CN106026686A - 一种集成储能系统的电力电子变压器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种集成储能系统的电力电子变压器，包括AC/DC整流器、DC/AC变流器、隔离变压器、AC/DC变流器、DC/AC逆变器、储能系统，DC/AC变流器和AC/DC变流器之间采用隔离变压器连接，AC/DC整流器和DC/AC变流器的直流侧通过直流电容并联，AC/DC变流器的直流侧和DC/AC逆变器通过直流电容并联，AC/DC变流器的直流侧和储能系统通过直流电容并联。本发明中，储能系统通过高频变压器与高压电网及低压输出之间实现电能多向传递，避免储能系统不稳定对输出造成影响。采用多绕组结构的高频变压器实现三相互平衡；储能系统控制简单，避免储能系统需要额外的控制器。

Description

一种集成储能系统的电力电子变压器

技术领域

本发明涉及电力电子变压器领域，尤其涉及一种集成储能系统的电力电子变压器。

背景技术

随着负荷的增长，可再生能源渗透率不断提高和负载侧的分布式电源接入，传统的电力变压器越来越不能满足未来智能电网的要求。电力电子变压器(Power ElectronicTransformer,PET)，也被称为固态变压器(Solid-state Transformer,SST)，是由美国未来可再生能源传输与管理中心提出实现智能电网的关键技术。其主要利用了变流器的控制灵活与高频变压器轻小，效率高的优点。电力电子变压器不仅能实现传统变压器的电压变换，能量传递功能，更能实现电能质量控制，功率因数调节及功率潮流控制，且能方便提供多类电压等级的交直流接口，方便分布式电源的接入。但是对于电压中断及深度电压跌落问题，若没有额外的储能技术支持，电力电子变压器是无能为力的。针对电力电子变压器的储能需求，国内外已经展开了研究。现有的技术方案主要为利用电力电子变压器的低压直流母线，在母线上接入储能系统，储能系统与母线之间使用DC/DC功率变换电路，进行相应的控制，实现储能系统与直流母线之间的充放电。这种方案中，储能系统与低压侧直流电压直接相连，与输出之间不存在隔离，控制复杂，容易造成直流电压的波动。

发明内容

本发明提出一种集成了储能系统的电力电子变压器，各H桥模块、负载、储能系统，通过高频变压器隔离，实现能量的多方向流动。能够保证系统故障状态下的负载供电，提高供电效率。

本发明的技术方案提供一种集成储能系统的电力电子变压器，包括AC/DC整流器、DC/AC变流器、隔离变压器、AC/DC变流器、DC/AC逆变器、储能系统，DC/AC变流器和AC/DC变流器之间采用隔离变压器连接，AC/DC整流器和DC/AC变流器的直流侧通过直流电容并联，AC/DC变流器的直流侧和DC/AC逆变器通过直流电容并联，AC/DC变流器的直流侧和储能系统通过直流电容并联；高压输出端的工频交流电经AC/DC整流器整流为第一级直流电压，第一级直流电压经DC/AC变流器转换为第一级高频方波信号，第一级的高频方波信号由隔离变压器转换为第二级高频方波信号，再通过AC/DC变流器整流成第二级直流电压，最后通过DC/AC逆变器输出三相工频交流电；储能系统提供直流电压，经AC/DC变流器处反向DC/AC变流转换为高频方波信号，通过隔离变压器接入电力电子变压器系统。

而且，AC/DC整流器采用级联H桥整流结构。

而且，所述隔离变压器采用多绕组同铁芯结构。

而且，DC/AC变流器与AC/DC变流器分别采用单相全桥变换器模块，设有n个单相全桥变换器模块，提供n个端口，通过n绕组的隔离变压器实现电磁耦合。

而且，设端口j为送电端，端口k为受电端，j＝1,2...,n，k＝1,2...,n，j≠k，各端口之间能量流动根据下式通过移相调制实现，

$P_{jk}=\frac{{u_j}^{\′}{u}_{THk}}{2{\mathrm{\πf}}_s({L_j}^{\′}+L_{THj})}{\mathrm{\φ}}_{jk}(1-\frac{\left|{\mathrm{\φ}}_{jk}\right|}{\mathrm{\π}})$

