CN106357139A - 一种高效光储联合的自给式储能变流器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电子及新能源应用技术领域，具体地讲是一种高效光储联合的自给式储能变流器。本发明的目的是提供一种能有效提高效率、减小谐波并且可以与光伏联合的高效光储联合的自给式储能变流器。本发明一种高效光储联合的自给式储能变流器，包括LCL滤波模块、三电平交直流变换器模块、保护模块和光储三端变换器模块，所述LCL滤波模块的输入端连接电网，LCL滤波模块的输出端连接三电平交直流变换器模块的网侧输入端，三电平交直流变换器模块的输出端与保护模块的一端相连接，保护模块的另一端与光储三端变换器模块相连接。

Description

一种高效光储联合的自给式储能变流器

技术领域

本发明涉及电力电子及新能源应用技术领域，具体地讲是一种高效光储联合的自给式储能变流器。

背景技术

全球能源危机和环境污染问题的加剧，促进了可再生能源的大规模应用，随着太阳能光伏技术的不断进步，光伏发电开始更多的走入人们的生产生活中，但是在利用太阳能的同时，不能忽视光伏发电具有间歇性、波动性的缺点。而电池储能技术的利用就巧妙的解决了光伏发电的这些问题，在光伏发电的基础上配备大容量存储电能的蓄电池，大大增强了系统的稳定性。

然而，现阶段传统的储能变流器，虽然可以实现电池的充放电功能，支持并网与离网运行，但是存在效率低、纹波高、体积大等缺点，从而限制了其应用场合，而且一般不能和光伏发电相结合，只能单一实现储能的功能。而传统的含有光伏发电的储能变流器，光伏发电和储能电池都是通过两个并联的独立变流器相结合，在单独研究控制时，简单易控，但是在整个系统来讲，其及时性和协调性就不能很好的满足要求。

发明内容

本发明针对传统储能变流器的技术不足，提供一种能有效提高效率、减小谐波并且可以与光伏联合的高效光储联合的自给式储能变流器，变流器两级之间提供了必要的保护电路。

本发明为实现上述目的而采取的技术方案为：

一种高效光储联合的自给式储能变流器，包括LCL滤波模块、三电平交直流变换器模块、保护模块和光储三端变换器模块，所述LCL滤波模块的输入端连接电网，LCL滤波模块的输出端连接三电平交直流变换器模块的网侧输入端，三电平交直流变换器模块的输出端与保护模块的一端相连接，保护模块的另一端与光储三端变换器模块相连接。

进一步地，本发明所述的LCL滤波模块由三相等效电感L1、电感L2、电感L3、等效电感L4、电感L5、电感L6、电容C1、电容C2、电容C3、电阻R1、电阻R2和电阻R3组成，三相等效电感L1、电感L2和电感L3的一端分别与电网相连接，三相等效电感L1、电感L2和电感L3的另一端分别与等效电感L4、电感L5和电感L6的一端相连接，等效电感L4、电感L5和电感L6的另一端分别与三电平交直流变换器的输入端相连接，三相等效电感L1和等效电感L4之间接电阻R1和电容C1的串联支路，电感L2和电感L5之间接电阻R2和电容C2的串联支路，电感L3和电感L6之间接电阻R3和电容C3的串联支路，电容C1、电容C2和电容C3之间通过星形连接方式连接。

