CN106208396B - 一种基于mmc拓扑的分散式混合储能与电力补偿系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于MMC拓扑的分散式混合储能与电力补偿系统，采用单星型拓扑结构，子模块包括储能介质部分和功率级部分；储能介质部分由至少一个储能电池和一个电容器组成，电池和电容经功率级不同端口接入主电路回路；功率级部分包括由功率开关和功率二极管组成的桥臂模块结构或T型模块结构。该系统在不显著增加子模块数量的基础上，无需使用大电流功率电抗器，对子模块功率级进行复用，将储能电池和电容器两种储能介质分散分配到各个子模块中，方便对各个储能介质进行功率平衡，且多介质的协同工作，有助于储能技术在寿命、响应速度、转换效率等多维度上取得技术经济性兼顾与优化。

Description

一种基于MMC拓扑的分散式混合储能与电力补偿系统
技术领域
本发明属于电力电子系统技术领域，具体涉及一种基于MMC拓扑的分散式混合储能与电力补偿系统。
背景技术
随着分布式新能源技术的发展和普及，电力系统逐步展现拓扑网状化、电源与负荷的分散化的趋势。这要求成熟、先进的电力电子化交流补偿设备确保系统安全、稳定与性能。
风能、太阳能等分布式发电方式受环境及气候影响大，输出功率不稳定且不完全可控。但在电力系统的传统概念当中，电能为即发即用，不能存储，必须及时消耗、对发电功率及负载消耗功率进行实时平衡。分布式发电接入电网后，其不稳定性和不完全可控性将导致电力系统严重的电能质量问题、稳定性问题和安全运行问题。如果电能能够存储，打破所谓功率平衡的局限，那么传统电力生产、传输与分配方式都会产生革命性变化。电力储能技术与具备有功输出能力的补偿装置可能会是电力系统未来的发展方向之一。
混合储能模式采用多介质协同，使得各介质工作在其最适工作模式，如电池功率密度小、能量密度大，适合处理低频大功率流动，电容功率密度大，能量密度小，适合处理高频小功率流动。多介质的协同工作非常有助于现有储能技术在寿命、响应速度、转换效率等多维度上取得技术经济性兼顾与优化。
对于电力系统而言，一般需要高压大容量的储能和电力补偿装置。而在高压大容量电力补偿装置和电力储能变流器中采用模块化多电平变换器(MMC)技术，则具有技术上的必然性。MMC拓扑相对于传统的两电平、三电平等多电平VSC拓扑，具有技术难度小、开关频率和损耗小、输出波形质量高，可以省去工频滤波器等优势，在高压输电领域有广泛的应用前景。
中高压电网如果使用超长串联单元数的高压集中式储能方案，需要将大量储能元件进行串并联，随着元件数量的增加，元件间的平衡问题日益严重，可靠性可维护性差，缺乏技术可行性，将其拆分为短组串的分散式储能在监控、运行、维护上更具可操作性。
因此，将分散式混合储能与三相交流补偿装置结合，采用MMC技术的适用于配电网以上电压/功率等级的无变压器并网装置，其电路结构是本申请专利着眼的技术领域。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种基于MMC拓扑的分散式混合储能与电力补偿系统，能够实现各模块的均衡储能和电力补偿。
一种基于MMC拓扑的分散式混合储能与电力补偿系统，采用单星型拓扑结构，子模块包括储能介质部分和功率级部分；所述的储能介质部分由至少一个储能电池和一个电容器组成，电池和电容经功率级不同端口接入主电路回路；所述的功率级部分包括由功率开关和功率二极管组成的桥臂模块结构或T型模块结构。
根据需要，可以将若干个储能电池串联或并联后，替换单个的电池；将若干个电容器串联或并联后，替换单个的电容器。
