CN106533234A - 一种基于模块化多电平变流器的复合型储能系统 - Google Patents

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张建忠
胡省
王伟
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Abstract

本发明公开了一种基于模块化多电平变流器的复合型储能系统，包括能量型储能模块和功率型储能模块，所述能量型储能模块经过一个DC/DC变换器与模块化多电平变流器的直流端连接，功率型储能模块与每个模块化多电平变流器子模块中的半桥电路并联，模块化多电平变流器通过电抗器接入三相电源，其中，所述的DC/DC变换器用于控制能量型储能模块的双向功率流进行充电和放电，所述半桥电路控制功率型储能模块的功率流，能量型储能模块和功率型储能模块分别在DC/DC变换器和半桥电路的控制下实现能量自由存储控制。本发明大大提升了储能系统的综合性能，能够提高储能设备效率、极大的延长储能设备使用寿命、降低储能成本，同时有利于电网协调电能质量改进。

Description

一种基于模块化多电平变流器的复合型储能系统
技术领域
本发明属于储能系统技术领域，特别涉及一种基于模块化多电平变流器的复合型储能系统。
背景技术
随着风能、太阳能等可再生能源发电的发展，现代电力系统中将拥有越来越多的间歇性和不稳定电源，导致对储能技术的需求越来越强烈，储能技术在电力系统中不再只是锦上添花的作用，而是逐渐成为一种必需。
电力储能的方式已被广泛研究，目前主要有目前主要有抽水储能，压缩空气储能，飞轮储能，超导储能，电池储能，超级电容器储能等。其中，随着电池技术的革新，电池储能系统是目前最有投资/成本效益的储能技术之一，具有模块化、响应快、商业化程度高的特点。电池储能是能量型储能的典型代表，而电网期望储能系统能够同时满足能量型储能需求和功率型储能需求。通常单一的储能元件(电池)无法兼顾能量型和功率型储能，因此引入超级电容(功率型储能的典型代表)，发展复合型储能系统显得十分必要。在电池和超级电容器的储能系统中，储能功率变流器是储能系统与电网之间的接口，是储能系统的核心部件，除了进行能量管理外还要实现储能系统各项并网功能。
目前已经出现的储能功率变流器有：
(1)采用基于两电平变流器的储能系统；其主要缺点是单管承受反压大，而且输出电压和电流的畸变率高，需要通过滤波后才能并网。
(2)采用基于二极管箝位三电平变流器的储能系统；其主要缺点是：当电平数较多时，变换器的结构过于复杂，箝位二极管的数量也大大地增加，同时也增加了控制的难度。
(3)采用基于飞跨电容箝位的三电平变流器的储能系统；其主要缺点是：当电平数较多时，箝位电容的数量大大增加，也增加了平衡箝位电容电压的难度。
(4)采用基于级联H桥多电平变流器的储能系统；其主要缺点是：无公共直流母线，无法组成复合型储能系统。
以上四种储能功率变流器因为各自固有的缺陷，限制了其在复合型储能系统中的应用。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供了一种使用方便，降低储能成本的基于模块化多电平变流器的复合型储能系统。
技术方案：本发明提供了一种基于模块化多电平变流器的复合型储能系统，包括能量型储能模块和功率型储能模块，所述能量型储能模块经过一个DC/DC变换器与模块化多电平变流器(下文简称MMC)的直流端连接，功率型储能模块与每个模块化多电平变流器子模块中的半桥电路并联，模块化多电平变流器通过电抗器接入三相电源，其中，所述的DC/DC变换器用于控制能量型储能模块的双向功率流进行充电和放电，所述半桥电路控制功率型储能模块的功率流，能量型储能模块和功率型储能模块分别在DC/DC变换器和半桥电路的控制下实现能量自由存储控制。
进一步，所述能量型储能模块包括多个串联、先串联后并联或者先并联后串联的能量型储能元件。
进一步，所述功率型储能模块包括多个串联的功率型储能元件。
更进一步，所述功率型储能元件为超级电容。
进一步，所述模块化多电平变流器中包括多个缓冲电感，模块化多电平变流器中每相上桥臂最后一个模块化多电平变流器子模块的输出端和下桥臂第一个模块化多电平变流器子模块的输入端分别与一个缓冲电感连接，模块化多电平变流器中每相上下桥臂的缓冲电感相互连接之后与每相对应的电抗器连接。
