CN104917393A - 一种基于mmc技术的光伏储能一体化直流变换器结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于MMC技术的光伏储能一体化直流变换器结构，包括低压侧单相全桥电路、中频变压器和高压侧单相全桥电路。低压侧单相全桥电路包括四个桥臂电路，每个桥臂电路由多个MMC子模块电路串联组成；高压侧单相全桥电路包括四个桥臂电路，每个桥臂电路由MMC半桥电路组成。本发明所提出的基于MMC技术的光伏储能一体化直流变换器结构，适用于光伏电力通过直流输电技术向远距离输送，能够提高电网对光伏电站的消纳能力。本发明是光伏电站连接到直流输电网络的关键核心装置，运行过程中可用内部储能电池平滑光伏发电的波动性，满足了直流输电网络对光伏电站的直流高压耐压特性和功率平稳性需求，有助于实现偏远西部地区大规模新能接入直流输电网络。

Description

一种基于MMC技术的光伏储能一体化直流变换器结构

技术领域

本发明涉及光伏发电系统技术领域，具体涉及一种基于MMC技术的光伏储能一体化直流变换器结构。

背景技术

光伏发电系统具有以下两个典型特征：一、光伏发电系统的输出受光照、温度等环境因素的影响，输出功率会呈现较大的变化，特别是天气多变时，其发电功率呈现较为明显的随机性与不可控性。二、由于光伏发电系统造价相对较高，为了实现太阳能资源利用的最大化，系统多采用最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，简称MPPT)技术，并且要求电网能最大限度地吸收利用光伏电能；但是当光伏电站出现局部阴影现象时，目前采用的集中式光伏电站整体的最大功率点，远远小于每个光伏电池的最大功率点之和；这是由于集中式光伏电站的最大功率受限于串联电池的串联单个电池单元最大电流，或并联光伏电池组的最小电压。

目前，由于光伏发电系统规模相对于电网规模较小，同时也由于储能系统成本较高，光伏系统并网发电时通常不采用储能系统，这使得光伏系统对电网带来了以下不良影响：一、对线路潮流的影响。当光伏电源接入电网后，从根本上改变了系统潮流的模式且潮流变得无法预测。这种潮流的改变使得电压调整很难维持，甚至导致配电网的电压调整设备(如阶跃电压调整器、有载调压变压器、开关电容器组)出现异常响应，同时，也可能造成支路潮流越限、节点电压越限、变压器容量越限等，从而影响系统的供电可靠性。二、对系统保护的影响。当光照良好，光伏并网电站输出功率较大时，短路电流将会增大，可能会导致过流保护配合失误，而且过大的短路电流还会影响熔断器的正常工作。此外，对于配电网来说，未接入光伏发电系统之前，支路潮流一般是单向的，其保护不具有方向性，而接入光伏发电系统以后，该配电网变成了多源网络，网络潮流的流向具有不确定性。因此，必须要求增设具有方向性的保护装置。三、对电网经济性运行的影响。由于光伏电源的自身输出不稳定性，当光伏发电系统并网运行后，系统必须增加相应容量的旋转备用，以保证系统的调峰、调频能力，也就是说，光伏并网发电系统向电网供电，降低了机组利用小时数，牺牲了电网的经济性运行。并且，在分析电网的节能环保效果时，应当考虑这部分旋转备用的耗能和排放。四、对电能质量的影响。受云层遮挡的影响，光伏电源的发出功率可能在短时间内从100％降到30％以下，或由30％以下增至100％，对于大型光伏并网系统来说，会引起电压的波动与闪变或频率波动。此外，由于光伏发电系统所发出的电能为直流电，必须经过逆变装置接入电网，这一过程必将产生谐波，对电网造成影响。五、对运行调度的影响。光伏电源的输出功率直接受天气变化影响而不可控制，因此，光伏电源的可调度性也受到制约，当某个系统中光伏电源所占到一定比例后，电网运行商应认真考虑如何安全可靠地进行电力调度。另外，光伏电价与常规电价也存在着差异，如何在满足各种安全约束的条件下对电网进行经济性调度也将成为一个值得关注的问题。