所述的储能电池为任一类型的储能电池；
所述的电容器为任一类型的电容器；
所述的子模块的功率级可等效为单刀三掷开关，其原理性拓扑如图1所示，拓扑可理解为一个单刀三掷开关、电池以及电容的组合。
优选地，所述的桥臂模块结构是由常见的逆导功率开关和两个功率二极管构成；
优选地，所述的逆导功率开关可以为绝缘栅极双极性晶体管(IGBT)；
普通的IGBT是具有反向阻断能力的，通常反并续流二极管构成逆导开关。这里的IGBT是已经内部加上反并二极管的；
在桥臂模块结构中，IGBT Sc1集电极与IGBT Sb1发射极、IGBT Sc2发射极、IGBT Sb2集电极相连；IGBT Sc1发射极与二极管Dc1阳极相连，二极管Dc1阴极与二极管Dc2阳极相连，二极管Dc2阴极与IGBT Sc2集电极相连；IGBT Sc1、二极管Dc1、IGBT Sc2以及二极管Dc2共同构成了一个双向开关；其中二极管Dc1阴极与二极管Dc2阳极连接处为双向开关一端，IGBT Sc2发射极与IGBT Sb2集电极连接处为双向开关另一端；
在桥臂模块结构的子模块中，IGBT Sb1集电极与储能电池正极相连，IGBT Sb1发射极同时与双向开关一端、IGBT Sb2集电极以及子模块正输出端相连，双向开关另一端与电容器正极相连，IGBT Sb2发射极同时与储能电池负极、电容器负极以及子模块负输出端相连。该桥臂模块结构的子模块采用常用功率器件，便于采购、安装、制作。
桥臂模块结构的子模块工作状态：
当IGBT Sb1导通，其他IGBT关断时，电池接入主电路；
当IGBT Sc1和IGBT Sc2同时导通，其他IGBT关断时，电容接入主电路；
当IGBT Sb2导通，其他IGBT关断时，该子模块被旁路，即电池与电容皆不接入主电路；
当所有IGBT均关断时，认为闭锁该子模块；
任意时刻桥臂模块结构的子模块仅会处于以上四种工作状态中的一种。
优选地，所述的T型模块结构由若干功率开关组成；
优选地，所述的功率开关可以为IGBT；
在T型模块结构中，逆阻型IGBT Sc1发射极与逆阻型IGBT Sc2集电极相连，逆阻型IGBT Sc1集电极与逆阻型IGBT Sc2发射极相连，共同构成了一个双向开关；
该T型模块集成度较高，可获得集成模块。
在T型模块结构的子模块中，IGBT Sb1集电极与储能电池正极相连，IGBT Sb1发射极同时与双向开关一端、IGBT Sb2集电极以及子模块正输出端相连，双向开关另一端与电容器正极相连，IGBT Sb2发射极同时与储能电池负极、电容器负极以及子模块负输出端相连。
T型模块结构的子模块工作状态：
当IGBT Sb1导通，其他IGBT关断时，电池接入主电路；
当逆阻型IGBT Sc1和逆阻型IGBT Sc2同时导通，其他IGBT关断时，电容接入主电路；
当IGBT Sb2导通，其他IGBT关断时，该子模块被旁路，即电池与电容皆不接入主电路；
当所有IGBT均关断时，认为闭锁该子模块；
任意时刻T型模块结构的子模块仅会处于以上四种工作状态中的一种。
上述的IGBT可以替换为逆导型门极换流晶闸管(RC-GCT)、金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、集成门极换流晶闸管(IGCT)反并续流二极管等。
以上结构可以根据需要实时选择、快速切换、控制子模块输出电流流经不同的储能介质或者是被旁路，实际上是一种简单复用的单极性输出子模块结构。在该结构中，电池工作电压必须高于超级电容，这符合降低储能单元串联数、超级电容工作电压波动大的工况需求。
