器的调制信号给不同的H桥模块。
综上，本发明在链式变流器的各H桥中间直流侧电容与电池间增加一个双向隔离全桥变流器，用以完全隔离电池模块与电网，增加电池储能系统的安全与可靠性。通过控制所增加的双向隔离全桥变流器，能够保证电池储能系统工作于充放电状态，同时可以保持中间直流侧电容C2的电压，保证链式变流器的正常工作，并抑制电池侧的二次脉动功率；而链式储能变流器用做电磁储能与电网的接口，既可实现高压直接并网，完成电网的功率调度，又可以减少储能系统接入电网的谐波，减少滤波元件的体积。本发明所提出的拓扑能够降低对电池模块的绝缘等级的要求，减小了电池侧的二次脉动功率，保证了电池的安全可靠；同时可接入不同电压等级不同种类的电池，且易于模块化生产，适合于大容量高电压并网的电池储能系统。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (4)
1.一种应用于大容量电池储能的隔离双级链式变流器，其特征在于，所述变流器的拓扑每一相由N个单元串联而成，三相接成星形，通过所述电抗器（Ls）直接接入高压电网；所述的每个单元均由电池模块（E）、电池侧电容（C1）、三个H桥模块（H1、H2和H3）、高频隔离变压器（T）和中间直流侧电容（C2）组成，其中两个H桥模块H1、H2和高频隔离变压器（T）组成双向隔离全桥变流器；第三个H桥模块H3则与单元所在相的其他单元的H桥模块一起构成链式变流器。
2.根据权利要求1所述的一种应用于大容量电池储能的隔离双级链式变流器，其特征在于，所述双向隔离全桥变流器控制中间直流侧电容（C2）的电压，缓冲单元的二次脉动功率；电池侧电容（C1）则滤除电池侧的高频电流纹波；链式变流器则根据电网调度来完成有功无功功率的控制。
3.根据权利要求1或2所述的应用于大容量电池储能的隔离双级链式变流器，其特征在于，所述H桥模块由四个开关，即第一开关～第四开关（S1、S2、S3、S4）组成，其中：第一、第二开关（S1、S3）串联构成一个桥臂，第三、第四开关（S2、S35）串联构成另一个桥臂，而H桥单元的接口有四个，即“+”、“－”、“A”和“B”，其中“+”和“－”接入直流侧，“A”和“B”接入交流侧。
4.根据权利要求1或2所述的应用于大容量电池储能的隔离双级链式变流器，其特征在于所述双向隔离全桥变流器，其中高频隔离变压器（T）的工作频率在1-10KHz，其绝缘等级与所接入的电网电压等级相同，从而使得电池与电网完全绝缘。
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Application publication date: 20130904 Assignee: SHENZHEN HOPEWIND ELECTRIC Co.,Ltd. Assignor: SHANGHAI JIAO TONG University Contract record no.: X2022980001441 Denomination of invention: An isolated two-stage chain converter for high-capacity battery energy storage Granted publication date: 20160601 License type: Common License Record date: 20220210 |
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Application publication date: 20130904 Assignee: Shanghai Zhonglv New Energy Technology Co.,Ltd. Assignor: SHANGHAI JIAO TONG University Contract record no.: X2024980003752 Denomination of invention: An isolated two-stage chain converter applied to high-capacity battery energy storage Granted publication date: 20160601 License type: Common License Record date: 20240401 |