CN103490448A - 一种基于级联h桥和多端口直流变换器的发电储能装置 - Google Patents

一种基于级联h桥和多端口直流变换器的发电储能装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于级联H桥和多端口直流变换器的发电储能装置，包括与发电模块相连的第一全桥变换器、与储能模块相连的第二全桥变换器、与多绕组变压器相连的第三全桥变换器、通过滤波电感连接于电网的H桥变换器。发电/储能混合装置使得不规则的新能源发电功率较为平滑，而且限制了电网电压跌落时的电网电流。多端口全桥隔离型直流/直流变换器可以实现不同输出电压等级的发电模块和储能模块的灵活匹配，同时利用变压器的漏电感和开关器件寄生电容实现软开关，实现了较高的效率和电气隔离，节约了成本。电网侧采用级联H桥逆变器，获得多电平的输出电压，改善了电磁兼容性能和并网谐波性能。

Description

一种基于级联H桥和多端口直流变换器的发电储能装置
技术领域
本发明属于电工、电力电子、新能源发电领域，涉及一种基于级联H桥和多端口全桥隔离型直流/直流变换器的发电储能装置，适用于分布式发电系统、新能源汽车能量管理系统。
背景技术
能源和环境问题日益突出，新能源发电技术得到快速的发展。然而，相比于传统的发电方式，新能源发电具有波动性，为了提高电能质量，需要加入储能装置。下面以光伏发电为例，进行具体的说明。光伏发电具有节约能源、机械部件少等优点，是一种很有前景的新能源发电技术。然而，光伏电流会随着光照强度发生改变，输出电压也会随着光伏模块的温度发生改变。由于随机气候条件，光伏功率存在波动，为了补偿固有的光伏功率波动，提供高电能的质量，需要使用能量存储系统，因此蓄电池可以平滑不规则的光伏输出功率。当发电系统和电网脱离，形成孤岛模式时，光伏/蓄电池混合发电系统可以提供稳定的输出功率。
光伏、蓄电池的电压等级较低，一般需要经过直流/直流变换器进行升压，才能满足并网逆变器的要求。直流/直流变换器分为非隔离型和隔离型，非隔离型直流/直流变换器所需元器件较少，拓扑结构简单，但是，其升压范围有限，而且不能实现很好的电气隔离。隔离型直流/直流变换器具有电气隔离功能、升压范围宽。在集成多个直流电源时，多端口隔离型直流/直流结构紧凑、功率密度高、易于实现软开关、减小功率损耗。
功率变换器是光伏发电系统的重要组成部分，但是功率开关器件的快速开关动作会产生较大的电压变化，容易产生电磁干扰问题。传统的光伏和蓄电池直流/直流变换器都是独立，所需直流/直流变换器个数多，结构复杂。另外，传统的光伏和蓄电池并网逆变器采用独立的并网逆变器，并网谐波较大。
发明内容
技术问题：针对现有技术的不足，本发明提出一种电磁兼容性好，交流输出电压和电流谐波小，结构紧凑，系统效率高的基于级联H桥和多端口直流变换器的发电储能装置。
技术方案：本发明的一种基于级联H桥和多端口直流变换器的发电储能装置，包括在交流侧级联的多个发电子系统单元、将发电子系统单元与外部的电网相连接的滤波电感。每个发电子系统单元包括第一全桥变换器、第二全桥变换器、与第一全桥变换器直流端连接的发电模块、与第二全桥变换器直流端连接的储能模块、同时与第一全桥变换器交流端和第二全桥变换器交流端连接的多绕组变压器、与多绕组变压器连接的第三全桥变换器、与第三全桥变换器的直流端连接的H桥变换器，H桥变换器的交流输出端与滤波电感连接。
本发明中，上述第一全桥变换器、第二全桥变换器、第三全桥变换器和多绕组变压器组成多端口全桥隔离型直流/直流变换器，实现发电/储能混合装置的能量管理。上述多端口全桥隔离型直流/直流变换器可以采用移相控制或者解耦控制策略，多端口之间的功率可进行双向流动。整个工作过程中，系统对发电模块进行最大功率点跟踪，并对储能模块的充放电电流进行控制。当发电功率大于并网逆变器输出功率时，其剩余的功率将为储能模块充电；当发电功率小于并网逆变器输出功率时，不足的功率由储能模块提供。
本发明中，发电模块可以为光伏电池、燃料电池或风力发电机。
本发明中，储能模块可以为蓄电池、超级电容、飞轮或超导磁体。
上述各发电子系统单元中的H桥逆变器，在交流侧进行级联，可以获得多电平的输出电压，改善电磁兼容性能和谐波性能。而且可以减小逆变器的功率等级，便于模块化设计，进行大规模生产。
相同的单相系统可以进行扩充，构成三相基于级联H桥和多端口直流变换器的发电储能装置。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
（1）由于电网侧基于H桥级联的逆变器将多个发电子系统单元的直流母线电压进行了级联，通过一定控制策略可在电网输出侧产生多电平的逆变器输出电压，改善电网电流的谐波性能。
（2）由于电网侧基于H桥级联的逆变器将多个发电子系统单元的直流母线电压进行了级联，相当于多个直流母线电压相加。在交流输出电压幅值不变的情况下，使得每个直流母线电压降低。各个发电子系统单元中共模和差模电压减小，变换器电磁干扰减小。同时，各个发电子系统单元中电压上升率dv/dt减小。
（3）由于系统中既有发电模块又有储能模块，该系统具有一定的容错能力，在电网电压跌落时，发电模块发出的电能可有效存储于储能模块中，不至于发出的电能无法输出造成系统出现过压或过流现象。
（4）多端口的直流/直流变换器，利用变压器漏感和开关器件的寄生电容，实现谐振，从而实现零电压开关，降低了损耗；系统采用移相控制或者解耦控制，方便实现混合能量源之间的功率分配。
（5）在发电模块、储能模块和电网之间提供电气隔离能力；将发电模块、储能模块直流/直流变换器结构集成在一起，且具有开关器件软开关能力。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明装置中发电子系统单元的结构示意图；
图3为本发明装置中多端口全桥隔离型直流/直流变换器的控制策略原理示意图；
图4为本发明装置中级联H桥并网逆变器的控制策略原理示意图。
图中有：发电子系统单元1、滤波电感2、电网3、发电模块4、储能模块5、第一全桥变换器6、第二全桥变换器7、多绕组变压器8、第三全桥变换器9、H桥逆变器10、多端口全桥隔离型直流/直流变换器11、移相方波发生器12、比例积分控制器13、减法器14、低通滤波器15、乘法器16、比例积分控制器17、减法器18、乘法器19、电压控制器20、减法器21、除法器22、减法器23、电流控制器24、减法器25、乘法器26。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面以光伏/蓄电池混合系统为具体实施例，进一步阐述本发明原理。
如附图1和2中所示，基于级联H桥和多端口直流变换器的发电储能装置，包括在交流侧级联的多个发电子系统单元1、将发电子系统单元1与外部的电网3相连接的滤波电感2；每个发电子系统单元1包括第一全桥变换器6、第二全桥变换器7、与第一全桥变换器6直流端连接的发电模块4、与第二全桥变换器7直流端连接的储能模块5、同时与第一全桥变换器6交流端和第二全桥变换器7交流端连接的多绕组变压器8、与多绕组变压器8连接的第三全桥变换器9、与第三全桥变换器9的直流端连接的H桥变换器10，H桥变换器10的交流输出端与滤波电感2连接。上述第一全桥变换器6、第二全桥变换器7、第三全桥变换器9和多绕组变压器8组成多端口全桥隔离型直流/直流变换器。
多端口全桥隔离型直流/直流变换器能够双向传递功率，蓄电池组和电网可以灵活实现能量的双向流通。多端口全桥隔离型直流/直流变换器的控制策略原理如图3所示。检测蓄电池组的输出电流，与给定电流一起送入减法器14，得到误差信号，送入比例积分控制器13，得到第一全桥变换器6与第二全桥变换器7之间的移相控制角φ12。使用低通滤波器15可以得到光伏电池的平均电流IPV，光伏电池两端的电压和电流经过乘法器16，得到光伏电池的输出功率，将其与给定输出功率送入减法器18，得到误差信号，再经过比例积分控制器17，产生第一全桥变换器6与第三全桥变换器9之间的移相控制角φ13。移相控制角φ12和φ13送入移相方波发生器12，产生PWM信号，将此PWM信号送入多端口全桥隔离型直流/直流变换器11，则可实现多端口之间的能量管理。
级联H桥的控制策略原理如图4所示。将图1中的两个发电子系统单元1分别记为发电子系统单元A1和发电子系统单元B1。发电子系统单元A1中对应的H桥逆变器10的控制方式为：将直流母线电压参考值
Figure BDA0000394416730000041
和实际值vDC1通过减法器21相减，其相减的结果经过电压控制器20相乘。其结果和电网电压标准值vin_norm通过乘法器19相乘，获得H桥逆变器10的输出参考电压
Figure BDA0000394416730000042
图1中发电子系统单元B1中对应的H桥逆变器10的控制方法为：整个系统总的并网电流参考值幅值
Figure BDA0000394416730000043
和电网电压标准值vin_norm通过乘法器26相乘，得到并网电流参考值
Figure BDA0000394416730000044
并网电流参考值
Figure BDA0000394416730000045
和并网电流实际值i通过减法器25相减。其结果通过电流控制器24，获得图1中发电子系统单元B1中对应的H桥逆变器10的控制电压。该控制电压和电网电压vGrid、发电子系统单元A1中对应的H桥逆变器10的输出电压
Figure BDA0000394416730000046
进行代数运算，其结果和发电子系统单元B1中直流母线电压vDC2通过除法器22相除，得到发电子系统单元B1中对应的H桥逆变器10的输出参考电压
Figure BDA0000394416730000047

