CN104269875A - 一种基于mmc模块化多电平变换器的混合储能拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于MMC模块化多电平变换器的混合储能拓扑结构，该结构包括一正桥臂和一负桥臂，所述正桥臂由功率变换子单元1至n依次串联而成，所述正桥臂一端连接高压直流正母线，另一端经过一限流电抗器连接到高压三相交流电网；所述负桥臂由功率变换子单元n+1至2n依次串联而成，所述负桥臂一端连接高压直流负母线，另一端经过一限流电抗器连接到高压三相交流电网；所述每个功能变换子单元由功率变换模块、电位隔离模块和储能模块串联而成。本发明使多种储能体灵活接入电力系统，为电力系统提供不间断、高质量、控制灵活、操作安全的储能功能和服务。

Description

一种基于MMC模块化多电平变换器的混合储能拓扑结构
技术领域
本发明涉及一种基于MMC模块化多电平变换器的混合储能拓扑结构。
背景技术
电能的存储可以带来诸多好处，包括提高用户电能质量，提高供电可靠性，平抑可再生能源接入电网带来的功率波动，提供电动汽车充换电池服务等。目前储能体主要有铅酸蓄电池、锂电池、超级电容、液流电池等，储能装置结构主要是全桥或半桥交直流变换和直流变换结构，目前主要存在如下几个问题。首先是大规模储能时的储能体串并联问题，一般情况下储能单体电压较低、功率较小且容量较小，需要大量储能单体串并联组合才能使其输出电压、功率和容量满足大规模储能的要求，但大量串并联结构的储能单体在其充放电过程中会出现均压和均流的问题；第二，并网问题，大规模储能系统需要接入较高电压等级的电网，简单的全桥或半桥功率变换结构直接并网往往不能满足其并网的高电压和高电能质量的要求，而通过变压器并网则难以满足其并网的电流限制。第三，安全电位隔离问题，由于未能做到电位隔离，所以不能在设备运行时对储能装置中的储能单体进行装卸操作，无法应用在需要对储能单体频繁装卸的场合，如电动汽车充换电池服务等。第四，储能体差异性问题，混合储能应用的储能体或是新旧不同的储能体甚至是不同批次的储能体，其充放电特性均存在差异性，这就需要独立地测量和控制才能保证储能体的可靠、安全、长寿命使用。
随着现代电力电子技术的发展、器件成本的降低以及装置工艺的提高，现代电力电子技术得到了极大的发展，并已经在电力系统中得到了广泛的应用,基于MMC模块化多电平变换器的柔性直流输电已有多项应用。所以，基于MMC模块化多电平变换器的拓扑结构较为成熟，该拓扑结构在混合储能领域应用可以有效解决混合储能的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于MMC模块化多电平变换器的混合储能拓扑结构,该结构可为电力系统提供不间断、高质量、控制灵活、操作安全的储能功能和服务。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于MMC模块化多电平变换器的混合储能拓扑结构，其特征在于：包括一正桥臂和一负桥臂，所述正桥臂由功率变换子单元1至n依次串联而成，所述功率变换子单元1一端与高压直流正母线连接，所述功率变换子单元n与第一限流电抗器一端连接；所述负桥臂由功率变换子单元n+1至2n依次串联而成，所述功率变换子单元2n一端与高压直流负母线连接，所述功率变换子单元n+1与第二限流电抗器一端连接；所述每个功率变换子单元由功率变换模块、电位隔离模块和储能模块串联而成，所述第一限流电抗器另一端与所述第二限流电抗器另一端相连接入高压三相交流电网，n为正整数。
在本发明一实施例中，所述功率变换模块包括第一半桥电路和第一电容，所述第一半桥电路的直流端与所述第一电容并联；所述第一半桥电路可用一全桥电路代替。
在本发明一实施例中，所述电位隔离模块包括一原方斩波器，一高频变压器和一副方斩波器；所述原方斩波器的直流端与所述半桥或全桥电路的直流端连接；所述原方斩波器和副方斩波器的交流端分别与所述高频变压器的原方和副方连接。
在本发明一实施例中，所述储能模块包括第二电容，多个第二半桥电路，多个第三电抗器和多个储能体；所述多个第二半桥电路直流输入端与所述第二电容并联后与所述副方斩波器的直流端连接；所述第二半桥电路的直流输出端与所述第三电抗器以及储能体连接；所述第三电抗器与所述储能体串联。