其中，P_jk为端口j与端口k之间传递的能量，u_j'表示端口j逆变器输出电压u_j折算到变压器一次侧的等效电压，L_j'表示电感L_j折算到变压器一次侧的等效电感，u_THk为戴维南等效交流电压，L_THj为戴维南等效电感，参数φ_jk＝φ_j-φ_k，φ_j和φ_k为相应单相全桥变换器模块调制的移相角，f_s为开关频率。

而且，移相调制的实现方式为，通过检测储能系统输出的直流电压与电流计算输出的功率P，与预设的功率参考值P_ref相减，通过PI控制计算移相角，通过载波调制输出PWM信号控制储能系统的DC/AC变换器。

本发明提出一种带储能系统的电力电子变压器，储能系统通过高频变压器接入电力电子变压器，为实现输入侧输出侧及储能系统相互隔离，采用多绕组高频变压器，不同电压等级的储能系统及其他分布式电源可通过调节高频变压器的变比接入，易于各种电压等级的新能源接入。

本发明的优点在于：储能系统通过高频变压器与高压电网及低压输出之间实现电能多向传递，避免储能系统不稳定对输出造成影响。采用多绕组结构的高频变压器实现三相互平衡；储能系统控制简单，避免储能系统需要额外的控制器。

附图说明

图1是本发明实施例过高频变压器集成储能系统的电力电子变压器结构图；

图2是本发明实施例的集成储能系统的电力电子变压器电路拓扑图；

图3是本发明实施例的电力电子变压器DC/DC隔离环节电路拓扑图；

图4是本发明实施例的电力电子变压器DC/DC隔离环节等效电路图；

图5是本发明实施例的电力电子变压器DC/DC隔离环节两个端口之间的等效电路图；

图6是本发明实施例集成在电力电子变压器的储能系统控制电路示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明专利作进一步说明。

本发明提供一种集成储能系统的电力电子变压器，所述电力电子变压器包括高压输入级，隔离级，低压输出级，储能系统，系统结构为AC/DC/DC/AC方式。在高压交流电网输入级采用级联H桥的拓扑结构。电网交流电压经AC/DC变换器整流成直流电压，中间的DC/DC变换器采用高频调制，将直流电压通过DC/AC变换器转换为高频方波信号，通过高频变压器传递，通过AC/DC变换器整流成低压侧直流母线上的电压，有效降低变压器体积和重量。高频变压器采用多绕组结构，储能系统通过高频隔离变压器与电力电子变压器进行电能传递。低压直流母线的电压经DC/AC逆变器变换为工频交流输出。

如图1所示，本发明的电力电子变压器包括AC/DC整流器、DC/AC变流器、隔离变压器(也可称为高频变压器)、AC/DC变流器、DC/AC逆变器、储能系统，DC/AC变流器和AC/DC变流器之间采用隔离变压器连接，AC/DC整流器和DC/AC变流器的直流侧通过直流电容并联，AC/DC变流器的直流侧和DC/AC逆变器通过直流电容并联，AC/DC变流器的直流侧和储能系统通过直流电容并联；高压输出端的高压工频交流电经所述AC/DC整流器整流为第一级直流电压，体现在直流电容上，电容上的直流电压经隔离级的DC/AC变流器转换为第一级高频方波信号(一般频率大于10kHz)，第一级的高频方波信号由隔离变压器传递能量与变换电压等级转换为第二级高频方波信号，再通过AC/DC变流器整流成第二级直流电压，最后通过低压输出级的DC/AC逆变器输出三相工频交流电。储能系统提供直流电压，经AC/DC变流器处反向DC/AC变流转换为高频方波信号，通过隔离变压器接入电力电子变压器系统。储能系统中包括DC/AC变换器，通过DC/AC变换器实现能量传递。