Claims (4)

1.一种基于级联H桥和多端口直流变换器的发电储能装置，其特征在于，该装置包括在交流侧级联的多个发电子系统单元（1）、将所述发电子系统单元（1）与外部的电网（3）相连接的滤波电感（2）；
每个所述发电子系统单元（1）包括第一全桥变换器（6）、第二全桥变换器（7）、与所述第一全桥变换器（6）直流端连接的发电模块（4）、与所述第二全桥变换器（7）直流端连接的储能模块（5）、同时与第一全桥变换器（6）交流端和第二全桥变换器（7）交流端连接的多绕组变压器（8）、与多绕组变压器（8）连接的第三全桥变换器（9）、与所述第三全桥变换器（9）的直流端连接的H桥变换器（10），所述H桥变换器（10）的交流输出端与滤波电感（2）连接。
2.根据权利要求1所述的基于级联H桥和多端口直流变换器的发电储能装置，其特征在于，所述第一全桥变换器（6）、第二全桥变换器（7）、多绕组变压器（8）和第三全桥变换器（9）组成多端口全桥隔离型直流/直流变换器，实现发电储能混合装置的能量管理。
3.根据权利要求1所述的基于级联H桥和多端口直流变换器的发电储能装置，其特征在于，所述发电模块为光伏电池、燃料电池或风力发电机。
4.根据权利要求1所述的基于级联H桥和多端口直流变换器的发电储能装置，其特征在于，所述储能模块为蓄电池、超级电容、飞轮或超导磁体。
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