本发明所述的三电平交直流变换器模块由功率开关管Sa1、功率开关管Sa2、功率开关管Sa3、功率开关管Sa4、功率开关管Sb1、功率开关管Sb2、功率开关管Sb3、功率开关管Sb4、功率开关管Sc1、功率开关管Sc2、功率开关管Sc3、功率开关管Sc4、稳压电容C4和稳压电容C5组成，功率开关管Sa1、功率开关管Sa2、功率开关管Sa3和功率开关管Sa4构成第一T型桥，功率开关管Sa1的发射极与功率开关管Sa2的漏极相连，功率开关管Sa1和功率开关管Sa2构成第一T型桥的纵向桥臂，功率开关管Sa3的漏极与功率开关管Sa4的漏极相连，功率开关管Sa3和功率开关管Sa4反向串联构成第一T型桥的横向桥臂，功率开关管Sa3的源极连接于功率开关管Sa1的发射极与功率开关管Sa2的漏极之间；功率开关管Sb1、功率开关管Sb2、功率开关管Sb3和功率开关管Sb4构成第二T型桥，功率开关管Sb1的发射极与功率开关管Sb2的漏极相连，功率开关管Sb1和功率开关管Sb2构成第二T型桥的纵向桥臂，功率开关管Sb3的漏极与功率开关管Sb4的漏极相连，功率开关管Sb3和功率开关管Sb4反向串联构成第二T型桥的横向桥臂，功率开关管Sb3的源极连接于功率开关管Sb1的发射极与功率开关管Sb2的漏极之间；功率开关管Sc1、功率开关管Sc2、功率开关管Sc3和功率开关管Sc4构成第三T型桥，功率开关管Sc1的发射极与功率开关管Sc2的漏极相连，功率开关管Sc1和功率开关管Sc2构成第三T型桥的纵向桥臂，功率开关管Sc3的漏极与功率开关管Sc4的漏极相连，功率开关管Sc3和功率开关管Sc4反向串联构成第三T型桥的横向桥臂，功率开关管Sc3的源极连接于功率开关管Sc1的发射极与功率开关管Sc2的漏极之间；第一T型桥的输入端与等效电感L4的另一端相连接，第二T型桥的输入端与电感L5的另一端相连接，第三T型桥的输入端与电感L6的另一端相连接，第一T型桥、第二T型桥和第三T型桥的输出端都连接于端口3，端口3连接于稳压电容C4和稳压电容C5的串联支路中间，稳压电容C4和稳压电容C5的串联支路接于端口4与端口5之间，第一T型桥、第二T型桥、第三T型桥分别并联于端口1与端口2之间，功率开关管Sa1的集电极、功率开关管Sb1的集电极、功率开关管Sc1的集电极连接于端口1，功率开关管Sa2的源极、功率开关管Sb2的源极、功率开关管Sc2的源极连接于端口2，功率开关管Sa4的源极、功率开关管Sb4的源极、功率开关管Sc4的源极连接于端口3，端口3连接于稳压电容C4和稳压电容C5的串联支路中间，稳压电容C4和稳压电容C5的串联支路接于端口4与端口5之间，端口1与端口4相连，端口2与端口5相连。

本发明所述的保护模块由电阻R4与功率开关管S5组成，电阻R4与功率开关管S5组成串联支路，电阻R4一端接于端口4，另一端接于功率开关管S5的集电极，功率开关管S5的发射极接于端口5。

本发明所述的光储三端变换器模块包括包括光伏发电单元PV、蓄电池储能单元、电力电子开关S6、电力电子开关S7、电力电子开关S8、电容C6、电容C7、电容C8、电感L7、电感L8、电感L9和二极管VD5，光伏发电单元PV两端并联电容C6，电容C6两端分别接入端口7和端口10，二极管VD5的阳极连接端口7，二极管VD5的阴极连接端口6，电容C7的一侧连接端口6，另一侧连接端口8，电力电子开关S6的漏极连接端口7，电力电子开关S6的源极连接端口8，电感L7两侧分别连接端口4和端口6，电感L8两侧分别连接端口8和端口10，电感L9两侧分别连接端口9和蓄电池储能单元正极，电力电子开关S7和电力电子开关S8反并联，电力电子开关S7的漏极连接端口6，电力电子开关S8的源极连接端口8，电力电子开关S7的源极和电力电子开关S8的漏极连接端口9，所述蓄电池储能单元的正极连接电感L9的一端，蓄电池储能单元的负极连接端口10，蓄电池储能单元的两侧并联电容C8。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明实现了光伏发电技术和储能技术相结合的一体式结构，具有体积小、动态响应快、集中控制等优点，而且光伏发电可以同时向储能蓄电池和直流母线提供电能，储能蓄电池可以在并、离网情况下很好的进行充放电，既可以为直流母线提供电能，也能很好的平抑光伏发电带来的功率波动。