在本发明一实施例中，所述功率变换模块包括第一半桥电路和多个第一电容，多个所述第一电容串联后与所述第一半桥电路直流端并联；所述第一半桥电路可用一全桥电路代替。
在本发明一实施例中，所述电位隔离模块包括多个原方斩波器，多个高频变压器和多个副方斩波器；多个所述原方斩波器的直流端分别与一所述第一电容并联；所述原方斩波器和副方斩波器的交流端分别与所述高频变压器的原方和副方连接;所述多个原方斩波器的直流端级联；所述多个副方斩波器直流端并联；所述多个高频电压器可用一多绕组高频变压器代替。
在本发明一实施例中，所述储能模块包括第二半桥电路，第二电容，第三电抗器和储能体；所述第二半桥电路的直流输入端与所述第二电容并联后与所述副方斩波器的直流端连接；所述第二半桥电路的直流输出端与所述第三电抗器以及储能体连接；所述第三电抗器与所述储能体串联。
在本发明一实施例中，所述第一半桥电路包括两个绝缘栅双极型晶体管和续流二极管，所述两个绝缘栅双极型晶体管和续流二极管连接成半桥结构;所述全桥电路包括四个绝缘栅双极型晶体管和续流二极管，所述四个绝缘栅双极型晶体管和续流二极管连接成全桥结构。
在本发明一实施例中，所述第二半桥电路包括两个绝缘栅双极型晶体管和续流二极管，所述两个绝缘栅双极型晶体管和续流二极管连接成半桥结构。
在本发明一实施例中，所述原方斩波器包括四个绝缘栅双极型晶体管和续流二极管，所述四个绝缘栅双极型晶体管和续流二极管连接成全桥结构；所述副方斩波器包括四个绝缘栅双极型晶体管和续流二极管，所述四个绝缘栅双极型晶体管和续流二极管连接成全桥结构。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
1、基于MMC模块化多电平变换器的混合储能拓扑结构可为电力系统提供储能服务,该拓扑结构可以灵活地从电力系统吸收电能，通过各级功率变换模块和各级电位隔离模块向各级储能体充电；也可以灵活地向电力系统释放电能，各级储能体通过各级电位隔离模块和各级功率变换模块向电网释放电能，为电网提供电力支撑。
2、基于MMC模块化多电平变换器的混合储能拓扑结构的功率变换模块使用全控型电力电子开关器件（IGCT、IGBT或POWER MOSFET等开关器件），该器件不同于可控硅（晶闸管）等半控型电力电子开关器件，是可以快速开通和关断的器件，具有良好的电气性能和控制性能。
3、基于MMC模块化多电平变换器的混合储能拓扑结构的功率变换模块是由全控型电力电子开关器件并联直流电容构成的全桥或半桥型单相结构,串联的功率变换模块可以产生多电平波形，该波形非常接近正弦波，功率变换模块级数越多，最低次谐波次数越高，可以有效减小对电网的谐波污染。
4、基于MMC模块化多电平变换器的混合储能拓扑结构的各级功率变换模块可以独立控制其充放电状态，进而独立且精确控制各级储能体的充放电功率，满足混合储能下各级储能体差异性的充放电要求。
5、基于MMC模块化多电平变换器的混合储能拓扑结构的电位隔离模块可以完成电位隔离功能，在装置运行过程中，闭锁电位隔离模块控制脉冲即可完成电网的高电位和储能体的低电位之间的电位隔离，进而可以安全地对储能体进行装卸操作等，不会影响装置的连续运行。
6、基于MMC模块化多电平变换器的混合储能拓扑结构具有很高的灵活性，当需要提高高压三相交流电网电压或是需要增加储能容量时，仅需增加功率变换子单元数量即可；如果其中任何功率变换子单元故障，将其隔离后不会影响装置连续运行。
附图说明
图1是本发明拓扑结构图。
图2是本发明实施例一示意图。
图3是本发明功率变换模块采用全桥电路结构示意图。
图4是本发明电位隔离模块采用直流串并联结构示意图。
图5是本发明电位隔离模块采用多绕组变压器结构示意图。
图6是本发明储能模块采用直流输入端并联结构示意图。
图中：1000—高压三相交流电网   2100—高压直流正母线     
      2200—功率变换子单元     2210—功率变换模块
      2211—第一半桥电路       2212—第一电容      
      2220—电位隔离模块       2221—原方斩波器
      2222—高频变压器         2223—副方斩波器
      2230—储能模块           2231—第二电容
      2232—第二半桥电路       2233—第三电抗器