中国太阳能光伏资源分布不均，其中，以西部青海、甘肃等地区日照资源相对较好。但西部电网建设相对落后，电网容量较小、网架脆弱，难以满足大规模光伏发电并网发电接入需求，在西部地区不少地方已经出现了限光抛弃风的现象，电能需要通过远距离高压输电线路向东部地区输送。由于大型光伏电站普遍在远离城市的偏远地区，采用交流输电远距离在经济上和技术上都不如直流输电。大型光伏电站发电具备间隙性、随机性和不完全可控性，接入当地交流电网将引起电网的电能质量问题，因此在电网中需要接入储能单元来消除新能的波动特质。作为接入直流输电网络的光伏储能混合直流变换器结构，它的需要接受直流输电需求，即在出口侧承受很高的直流电压，同时满足电网调度运行指令(运行模式可变，功率可以线性调度)；它还需要满足电池高效、高可靠性和易于维护的运行需求，即单元的模块化结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于模块化多电平技术的光伏储能一体化直流变换器结构，该光伏储能一体化直流变换器结构适用于光伏电力通过直流输电技术向远距离输送，能够提升电网对光伏电站的消纳能力。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于模块化多电平技术(modular multilevel converter，简称MMC)的光伏储能一体化直流变换器结构，包括低压侧单相全桥电路、变压器和高压侧单相全桥电路。低压侧单相全桥电路包括四个桥臂，每个桥臂由多个MMC子模块电路串联组成(半桥(half-bridge)或全桥(full-bridge)子模块，由所连接电源类型决定)。高压侧单相全桥电路包括四个桥臂电路，每个桥臂电路由MMC半桥电路组成。

所述高压侧单相全桥电路包括并联连接的第一高压侧桥臂电路和第二高压侧桥臂电路。所述第一高压侧桥臂电路包括对称设置的第一高压侧上桥臂电路和第一高压侧下桥臂电路。所述第二高压侧桥臂电路包括对称设置的第二高压侧上桥臂电路和第二高压侧下桥臂电路。所述第一高压侧上桥臂电路、第一高压侧下桥臂电路、第二高压侧上桥臂电路和第二高压侧下桥臂电路均由串联连接的若干个半桥电路和电感组成。第一高压侧上桥臂电路中的电感与第一高压侧下桥臂电路中的电感的连接点和变压器原边线圈的第一连接端相连。第二高压侧上桥臂电路中的电感与第二高压侧下桥臂电路的电感的连接点和变压器原边线圈的第二连接端相连。

所述低压侧单相全桥电路包括并联连接的第一低压侧桥臂电路和第二低压侧桥臂电路。所述第一低压侧桥臂电路包括第一低压侧上桥臂电路和第一低压侧下桥臂电路。所述第二低压侧桥臂电路包括对称设置的第二低压侧上桥臂电路和第二低压侧下桥臂电路。所述第一低压侧上桥臂电路由串联连接的若干个全桥电路和电感组成。所述第一低压侧下桥臂电路由串联连接的电感、若干个半桥电路和若干个全桥电路组成。所述第二低压侧上桥臂电路和第二低压侧下桥臂电路均由串联连接的若干个全桥电路、若干个半桥电路和电感组成。第一低压侧上桥臂电路中的电感与第一低压侧下桥臂电路中的电感的连接点和变压器副边线圈的第一连接端相连。第二低压侧上桥臂电路中的电感与第二低压侧下桥臂电路中的电感的连接点和变压器副边线圈的第二连接端相连。

所述的半桥电路包括两个绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，简称IGBT)和一个电容，两个IGBT串联后与电容并联。

所述的全桥电路包括四个IGBT和一个储能电池，四个IGBT两两串联后均与储能电池并联。

所述的半桥电路包括两个IGBT、LC滤波电路和光伏电池组。所述LC滤波电路包括一个电容和一个电感。两个IGBT串联后与电容并联。电容的一端经电感与光伏电池组的正极相连，另一端与光伏电池组的负极相连。

由以上技术方案可知，本发明所提出的基于MMC技术的光伏储能一体化直流变换器结构，适用于光伏电力通过直流输电技术向远距离输送，能够提升电网对光伏电站的消纳能力。本发明使得光伏电站直接应用于直流输电网络，同时运行过程中储能电池平滑光伏发电的波动性满足了直流输电网络对光伏电站的高压直流接入需求，有助于实现大规模新能接入直流输电网络。

附图说明

图1是本发明的电路原理图；

图2是其中一个桥臂电路的等效电路；

图3是变压器原副边电压波形；

图4是全桥子模块运行模式；其中，(4a)为电流正向放电通路，(4b)为电流负向放电通路，(4c)为电流正向充电通路，(4d)为电流负向充电通路。

图5是半桥子模块运行模式；其中，(5a)为半桥子模块旁路，(5b)为半桥子模块接入回路。

其中：

11、第一高压侧上桥臂电路，12、第一高压侧下桥臂电路，13、第二高压侧上桥臂电路，14、第二高压侧下桥臂电路，21、第一低压侧上桥臂电路，22、第一低压侧下桥臂电路，23、第二低压侧上桥臂电路，24、第二低压侧下桥臂电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示的一种基于MMC技术的光伏储能一体化直流变换器结构，包括高压侧单相全桥电路、变压器和低压侧单相全桥电路。