通过脉冲调制方式，可以灵活控制每个子模块单元，控制子模块间的能量流动，重新分配各子模块能量，可以控制系统的输入输出功率，控制能量流向。
储能电池功率密度小、能量密度大，适合处理低频大功率流动，电容器功率密度大，能量密度小，适合处理高频小功率流动。
通过控制系统输入电流控制电网输入系统的无功和有功功率，使用储能电池进行储能和低频无功补偿，使用电容器进行高频无功补偿。
多介质的协同工作非常有助于现有储能技术在寿命、响应速度、转换效率等多维度上取得技术经济性兼顾与优化。
该系统在不显著增加子模块数量的基础上，相对于传统的应用于电池储能的两级结构MMC子模块，无需加入DCDC环节，使用大电流功率电抗器，对子模块功率级进行复用，将储能电池和电容器两种储能介质分散分配到各个子模块中，方便对各个储能介质进行功率平衡，单个子模块电压等级低，功率等级小。
附图说明
图1是子模块结构的原理性示意图；
图2是桥臂模块结构示意图；
图3是T型模块结构示意图；
图4是桥臂模块结构的子模块示意图；
图5是T型模块结构的子模块示意图；
图6是本发明系统的总体结构示意图。
具体实施方式
为了便于本领域的技术人员能够更好地理解本发明并予以实施，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明，但本发明并不限于本实施例。
实施例1
如图6所示，基于MMC拓扑的分散式混合储能与电力补偿系统，采用单星型拓扑结构，变换器与子模块串联于电路中，其子模块采用T型模块结构的子模块。
该子模块的介质储能部分采用一个铅蓄电池和一个超级电容。
该T型模块结构可等效为单刀三掷开关，其原理性拓扑如图1所示，拓扑可理解为一个单刀三掷开关、铅蓄电池以及超级电容的组合。
T型模块结构的子模块是通过四个功率开关构成的等效单刀三掷开关，控制任意时刻接入电路中的元件，可以选择铅蓄电池接入、超级电容接入或者旁路。
如图3所示，T型模块结构中，逆阻型IGBT Sc1发射极与逆阻型IGBTSc2集电极相连，逆阻型IGBT Sc1集电极与逆阻型IGBT Sc2发射极相连，共同构成了一个双向开关；
如图5所示，在T型模块结构的子模块中，IGBT Sb1集电极与铅蓄电池正极相连，IGBT Sb1发射极同时与双向开关一端、IGBT Sb2集电极以及子模块正输出端相连，双向开关另一端与超级电容正极相连，IGBT Sb2发射极同时与铅蓄电池负极、超级电容负极以及子模块负输出端相连。
工作时，IGBT Sb1导通，其他IGBT关断时铅蓄电池接入主电路；
逆阻型IGBT Sc1和逆阻型IGBT Sc2同时导通，其他IGBT关断时超级电容接入主电路；
IGBT Sb2导通，其他IGBT关断时该子模块被旁路，即铅蓄电池与超级电容皆不接入主电路；
当所有IGBT均关断时，认为闭锁该子模块；
任意时刻子模块仅会处于以上四种工作状态中的一种。
实施例2
如图6所示，基于MMC拓扑的分散式混合储能与电力补偿系统，采用单星型拓扑结构，变换器与子模块串联于电路中，其子模块为桥臂模块结构的子模块。
该桥臂模块结构的子模块的介质储能部分采用一个锂电池和一个超级电容。
该桥臂模块结构可等效为单刀三掷开关，其原理性拓扑如图1所示，拓扑可理解为一个单刀三掷开关、锂电池以及超级电容的组合。
如图2所示，在桥臂模块结构的功率级部分中，IGBT Sc1集电极与IGBT Sb1发射极、IGBT Sc2发射极、IGBT Sb2集电极相连；IGBT Sc1发射极与二极管Dc1阳极相连，二极管Dc1阴极与二极管Dc2阳极相连，二极管Dc2阴极与IGBT Sc2集电极相连；IGBT Sc1、二极管Dc1、IGBTSc2以及二极管Dc2共同构成了一个双向开关；其中二极管Dc1阴极与二极管Dc2阳极连接处为双向开关一端，IGBT Sc2发射极与IGBT Sb2集电极连接处为双向开关另一端；