2、本发明的网侧使用了LCL滤波电路和三电平交直流变换器，LCL滤波电路可以有效的抑制谐波，而且相比较传统的L型滤波器，同样的滤波效果LCL滤波电路在体积和成本上更有优势，三电平交直流变换器相比较传统的两电平变换器，本身就具有减少谐波含量的优势，输出波形更接近正弦波，可以有效提高电能质量，而且开关频率降低，降低了电磁干扰，提高了系统的效率。

3、本发明两级之间提高了保护电路，该电路结构简单，可以有效的防止母线电容过压或电路故障保护放电。

附图说明

图1是本发明的主拓扑结构图；

图2是本发明的LCL滤波电路的拓扑结构图；

图3是本发明三电平交直流变换器的拓扑结构图；

图4是本发明光储三端变换器的拓扑结构图。

具体实施方式

实施例1

一种高效光储联合的自给式储能变流器，如图1所示，包括LCL滤波模块、三电平交直流变换器模块、保护模块和光储三端变换器模块，所述LCL滤波模块的输入端连接电网，LCL滤波模块的输出端连接三电平交直流变换器模块的网侧输入端，三电平交直流变换器模块的输出端与保护模块的一端相连接，保护模块的另一端与光储三端变换器模块相连接。

如图2所示，所述的LCL滤波模块由三相等效电感L1、电感L2、电感L3、等效电感L4、电感L5、电感L6、电容C1、电容C2、电容C3、电阻R1、电阻R2和电阻R3组成，三相等效电感L1、电感L2和电感L3的一端分别与电网相连接，三相等效电感L1、电感L2和电感L3的另一端分别与等效电感L4、电感L5和电感L6的一端相连接，等效电感L4、电感L5和电感L6的另一端分别与三电平交直流变换器的输入端相连接，三相等效电感L1和等效电感L4之间接电阻R1和电容C1的串联支路，电感L2和电感L5之间接电阻R2和电容C2的串联支路，电感L3和电感L6之间接电阻R3和电容C3的串联支路，电容C1、电容C2和电容C3之间通过星形连接方式连接，LCL滤波电路用在电网和交直流变换器之间，可以有效的进行谐波抑制，避免系统中其他的EMI敏感设备受到干扰。