如图2所示，高压输入级的AC/DC整流器采用级联H桥整流结构，以提高电力电子变压器输入侧的电压等级，具体实施时，级联H桥数目可取决于电网电压等级和选取的功率器件耐压耐流水平。其中，子单元B与子单元C即B相输入结构、C相输入结构的简略表达，内部结构与A相输入结构完全一致。

如图2所示，所述隔离变压器采用多绕组同铁芯结构，实现高压输入侧、储能系统侧与低压输出侧的相互连接，各电压等级电路通过调整变压器变比实现互联。全桥变换器包括DC/AC变流器与AC/DC变流器，若有n个单相全桥变换器模块，就有n个端口，通过n绕组的隔离变压器实现电磁耦合实现电能传递。

如图3所示，n个全桥变换模块与n绕组隔离变压器，各端口之间能量流动通过移相调制实现，即控制各全桥逆变器输出的方波电压之间的相位角关系。任意两端口j、k之间的能量传递可表示为P_jk：

$P_{jk}=\frac{{V_j}^{\′}{V_k}^{\′}}{2{\mathrm{\πf}}_s{L}_{jk}}{\mathrm{\φ}}_{jk}(1-\frac{\left|{\mathrm{\φ}}_{jk}\right|}{\mathrm{\π}}),---\left(1\right)$

其中，j＝1,2...,n，k＝1,2...,n，j≠k；参数φ_jk＝φ_j-φ_k，φ_j和φ_k为相应单相全桥变换器模块调制的移相角。V_j'与V_k'为端口j与端口k的直流电压转换到端口1的等效电压。f_s为开关频率。L_jk为端口j与端口k之间的等效电感。

如图3所示为DC/DC带n绕组变压器隔离模块的电路图。端口j直流侧电压为V_j，逆变器输出的电压记为u_j，电感记为L_j，表示的是电路上的电感与变压器的漏感；i_j为端口j上流过的电流；i_Lj为电感L_j上流过的电流，j＝1,2...,n。

如图4所示为隔离变压器等效电路，L_m为励磁电感。所有电压，电流与电感值都已等效到端口1。用N_j表示端口j绕组匝数，则：

${u_j}^{\′}=\frac{N_1}{N_j}{u}_j,{i_{Lj}}^{\′}=\frac{N_j}{N_1}{i}_{Lj},{L_j}^{\′}={\left(\frac{N_1}{N_j}\right)}^2{L}_j---\left(2\right)$

其中，u_j'表示端口j逆变器输出电压u_j折算到变压器一次侧的等效电压；i_Lj'表示i_Lj折算到变压器一次侧的等效电流；L_j'表示电感L_j折算到变压器一次侧的等效电感。

若端口j为送电端，端口k为受电端，j≠k，则可得出戴维南等效电路如图5所示。戴维南等效电感L_THj定义为：

$L_{THj}={(\frac{1}{L_m}+\underset{k\≠j}{\overset{n}{\Σ}}\frac{1}{{L_k}^{\′}})}^{-1}---\left(3\right)$

其中，j＝1,2...,n，k＝1,2...,n，j≠k。

同样，戴维南等效交流电压u_THk定义为：

$u_{THk}=\frac{{(\frac{1}{L_m}+\underset{i\≠j,k}{\overset{n}{\Σ}}\frac{1}{{L_l}^{\′}})}^{-1}}{{L_k}^{\′}+{(\frac{1}{L_m}+\underset{i\≠j,k}{\overset{n}{\Σ}}\frac{1}{{L_l}^{\′}})}^{-1}}{u_k}^{\′}---\left(4\right)$

其中，l＝1,2...,n，j＝1,2...,n，k＝1,2...,n，l≠j，l≠k；u_k'表示端口k逆变器输出电压u_k折算到变压器一次侧的等效电压；i_Lk'表示i_Lk折算到变压器一次侧的等效电流；L_k'表示电感L_k折算到变压器一次侧的等效电感；L_l'表示电感L_l折算到变压器一次侧的等效电感。