      2234—储能体             2300—第一、二电抗器 
      2400—高压直流负母线 。 
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种基于MMC模块化多电平变换器的混合储能拓扑结构，其特征在于：包括一正桥臂和一负桥臂，所述正桥臂由功率变换子单元1至n依次串联而成，所述功率变换子单元1一端与高压直流正母线2100连接，所述功率变换子单元n与第一限流电抗器L1一端连接；所述负桥臂由功率变换子单元n+1至2n依次串联而成，所述功率变换子单元2n一端与高压直流负母线2400连接，所述功率变换子单元n+1与第二限流电抗器L2一端连接；所述每个功率变换子单元2200由功率变换模块2210、电位隔离模块2220和储能模块2230串联而成，所述第一限流电抗器L1另一端与所述第二限流电抗器L2另一端相连接入高压三相交流电网1000，n为正整数。
请参照图2，于本发明实施例中，所述功率变换模块2210包括第一半桥电路2211和第一电容2212，所述第一半桥电路2211的直流端与所述第一电容2212并联。所述第一半桥电路2211包括两个绝缘栅双极型晶体管和续流二极管，所述两个绝缘栅双极型晶体管和续流二极管连接成半桥结构。
请继续参照图2，所述电位隔离模块2220包括一原方斩波器2221，一高频变压器2222和一副方斩波器2223；所述原方斩波器2221的直流端与所述半桥2212或全桥电路的直流端连接；所述原方斩波器2221和副方斩波器2223的交流端与所述高频变压器2222的原方和副方连接；所述原方斩波器2221包括四个绝缘栅双极型晶体管和续流二极管，所述四个绝缘栅双极型晶体管和续流二极管连接成全桥结构；所述副方斩波器2223包括四个绝缘栅双极型晶体管和续流二极管，所述四个绝缘栅双极型晶体管和续流二极管连接成全桥结构（绝缘栅双极型晶体管也可用IGCT，MOS管等全控型电力电子开关器件代替）。该处原方斩波器2221和副方斩波器2223完成将直流斩波成高频交流的功能，高频变压器2222主要完成电位隔离和电压变换功能。
请继续参照图2，所述储能模块2230包括第二半桥电路2232，第二电容2231，第三电抗器2233和储能体2234；所述第二半桥电路2232的直流输入端与所述第二电容2231并联后与所述副方斩波器2223的直流端连接；所述第二半桥电路2232的直流输出端与所述第三电抗器2233以及储能体2234连接；所述第三电抗器2233与所述储能体2234串联。所述第二半桥电路2232包括两个绝缘栅双极型晶体管和续流二极管，所述两个绝缘栅双极型晶体管和续流二极管连接成半桥结构。其中第二电容2231完成直流电压支撑作用，第二半桥电路2232完成直流电压变换功能，第二半桥电路2232和第三电抗器2233串联后经过合适的控制，完成对储能体2234的充放电功能。该处可以使用不同的储能模块，满足灵活配置多种具有差异性储能体的混合储能接入要求。
请参照图3，于本发明功率变换模块采用全桥电路结构中，所述功率变换模块2210的第一半桥电路2211可用一全桥电路代替，第一电容2212完成直流电压的支撑作用。所述全桥电路包括四个绝缘栅双极型晶体管和续流二极管，所述四个绝缘栅双极型晶体管和续流二极管连接成全桥结构。
请参照图4，于本发明电位隔离模块采用直流串并联结构中，所述功率变换模块2210包括第一半桥电路2211和多个第一电容2212，多个所述第一电容2212串联后与所述第一半桥电路2211直流端并联；电位隔离模块2220包括多个原方斩波器2221，多个高频变压器2222和多个副方斩波器2223；多个所述原方斩波器2221的直流端分别与一所述第一电容2212并联；所述原方斩波器2221和副方斩波器2223的交流端与所述高频变压器2222的原方和副方连接；所述多个原方斩波器2221的直流端级联；所述多个副方斩波器2223直流端并联。
请参照图5，于本发明电位隔离模块采用多绕组变压器结构中，所述多个高频电压器2222可用一多绕组高频变压器代替，可以拓展更多的具有差异性的储能体的接入。