如图4所示，桥臂模块结构的子模块中，IGBT Sb1集电极与锂电池正极相连，IGBTSb1发射极同时与双向开关一端、IGBT Sb2集电极以及子模块正输出端相连，双向开关另一端与超级电容正极相连，IGBT Sb2发射极同时与锂电池负极、超级电容负极以及子模块负输出端相连。
工作时，IGBT Sb1导通，其他IGBT关断时锂电池接入主电路；
IGBT Sc1和IGBT Sc2同时导通，其他IGBT关断时超级电容接入主电路；
IGBT Sb2导通，其他IGBT关断时该子模块被旁路，即锂电池与超级电容皆不接入主电路；
当所有IGBT均关断时，认为闭锁该子模块；
任意时刻子模块仅会处于以上四种工作状态中的一种。
通过脉冲调制方式，可以灵活控制每个子模块单元，控制子模块间的能量流动，重新分配各子模块能量，可以控制系统的输入输出功率，控制能量流向。
电池功率密度小、能量密度大，适合处理低频大功率流动，电容功率密度大，能量密度小，适合处理高频小功率流动。
通过控制系统输入电流控制电网输入系统的无功和有功功率，使用电池进行储能和低频无功补偿，使用电容进行高频无功补偿。
本发明电路结构简单，利用双向开关管，实现了子模块中两种储能介质的协同工作，这种多介质的协同工作非常有助于现有储能技术在寿命、响应速度、转换效率等多维度上取得技术经济性兼顾与优化。

Claims (1)

1.一种基于MMC拓扑的分散式混合储能与电力补偿系统，采用单星型拓扑结构，其特征在于：子模块包括储能介质部分和功率级部分；所述的储能介质部分由至少一个储能电池和一个电容器组成，电池和电容经功率级不同端口接入主电路回路；所述的功率级部分包括由功率开关和功率二极管组成的桥臂模块结构或T型模块结构；
其中，在所述桥臂模块结构组成的子模块中，IGBT Sc1集电极与IGBT Sb1发射极、IGBTSc2发射极、IGBT Sb2集电极相连；IGBT Sc1发射极与二极管Dc1阳极相连，二极管Dc1阴极与二极管Dc2阳极相连，二极管Dc2阴极与IGBT Sc2集电极相连；IGBT Sc1、二极管Dc1、IGBT Sc2以及二极管Dc2共同构成了一个双向开关；其中二极管Dc1阴极与二极管Dc2阳极连接处为双向开关一端，IGBT Sc2发射极与IGBT Sb2集电极连接处为双向开关另一端，IGBT Sb1集电极与储能电池正极相连，IGBT Sb1发射极同时与双向开关一端以及子模块正输出端相连，双向开关另一端与电容器正极相连，IGBT Sb2发射极同时与储能电池负极、电容器负极以及子模块负输出端相连；
在T型模块组成的子模块中，逆阻型IGBT Sc1发射极与逆阻型IGBT Sc2集电极相连，逆阻型IGBT Sc1集电极与逆阻型IGBT Sc2发射极相连，共同构成了一个双向开关，IGBT Sb1集电极与储能电池正极相连，IGBT Sb1发射极同时与双向开关一端、IGBT Sb2集电极以及子模块正输出端相连，双向开关另一端与电容器正极相连，IGBT Sb2发射极同时与储能电池负极、电容器负极以及子模块负输出端相连；
桥臂模块结构的子模块工作状态：
当IGBT Sb1导通，其他IGBT关断时，电池接入主电路；
当IGBT Sc1和IGBT Sc2同时导通，其他IGBT关断时，电容接入主电路；
当IGBT Sb2导通，其他IGBT关断时，该子模块被旁路，即电池与电容皆不接入主电路；
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