所述高压侧单相全桥电路包括并联连接的第一高压侧桥臂电路和第二高压侧桥臂电路。所述第一高压侧桥臂电路包括对称设置的第一高压侧上桥臂电路和第一高压侧下桥臂电路。所述第二高压侧桥臂电路包括对称设置的第二高压侧上桥臂电路和第二高压侧下桥臂电路。所述第一高压侧上桥臂电路、第一高压侧下桥臂电路、第二高压侧上桥臂电路和第二高压侧下桥臂电路均由串联连接的若干个半桥电路和电感组成。第一高压侧上桥臂电路中的电感与第一高压侧下桥臂电路中的电感的连接点和变压器原边线圈的第一连接端相连。第二高压侧上桥臂电路中的电感与第二高压侧下桥臂电路的电感的连接点和变压器原边线圈的第二连接端相连。

所述低压侧单相全桥电路包括并联连接的第一低压侧桥臂电路和第二低压侧桥臂电路。所述第一低压侧桥臂电路包括第一低压侧上桥臂电路和第一低压侧下桥臂电路。所述第二低压侧桥臂电路包括对称设置的第二低压侧上桥臂电路和第二低压侧下桥臂电路。所述第一低压侧上桥臂电路由串联连接的若干个全桥电路和电感组成。所述第一低压侧下桥臂电路由串联连接的电感、若干个半桥电路和若干个全桥电路组成。所述第二低压侧上桥臂电路和第二低压侧下桥臂电路均由串联连接的若干个全桥电路、若干个半桥电路和电感组成。第一低压侧上桥臂电路中的电感与第一低压侧下桥臂电路中的电感的连接点和变压器副边线圈的第一连接端相连。第二低压侧上桥臂电路中的电感与第二低压侧下桥臂电路中的电感的连接点和变压器副边线圈的第二连接端相连。

所述的半桥电路包括两个IGBT和一个电容，两个IGBT串联后与电容并联。

所述的全桥电路包括四个IGBT和一个储能电池，四个IGBT两两串联后均与储能电池并联。

所述的半桥电路包括两个IGBT、LC滤波电路和光伏电池组。所述LC滤波电路包括一个电容和一个电感。两个IGBT串联后与电容并联。电容的一端经电感与光伏电池组的正极相连，另一端与光伏电池组的负极相连。

如图2所示，桥臂电路的等效电路图，其中每个子模块串联相当于多个直流电源串联在一起。半桥子模块存在两种工作模态，投入电压为U，切除电压为0。全桥子模块有三种工作模态，其中正向投入电压为U，负向投入电压为-U，0电平投入相当电压为0。当电路中有n个子模块投入时候，相当于有多个子模块投入电路中，其输入电压为U_B

其中，U_bi为单元电池的直流电压，U_B为所有投入单元电池组的电压之，Si为单元电池组的投入状态(1表示正向投入、0表示、-1表示负向投入)，则：

$U_B=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i{U}_{\mathrm{bi}}---\left(1\right)$

流入电网的直流电流为：

$L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}=U_B-U_{\mathrm{grid}}---\left(2\right)$

如图3所示，以变换器中间变压器为边界划分，变换器左半部分控制变压器交流电压为恒频恒压。变换器拓扑主体为双向全桥变换器拓扑(Dual ActiveBridge，DAB)结构，其中低压侧采用全桥结构，高压侧采用级联模块化多电平结构，经过SPWM调制后低压侧输出电压V_AB和高压侧输出电压V_ab均为正弦波形，可以等效为两个正弦电压源，将高压侧MMC的桥臂电感折算到变压器原边，可以得到变换器交流环节的等效电路。可列出方程为

$(L_{1k}+L_p)\frac{{\mathrm{di}}_s\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+v_{\mathrm{abp}}\left(t\right){=v}_{\mathrm{AB}}\left(t\right)---\left(3\right)$

式中，L_P为MMC桥臂电感L折算到变压器原边的值：

$L_p=\frac{n^2}{2}L---\left(4\right)$

式中，n为隔离变压器的变比，n＝W_p/W_s。

可以看出本发明提出的混合型DC/DC变换器的工作原理与单相PWM电压控制型变换器是类似的，工作原理如图3、4所示。V_abp滞后V_AB的相位为σ角度，可以得到VAB吸收的功率为：