请参照图6，于本发明储能模块采用直流输入端并联结构中，所述储能模块2230包括第二电容2231，多个第二半桥电路2232，多个第三电抗器2233和多个储能体2234；所述多个第二半桥电路2232直流输入端与所述第二电容2231并联后与所述副方斩波器2223的直流端连接；所述第二半桥电路2232的直流输出端与所述第三电抗器2233以及储能体2234连接；所述第三电抗器2233与所述储能体2234串联。于此实施例中，可以拓展更多的具有差异性的储能体的接入。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种基于MMC模块化多电平变换器的混合储能拓扑结构，其特征在于：包括一正桥臂和一负桥臂，所述正桥臂由功率变换子单元1至n依次串联而成，所述功率变换子单元1一端与高压直流正母线连接，所述功率变换子单元n与第一限流电抗器一端连接；所述负桥臂由功率变换子单元n+1至2n依次串联而成，所述功率变换子单元2n一端与高压直流负母线连接，所述功率变换子单元n+1与第二限流电抗器一端连接；所述每个功率变换子单元由功率变换模块、电位隔离模块和储能模块串联而成，所述第一限流电抗器另一端与所述第二限流电抗器另一端相连接入高压三相交流电网，n为正整数。
2.根据权利要求1所述的一种基于MMC模块化多电平变换器的混合储能拓扑结构，其特征在于：所述功率变换模块包括第一半桥电路和第一电容，所述第一半桥电路的直流端与所述第一电容并联；所述第一半桥电路可用一全桥电路代替。
3.根据权利要求2所述的一种基于MMC模块化多电平变换器的混合储能拓扑结构，其特征在于：所述电位隔离模块包括一原方斩波器，一高频变压器和一副方斩波器；所述原方斩波器的直流端与所述半桥或全桥电路的直流端连接；所述原方斩波器和副方斩波器的交流端分别与所述高频变压器的原方和副方连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于MMC模块化多电平变换器的混合储能拓扑结构，其特征在于：所述储能模块包括第二电容，多个第二半桥电路，多个第三电抗器和多个储能体；所述多个第二半桥电路直流端与所述第二电容并联后与所述副方斩波器的直流端连接；所述第二半桥电路的交流端与所述第三电抗器以及储能体连接；所述第三电抗器与所述储能体串联。
5.根据权利要求1所述的一种基于MMC模块化多电平变换器的混合储能拓扑结构，其特征在于：所述功率变换模块包括第一半桥电路和多个第一电容，多个所述第一电容串联后与所述第一半桥电路直流端并联；所述第一半桥电路可用一全桥电路代替。
6.根据权利要求5所述的一种基于MMC模块化多电平变换器的混合储能拓扑结构，其特征在于：所述电位隔离模块包括多个原方斩波器，多个高频变压器和多个副方斩波器；所述的多个原方斩波器的直流端分别与所述第一电容并联；所述原方斩波器和副方斩波器的交流端分别与所述高频变压器的原方和副方连接;所述多个原方斩波器的直流端级联；所述多个副方斩波器直流端并联；所述多个高频电压器可用一多绕组高频变压器代替。
7.根据权利要求3或6所述的一种基于MMC模块化多电平变换器的混合储能拓扑结构，其特征在于：所述储能模块包括第二半桥电路，第二电容，第三电抗器和储能体；所述第二半桥电路的直流输入端与所述第二电容并联后与所述副方斩波器的直流端连接；所述第二半桥电路的直流输出端与所述第三电抗器以及储能体连接；所述第三电抗器与所述储能体串联。
8.根据权利要求2或5所述的一种基于MMC模块化多电平变换器的混合储能拓扑结构，其特征在于：所述第一半桥电路包括两个绝缘栅双极型晶体管和续流二极管，所述两个绝缘栅双极型晶体管和续流二极管连接成半桥结构;所述全桥电路包括四个绝缘栅双极型晶体管和续流二极管，所述四个绝缘栅双极型晶体管和续流二极管连接成全桥结构。
9.根据权利要求4或7所述的一种基于MMC模块化多电平变换器的混合储能拓扑结构，其特征在于：所述第二半桥电路包括两个绝缘栅双极型晶体管和续流二极管，所述两个绝缘栅双极型晶体管和续流二极管连接成半桥结构。
10.根据权利要求3或6所述的一种基于MMC模块化多电平变换器的混合储能拓扑结构，其特征在于：所述原方斩波器包括四个绝缘栅双极型晶体管和续流二极管，所述四个绝缘栅双极型晶体管和续流二极管连接成全桥结构；所述副方斩波器包括四个绝缘栅双极型晶体管和续流二极管，所述四个绝缘栅双极型晶体管和续流二极管连接成全桥结构。
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