CN104518518A - 一种基于mmc拓扑结构的混合储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MMC拓扑结构的混合储能系统，包括若干个化学储能电池、若干个电容器和基于MMC拓扑结构的变换器，单个的化学储能电池和电容器分别通过子模块与变换器相连，且子模块的一端与化学储能电池或电容器相连，另一端串联在变换器中。优选，所述子模块是由两个全控型功率元器件和一个电容组成的半桥子模块，两个全控型功率元器件串联后与电容并联。优选，所述子模块是由四个全控型功率元器件和一个电容组成的全桥子模块，四个全控型功率元器件两两串联后均与电容并联。本发明的直流潮流器电路结构简单、扩展方便、无需低频隔离变压器，通过简单的控制方法即可实现单个储能单元的功率控制，提高了整个储能系统的可靠性和冗余性。

Description

一种基于MMC拓扑结构的混合储能系统

技术领域

本发明涉及一种基于MMC拓扑结构的混合储能系统。

背景技术

随着分布式新能源并网发电的日益普及，分布式发电容量在整个电力系统中所占的比重将越来越大。但风能、太阳能等各种分布式发电是一种间歇性能源，受气候和环境的影响严重，输出功率具有不稳定性和不完全可控性。大规模分布式并网装置的投入，对电力系统的电能质量、稳定性和安全运行都将造成无法忽略的影响。因此,分布式发电系统接入电网，需要配置一定容量的储能系统，以确保其供电的持续性和可靠性。

目前，国内外专家学者提出如图1-图4所示的几种方式混合储能系统拓扑结构。这几种方案的电路结构需要直流变换器，来控制所连储能单元吸收或释放功率。其中，图2-图4的缺点也很明显，增加了双向直流变换器，降低了系统效率，增加系统控制复杂程度。上述几种变换器在用于高压大容量配电网中，都需要用低频高压隔离变压器进行电压升压隔离。

高压直流输电远距离输电相对于高压交流，具有传输距离远、传输效率高和无线路无功损耗等优点，是解决我国目前面临的大规模可再生能源并网的重要技术手段之一。相对于高压大功率场合的两电平或三电平的VSC拓扑存在技术难度大、开关频率和损耗较高、输出波形质量不佳的缺点，专家学者提出了模块化多电平换流器拓扑技术（MMC），在高压直流输电系统中有广泛的应用前景。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基于MMC拓扑结构的混合储能系统，系统内部子模块单个电压等级低、功率等级小，无需外部电源来为可调电压源提供功率或吸收其功率，无需低频高压隔离变压器进行电压隔离。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于MMC拓扑结构的混合储能系统，其特征在于，包括若干个化学储能电池、若干个电容器和基于MMC拓扑结构的变换器，单个的化学储能电池和电容器分别通过子模块与变换器相连，且子模块的一端与化学储能电池或电容器相连，另一端串联在变换器中。

优选，所述子模块是由两个全控型功率元器件和一个电容组成的半桥子模块，两个全控型功率元器件串联后与电容并联。

优选，所述子模块是由四个全控型功率元器件和一个电容组成的全桥子模块，四个全控型功率元器件两两串联后均与电容并联。

整个储能系统可以直接连到高压交流配电网，可以响应调度功率指令，既可以输出有功，也可以输出无功补偿系统电压跌落。系统内部储能单元可以单独工作在吸收功率或者发出功率状态。系统的结构简单、转换效率高、无需低频隔离变压器以及辅助供电电源，适用于中高压配电网场合。

本发明的有益效果是：与传统的混合储能系统相比，本发明的直流潮流器电路结构简单、扩展方便、无需低频隔离变压器，通过简单的控制方法即可实现单个储能单元的功率控制，提高了整个储能系统的可靠性和冗余性。

附图说明

图1是储能电池和超级电容直接串联的结构示意图；

图2是储能电池和超级电容中间通过双向直流变换器串联的结构示意图；

图3是储能电池和超级电容通过双向直流变换器并联的结构示意图；

图4是储能电池和超级电容中间通过双向直流变换器串联的结构示意图；

图5是本发明一种基于MMC拓扑结构的混合储能系统的结构示意图；

图6是本发明子模块实施例一的结构示意图；

图7是本发明子模块实施例二的结构示意图；

图8是本发明子模块的控制策略框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

一种基于MMC拓扑结构的混合储能系统，如图5所示，包括若干个化学储能电池、若干个电容器和基于MMC拓扑结构的变换器，单个的化学储能电池和电容器分别通过子模块与变换器相连，需说明的是，子模块是变换器内的一个子部件，子模块的一端与化学储能电池或电容器相连，另一端串联在变换器中。多个子模块串联共同构成变换器的一相桥臂。变换器单元的输出功率幅值较低，且功率能够双向流动。