则端口j与端口k之间传递的能量P_jk可以表示为：

$P_{jk}=\frac{{u_j}^{\′}{u}_{THk}}{2{\mathrm{\πf}}_s({L_j}^{\′}+L_{THj})}{\mathrm{\φ}}_{jk}(1-\frac{\left|{\mathrm{\φ}}_{jk}\right|}{\mathrm{\π}})---\left(5\right)$

从式(5)看出，通过控制两变流器调制的移相角，即可控制该端口传递的能量。在本发明中，所有高压输入的H桥模块采用相同的调制，避免相互之间能量传递引起电压不平衡，因此可以等效为一个模块。与一般的电力电子变压器相比，在控制上仅增加了储能系统的输入输出功率控制。

如图6所示，通过检测储能系统输出的直流电压与电流计算输出的功率P，与功率参考值P_ref相减，根据式(5)通过PI控制(比例积分控制)计算移相角，通过载波调制输出PWM信号控制储能系统的DC/AC变换器，可以实现能量的多向流动。

以上实施例仅供说明本发明专利之用，而非对本发明专利的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明专利的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明专利的范畴之内，应由各权利要求限定。

Claims (6)

1.一种集成储能系统的电力电子变压器，其特征在于：包括AC/DC整流器、DC/AC变流器、隔离变压器、AC/DC变流器、DC/AC逆变器、储能系统，DC/AC变流器和AC/DC变流器之间采用隔离变压器连接，AC/DC整流器和DC/AC变流器的直流侧通过直流电容并联，AC/DC变流器的直流侧和DC/AC逆变器通过直流电容并联，AC/DC变流器的直流侧和储能系统通过直流电容并联；高压输出端的工频交流电经AC/DC整流器整流为第一级直流电压，第一级直流电压经DC/AC变流器转换为第一级高频方波信号，第一级的高频方波信号由隔离变压器转换为第二级高频方波信号，再通过AC/DC变流器整流成第二级直流电压，最后通过DC/AC逆变器输出三相工频交流电；储能系统提供直流电压，经AC/DC变流器处反向DC/AC变流转换为高频方波信号，通过隔离变压器接入电力电子变压器系统。

2.根据权利要求1的一种集成储能系统的电力电子变压器，其特征在于：AC/DC整流器采用级联H桥整流结构。

3.根据权利要求1的一种集成储能系统的电力电子变压器，其特征在于：所述隔离变压器采用多绕组同铁芯结构。

4.根据权利要求3的一种集成储能系统的电力电子变压器，其特征在于：DC/AC变流器与AC/DC变流器分别采用单相全桥变换器模块，设有n个单相全桥变换器模块，提供n个端口，通过n绕组的隔离变压器实现电磁耦合。

5.根据权利要求4的一种集成储能系统的电力电子变压器，其特征在于：设端口j为送电端，端口k为受电端，j＝1,2...,n，k＝1,2...,n，j≠k，各端口之间能量流动根据下式通过移相调制实现，

$P_{jk}=\frac{{u_j}^{\′}{u}_{THk}}{2{\mathrm{\πf}}_s({L_j}^{\′}+L_{THj})}{\mathrm{\φ}}_{jk}(1-\frac{\left|{\mathrm{\φ}}_{jk}\right|}{\mathrm{\π}})$

其中，P_jk为端口j与端口k之间传递的能量，u_j'表示端口j逆变器输出电压u_j折算到变压器一次侧的等效电压，L_j'表示电感L_j折算到变压器一次侧的等效电感，u_THk为戴维南等效交流电压，L_THj为戴维南等效电感，参数φ_jk＝φ_j-φ_k，φ_j和φ_k为相应单相全桥变换器模块调制的移相角，f_s为开关频率。

6.根据权利要求5的一种集成储能系统的电力电子变压器，其特征在于：移相调制的实现方式为，通过检测储能系统输出的直流电压与电流计算输出的功率P，与预设的功率参考值P_ref相减，通过PI控制计算移相角，通过载波调制输出PWM信号控制储能系统的DC/AC变换器。