如图3所示，所述的三电平交直流变换器模块由功率开关管Sa1、功率开关管Sa2、功率开关管Sa3、功率开关管Sa4、功率开关管Sb1、功率开关管Sb2、功率开关管Sb3、功率开关管Sb4、功率开关管Sc1、功率开关管Sc2、功率开关管Sc3、功率开关管Sc4、稳压电容C4和稳压电容C5组成，功率开关管Sa1、功率开关管Sa2、功率开关管Sa3和功率开关管Sa4构成第一T型桥，功率开关管Sa1的发射极与功率开关管Sa2的漏极相连，功率开关管Sa1和功率开关管Sa2构成第一T型桥的纵向桥臂，功率开关管Sa3的漏极与功率开关管Sa4的漏极相连，功率开关管Sa3和功率开关管Sa4反向串联构成第一T型桥的横向桥臂，功率开关管Sa3的源极连接于功率开关管Sa1的发射极与功率开关管Sa2的漏极之间；功率开关管Sb1、功率开关管Sb2、功率开关管Sb3和功率开关管Sb4构成第二T型桥，功率开关管Sb1的发射极与功率开关管Sb2的漏极相连，功率开关管Sb1和功率开关管Sb2构成第二T型桥的纵向桥臂，功率开关管Sb3的漏极与功率开关管Sb4的漏极相连，功率开关管Sb3和功率开关管Sb4反向串联构成第二T型桥的横向桥臂，功率开关管Sb3的源极连接于功率开关管Sb1的发射极与功率开关管Sb2的漏极之间；功率开关管Sc1、功率开关管Sc2、功率开关管Sc3和功率开关管Sc4构成第三T型桥，功率开关管Sc1的发射极与功率开关管Sc2的漏极相连，功率开关管Sc1和功率开关管Sc2构成第三T型桥的纵向桥臂，功率开关管Sc3的漏极与功率开关管Sc4的漏极相连，功率开关管Sc3和功率开关管Sc4反向串联构成第三T型桥的横向桥臂，功率开关管Sc3的源极连接于功率开关管Sc1的发射极与功率开关管Sc2的漏极之间；第一T型桥的输入端与等效电感L4的另一端相连接，第二T型桥的输入端与电感L5的另一端相连接，第三T型桥的输入端与电感L6的另一端相连接，第一T型桥、第二T型桥和第三T型桥的输出端都连接于端口3，端口3连接于稳压电容C4和稳压电容C5的串联支路中间，稳压电容C4和稳压电容C5的串联支路接于端口4与端口5之间，第一T型桥、第二T型桥、第三T型桥分别并联于端口1与端口2之间，功率开关管Sa1的集电极、功率开关管Sb1的集电极、功率开关管Sc1的集电极连接于端口1，功率开关管Sa2的源极、功率开关管Sb2的源极、功率开关管Sc2的源极连接于端口2，功率开关管Sa4的源极、功率开关管Sb4的源极、功率开关管Sc4的源极连接于端口3，端口3连接于稳压电容C4和稳压电容C5的串联支路中间，稳压电容C4和稳压电容C5的串联支路接于端口4与端口5之间，端口1与端口4相连，端口2与端口5相连，其中功率开关管Sa1中电力电子开关器件为IGBT，其中C为集电极，E为发射极，G为栅极，功率开关管Sa2中电力电子开关器件为MOSFET，其中D为漏极，S为源极，G为栅极，这里需要注意的是，所述的功率开关管可以均为IGBT模块或者MOSFET模块，之所以两种结合是为了更好的利用两种电力电子开关的优势，IGBT用在Sa1、Sb1、Sc1的低频动作，低导通电阻的MOSFET用在其他的功率开关管的高频动作，这样可以更好的抑制谐波，降低变换器的开关损耗，下同。

所述的保护模块由电阻R4与功率开关管S5组成，电阻R4与功率开关管S5组成串联支路，电阻R4一端接于端口4，另一端接于功率开关管S5的集电极，功率开关管S5的发射极接于端口5，该保护模块电路用于连接三电平交直流变换器与光储三端变换器，结构简单，可以有效的限制母线的电压泵升，另外可以防止母线电容过压或者电路故障保护放电。

如图4所示，所述的光储三端变换器模块包括包括光伏发电单元PV、蓄电池储能单元、电力电子开关S6、电力电子开关S7、电力电子开关S8、电容C6、电容C7、电容C8、电感L7、电感L8、电感L9和二极管VD5，光伏发电单元PV两端并联电容C6，电容C6两端分别接入端口7和端口10，二极管VD5的阳极连接端口7，二极管VD5的阴极连接端口6，电容C7的一侧连接端口6，另一侧连接端口8，电力电子开关S6的漏极连接端口7，电力电子开关S6的源极连接端口8，电感L7两侧分别连接端口4和端口6，电感L8两侧分别连接端口8和端口10，电感L9两侧分别连接端口9和蓄电池储能单元正极，电力电子开关S7和电力电子开关S8反并联，电力电子开关S7的漏极连接端口6，电力电子开关S8的源极连接端口8，电力电子开关S7的源极和电力电子开关S8的漏极连接端口9，所述蓄电池储能单元的正极连接电感L9的一端，蓄电池储能单元的负极连接端口10，蓄电池储能单元的两侧并联电容C8。

光储三端变换器把光伏发电端、蓄电池储能端和直流母线输出端结合起来，任意两个端口都可以进行功率变换，并且减少了电力电子开关的数量，整个系统更加紧凑，便于集中控制，不需要附加额外的通信模块，大大提高了系统的稳定性和动态响应能力。

具体工作过程如下：

高效光储联合的自给式变流器主要包括了三电平交直流变换器模块和光储三端变换器模块，三电平交直流变换器主要进行交直流的变流作用，以此来达到逆变或者整流的目的；光储三端变换器主要是将光伏发电单元、蓄电池储能单元和直流母线单元结合起来，通过升降压来进行电能的变换。