MMC具有许多适用于高压大功率应用场合的结构和输出特征：

(1)高度模块化的结构有利于缩短工程设计和加工周期，便于系统维护和易于冗余工作设计；

(2)不平衡运行能力：由于MMC各相桥臂的工作原理完全相同，且均可独立控制，当交流输入电压不平衡或者发生局部故障时MMC仍能可靠运行；

（3）故障穿越和恢复能力：MMC具有良好的故障穿越能力，这是因为MMC的直流储能量大，网侧发生故障时，功率单元不会放电，公共直流母线电压仍然连续，不仅保障了 MMC的稳定运行，并可在较短的时间内从故障状态恢复；

(4)和传统的两电平电压型变换器(Voltage Sourced Converter, VSC)不连续的“斩波”波形不同，MMC的桥臂电流是连续的，且脉动频率较高，能显著降低对交流输出滤波电感的要求。

其中，子模块可以控制功率大小，并且功率是双向流动的。子模块的结构可以如图6所示，即子模块是由四个全控型功率元器件（S₁ 、S₂ 、S₃和S₄）和一个电容Ca组成的全桥子模块，四个全控型功率元器件两两串联后均与电容并联。

图7是子模块的另一种结构，即子模块是由两个全控型功率元器件S₁和一个电容Ca组成的半桥子模块，两个全控型功率元器件串联后与电容并联，具有电压等级变换和功率双向流动的作用，其具体连接关系见图5所示，其中图5的右半部分（即右侧箭头所指的两个部分），是箭头左侧虚线部分内的放大图。

并离网变换器整机向电网输出功率，分配每个子模块所连接的储能单元，起到混合储能系统调节配电网有功和无功功率的作用。

上述混合储能系统的各个器件均是可以灵活应用的，比如，化学储能电池是铅酸电池、锂电池或钒电池的一种或组合；电容器是电解电容、薄膜电容或超级电容的一种或组合，优选是超级电容；变换器是交流三相变换器、交流单相变换器或直流/直流变换器等。

可以接入任意个数的储能单元，并且储能单元可以是储能电池或电容等不同类型的储能单元。可以对每个储能单元单独控制。储能单元既可以工作在充电状态，也可以工作在放电状态。储能单元之间可以相互交换能量……可以控制整个系统的功率，也可以控制单元储能单元功率，还可以让单个子模块工作时投入或者退出。

子模块过使用脉冲调试方式（PWM）来控制传递功率的大小和方向，如图8所述：子模块接受上层功率调度指令I ₂₃，与给定的参考电流I _ref相减，所得差值经过PI环节和延迟环节后作为电压参考值，与采集的可调电压源电压V _x相减，所得差值再经过PI环节后得到子模块的控制量，由控制量产生功率模块的驱动信号。

传统化学储能电池功率密度小、能量密度大，能存储大量能量，可以平滑地吸收功率的低频波动部分；超级电容功率密度大，充放电速度快可以快速吸收功率的高频波动部分，基于此原理来保证交流母线电压幅值和频率的稳定。与传统的混合储能系统相比，本发明的直流潮流器电路结构简单、扩展方便、无需低频隔离变压器，通过简单的控制方法即可实现单个储能单元的功率控制，提高了整个储能系统的可靠性和冗余性。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于MMC拓扑结构的混合储能系统，其特征在于，包括若干个化学储能电池、若干个电容器和基于MMC拓扑结构的变换器，单个的化学储能电池和电容器分别通过子模块与变换器相连，且子模块的一端与化学储能电池或电容器相连，另一端串联在变换器中。

2.根据权利要求1所述的一种基于MMC拓扑结构的混合储能系统，其特征在于，所述子模块是由两个全控型功率元器件和一个电容组成的半桥子模块，两个全控型功率元器件串联后与电容并联。

3.根据权利要求1所述的一种基于MMC拓扑结构的混合储能系统，其特征在于，所述子模块是由四个全控型功率元器件和一个电容组成的全桥子模块，四个全控型功率元器件两两串联后均与电容并联。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于MMC拓扑结构的混合储能系统，其特征在于，所述化学储能电池是铅酸电池、锂电池或钒电池的一种或组合。

5.根据权利要求2或3所述的一种基于MMC拓扑结构的混合储能系统，其特征在于，所述电容器是电解电容、薄膜电容或超级电容的一种或组合。

6.根据权利要求2或3所述的一种基于MMC拓扑结构的混合储能系统，其特征在于，所述变换器是交流三相变换器、交流单相变换器或直流/直流变换器。