$P=\frac{v_{\mathrm{AB}}^2}{W(L_p+L_{1k})}+\frac{v_{\mathrm{AB}}{v}_{\mathrm{abp}}\cos (\mathrm{\σ}+90)}{W(L_p+L_{1k})}---\left(5\right)$

从上面的公式可以看出通过调节低压侧输出电压V_AB和高压侧输出电压V_abp的相位差与各自的幅值可以控制功率的流动方向和大小。

如图4所示，全桥子模块的工作模态共用四种，根据功率器件开关模式不同，其输出电压分别U，0，-U。当功率器件S1和S4导通时，全桥子模块输出电压为U。当功率器件S2和S3导通时，全桥子模块输出电压为-U。当S1和S3导通或S2和S4导通时，全桥子模块输出电压为0。

如图5所示，半桥子模块根据功率器件开关状态的不同，共有两种工作模态。当功率器件S1导通，S2关断时，输出电压为U。当功率器件S1关断，S2导通时，输出电压为0。

本发明的工作原理为：

光伏及储能电池通过MMC子模块串联接入电路中。其中光伏电池接入子模块为半桥结构，储能电池接入子模块为全桥结构。光伏电池连接子模块的电压根据光伏电池最大功率追踪算法来确定。储能电池根据全桥子模块的工作模态，来确定电池的充电或放电模态。如图3公式所示，通过控制单相全桥输出电压超前或者高压侧电压来确定装置向直流电网输送功率。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于MMC技术的光伏储能一体化直流变换器结构，其特征在于：包括低压侧单相全桥电路、中频变压器和高压侧单相全桥电路；

所述高压侧单相全桥电路包括并联连接的第一高压侧桥臂电路和第二高压侧桥臂电路；所述第一高压侧桥臂电路包括对称设置的第一高压侧上桥臂电路和第一高压侧下桥臂电路；所述第二高压侧桥臂电路包括对称设置的第二高压侧上桥臂电路和第二高压侧下桥臂电路；所述第一高压侧上桥臂电路、第一高压侧下桥臂电路、第二高压侧上桥臂电路和第二高压侧下桥臂电路均由串联连接的若干个半桥电路和电感组成；第一高压侧上桥臂电路中的电感与第一高压侧下桥臂电路中的电感的连接点和中频变压器原边线圈的第一连接端相连；第二高压侧上桥臂电路中的电感与第二高压侧下桥臂电路的电感的连接点和中频变压器原边线圈的第二连接端相连；

所述低压侧单相全桥电路包括并联连接的第一低压侧桥臂电路和第二低压侧桥臂电路；所述第一低压侧桥臂电路包括第一低压侧上桥臂电路和第一低压侧下桥臂电路；所述第二低压侧桥臂电路包括对称设置的第二低压侧上桥臂电路和第二低压侧下桥臂电路；所述第一低压侧上桥臂电路由串联连接的若干个全桥电路和电感组成；所述第一低压侧下桥臂电路由串联连接的电感、若干个半桥电路和若干个全桥电路组成；所述第二低压侧上桥臂电路和第二低压侧下桥臂电路均由串联连接的若干个全桥电路、若干个半桥电路和电感组成；第一低压侧上桥臂电路中的电感与第一低压侧下桥臂电路中的电感的连接点和中频变压器副边线圈的第一连接端相连；第二低压侧上桥臂电路中的电感与第二低压侧下桥臂电路中的电感的连接点和中频变压器副边线圈的第二连接端相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于MMC的光伏储能一体化直流变换器结构，其特征在于：所述的半桥电路包括两个绝缘栅双极型晶体管和一个电容，两个绝缘栅双极型晶体管串联后与电容并联。

3.根据权利要求1所述的一种基于MMC技术的光伏储能一体化直流变换器结构，其特征在于：所述的全桥电路包括四个绝缘栅双极型晶体管和一个储能电池，四个绝缘栅双极型晶体管两两串联后再与储能电池并联。

4.根据权利要求1所述的一种基于MMC的光伏储能一体化直流变换器结构，其特征在于：所述的半桥电路包括两个绝缘栅双极型晶体管、LC滤波电路和光伏电池组；所述LC滤波电路包括一个电容和一个电感；两个绝缘栅双极型晶体管串联后与电容并联；电容的一端经电感与光伏电池组的正极相连，另一端与光伏电池组的负极相连。