光储三端变换器模块，具体参照图4所示，主要分为三种工作模式，第一种工作模式为太阳能充足而蓄电池储能不足的情况下，由光伏发电单元为蓄电池储能单元和直流母线提供电能，此时光伏发电单元相对于直流母线处于DC/DC变换器的BOOST模式，直流母线相对于蓄电池储能单元处于DC/DC变换器的BUCK模式下，通过控制电力电子开关S6、电力电子开关S7(电力电子开关S7和电力电子开关S8的通断相反，一个处于导通状态则另一个就处于关断状态)的通断时间来控制光伏发电单元为蓄电池储能单元和直流母线提供电能，其中二极管VD5则用来防止电能反向流回光伏发电单元；第二种工作模式为太阳能充足而蓄电池储能充足的情况下，由光伏发电单元和蓄电池储能单元共同为直流母线提供电能，此时光伏发电单元和蓄电池储能单元相对于直流母线处于DC/DC变换器的BOOST模式，通过控制电力电子开关S6、电力电子开关S8(电力电子开关S7调节蓄电池储能单元的充电模式，电力电子开关S8调节蓄电池储能单元的放电模式)的通断时间来控制光伏发电单元和蓄电池储能单元为直流母线提供电能；第三种工作模式为太阳能不足而蓄电池储能充足的情况下，由蓄电池储能单元单独为直流母线提供电能，此时蓄电池储能单元相对于直流母线处于DC/DC变换器的BOOST模式，通过控制电力电子开关S8的通断时间来控制蓄电池储能单元为直流母线提供电能，此时双电感情况下，使得输入输出的电流连续而且纹波低。通过三种工作模式，保证了光储三端变换器可以很好的实现光储结合一体式储能变流器的功能，而且具有体积小、动态响应快、集中控制等优点，配备高效率、低损耗的三电平交直流变换器，从而实现了光储联合自给式储能变流器的电能转换效率高、变换器开关损耗低、传输电能质量高、集成体积小的优点。

Claims (5)

1.一种高效光储联合的自给式储能变流器，其特征是包括LCL滤波模块、三电平交直流变换器模块、保护模块和光储三端变换器模块，所述LCL滤波模块的输入端连接电网，LCL滤波模块的输出端连接三电平交直流变换器模块的网侧输入端，三电平交直流变换器模块的输出端与保护模块的一端相连接，保护模块的另一端与光储三端变换器模块相连接。

2.根据权利要求1所述的一种高效光储联合的自给式储能变流器，其特征是所述的LCL滤波模块由三相等效电感L1、电感L2、电感L3、等效电感L4、电感L5、电感L6、电容C1、电容C2、电容C3、电阻R1、电阻R2和电阻R3组成，三相等效电感L1、电感L2和电感L3的一端分别与电网相连接，三相等效电感L1、电感L2和电感L3的另一端分别与等效电感L4、电感L5和电感L6的一端相连接，等效电感L4、电感L5和电感L6的另一端分别与三电平交直流变换器的输入端相连接，三相等效电感L1和等效电感L4之间接电阻R1和电容C1的串联支路，电感L2和电感L5之间接电阻R2和电容C2的串联支路，电感L3和电感L6之间接电阻R3和电容C3的串联支路，电容C1、电容C2和电容C3之间通过星形连接方式连接。

3.根据权利要求1所述的一种高效光储联合的自给式储能变流器，其特征是所述的三电平交直流变换器模块由功率开关管Sa1、功率开关管Sa2、功率开关管Sa3、功率开关管Sa4、功率开关管Sb1、功率开关管Sb2、功率开关管Sb3、功率开关管Sb4、功率开关管Sc1、功率开关管Sc2、功率开关管Sc3、功率开关管Sc4、稳压电容C4和稳压电容C5组成，功率开关管Sa1、功率开关管Sa2、功率开关管Sa3和功率开关管Sa4构成第一T型桥，功率开关管Sa1的发射极与功率开关管Sa2的漏极相连，功率开关管Sa1和功率开关管Sa2构成第一T型桥的纵向桥臂，功率开关管Sa3的漏极与功率开关管Sa4的漏极相连，功率开关管Sa3和功率开关管Sa4反向串联构成第一T型桥的横向桥臂，功率开关管Sa3的源极连接于功率开关管Sa1的发射极与功率开关管Sa2的漏极之间；功率开关管Sb1、功率开关管Sb2、功率开关管Sb3和功率开关管Sb4构成第二T型桥，功率开关管Sb1的发射极与功率开关管Sb2的漏极相连，功率开关管Sb1和功率开关管Sb2构成第二T型桥的纵向桥臂，功率开关管Sb3的漏极与功率开关管Sb4的漏极相连，功率开关管Sb3和功率开关管Sb4反向串联构成第二T型桥的横向桥臂，功率开关管Sb3的源极连接于功率开关管Sb1的发射极与功率开关管Sb2的漏极之间；功率开关管Sc1、功率开关管Sc2、功率开关管Sc3和功率开关管Sc4构成第三T型桥，功率开关管Sc1的发射极与功率开关管Sc2的漏极相连，功率开关管Sc1和功率开关管Sc2构成第三T型桥的纵向桥臂，功率开关管Sc3的漏极与功率开关管Sc4的漏极相连，功率开关管Sc3和功率开关管Sc4反向串联构成第三T型桥的横向桥臂，功率开关管Sc3的源极连接于功率开关管Sc1的发射极与功率开关管Sc2的漏极之间；第一T型桥的输入端与等效电感L4的另一端相连接，第二T型桥的输入端与电感L5的另一端相连接，第三T型桥的输入端与电感L6的另一端相连接，第一T型桥、第二T型桥和第三T型桥的输出端都连接于端口3，端口3连接于稳压电容C4和稳压电容C5的串联支路中间，稳压电容C4和稳压电容C5的串联支路接于端口4与端口5之间，第一T型桥、第二T型桥、第三T型桥分别并联于端口1与端口2之间，功率开关管Sa1的集电极、功率开关管Sb1的集电极、功率开关管Sc1的集电极连接于端口1，功率开关管Sa2的源极、功率开关管Sb2的源极、功率开关管Sc2的源极连接于端口2，功率开关管Sa4的源极、功率开关管Sb4的源极、功率开关管Sc4的源极连接于端口3，端口3连接于稳压电容C4和稳压电容C5的串联支路中间，稳压电容C4和稳压电容C5的串联支路接于端口4与端口5之间，端口1与端口4相连，端口2与端口5相连。

4.根据权利要求1所述的一种高效光储联合的自给式储能变流器，其特征是所述的保护模块由电阻R4与功率开关管S5组成，电阻R4与功率开关管S5组成串联支路，电阻R4一端接于端口4，另一端接于功率开关管S5的集电极，功率开关管S5的发射极接于端口5。

5.根据权利要求1所述的一种高效光储联合的自给式储能变流器，其特征是所述的光储三端变换器模块包括包括光伏发电单元PV、蓄电池储能单元、电力电子开关S6、电力电子开关S7、电力电子开关S8、电容C6、电容C7、电容C8、电感L7、电感L8、电感L9和二极管VD5，光伏发电单元PV两端并联电容C6，电容C6两端分别接入端口7和端口10，二极管VD5的阳极连接端口7，二极管VD5的阴极连接端口6，电容C7的一侧连接端口6，另一侧连接端口8，电力电子开关S6的漏极连接端口7，电力电子开关S6的源极连接端口8，电感L7两侧分别连接端口4和端口6，电感L8两侧分别连接端口8和端口10，电感L9两侧分别连接端口9和蓄电池储能单元正极，电力电子开关S7和电力电子开关S8反并联，电力电子开关S7的漏极连接端口6，电力电子开关S8的源极连接端口8，电力电子开关S7的源极和电力电子开关S8的漏极连接端口9，所述蓄电池储能单元的正极连接电感L9的一端，蓄电池储能单元的负极连接端口10，蓄电池储能单元的两侧并联电容C8。