进一步，所述模块化多电平变流器采用环流抑制或电容电压平衡的控制策略。
进一步，所述半桥电路根据每个模块化多电平变流器子模块中功率型储能模块要求释放和吸收的能量以及自身能量来延长或缩短半桥电路的开通时间。这样能够实现各功率型储能模块之间的能量平衡。
有益效果：与现有的技术相比，本发明将能量型储能元件通过DC/DC变换器接入模块化多电平变流器的直流母线，将功率型储能元件集成入模块化多电平变流器的内部子模块直流侧并构成分布式的功率型储能，基于模块化多电平变流器实现了复合型储能系统，而且能量型储能元件与功率型储能元件之间的能量可自由控制，避免能量型储能元件因放电导致模块化多电平变流器直流侧的电压波动对储能系统的影响。本发明的复合储能系统充分利用了能量型储能元件能量密度大，功率型储能元件功率密度大、循环寿命长的优点，大大提升了储能系统的综合性能，能够提高储能设备效率、极大的延长储能设备使用寿命、降低储能成本，同时有利于电网协调电能质量改进。
附图说明
图1为本发明的系统示意图；
图2为本发明中MMC子模块结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本发明提供了一种基于模块化多电平变流器的复合型储能系统，如图1所示，包括电池储能元件1、DC/DC变换器2、MMC子模块3、电抗器4、电源系统5和缓冲电感6。其中，MMC子模块3内部集成有功率型储能元件7，功率型储能元件7可由多个超级电容器串联组合而成，功率型储能元件7与半桥电路8并联，半桥电路8的输入脚i和输出脚o即为MMC子模块3的输入端和输出端，依次将每个桥臂上的MMC子模块输出脚与下个MMC子模块的输入脚相连接，并将三相中每相上桥臂中第一个MMC子模块输入脚连接形成MMC的直流正母线，三相中每相下桥臂中最后一个MMC子模块输出脚连接形成MMC的直流负母线，每相上桥臂最后一个MMC子模块的输出端和下桥臂第一个MMC子模块的输入端分别与一个缓冲电感6连接，上下桥臂中的缓冲电感6相互连接之后与每相对应的电抗器4连接。能量型储能元件1可由蓄电池经串联、先串后并或先并后串组合而成，并辅以主动单体电池能量均衡系统或者被动单体电池能量均衡系统，能量型储能元件1的正极通过DC/DC变换器2与MMC的直流正母线连接，能量型储能元件1的负极通过DC/DC变换器2与MMC的直流负母线连接电抗器4的输出端与位于复合型储能系统外部的电源系统5连接。
工作时，DC/DC变换器2用于控制能量型储能元件1的双向功率流，具有充电和放电两种工作模式，在系统设定的充电期间或者人工干预下进入充电工作模式，此时DC/DC变换器2的功率流向为从MMC直流母线至能量型储能元件，其他时间段均为放电工作模式，能量型储能元件1只放电而不充电，直至储存电能释放完毕。功率型储能元件7的功率流由半桥电路8控制，电源系统5的短时间能量供需波动由功率型储能元件7来提供，电源系统5向储能系统供能时，由半桥电路8控制功率型储能元件7吸收能量，反之，当电源系统从储能系统吸收能量时，由半桥电路8控制功率型储能元件7释放能量，其不足部分由能量型储能元件提供。利用DC/DC变换器2和半桥电路8实现了两种储能元件之间的能量自由控制。其中，电源系统5可以是公共电网、微电网、电动汽车的充电机与电动机、轨道交通车辆和舰船的配电系统。
如图2所示，MMC子模块3由功率型储能元件7和半桥电路8并联而成，半桥电路8包括2个功率管9和2个反并联二极管10，通过控制两个功率管9的开通或关断，MMC子模块3的电平输出有两个状态，即高电平和零电平输出。功率型储能元件7典型地由超级电容器串联而成，并辅以主动超级电容器电压均衡系统或者被动超级电容器电压均衡系统，由于超级电容器被分散到MMC子模块中，可以根据储能系统的电压等级和储能容量确定每个模块中的超级电容器数量，且由于每个子模块所输出的电压等级较低，所以每组相互串联的超级电容器数量大为减少，从而大大简化了超级电容器电压均衡系统的复杂度和降低了系统造价。各个MMC子模块中超级电容器的能量差异需要进行一定的控制。具体当某一MMC子模块中的超级电容器的能量比其他MMC子模块高时，释能工作模式时就延长该MMC子模块高电平输出时间，从而释放更多能量，储能工作模式时则减少MMC子模块高电平输出时间而增加零电平输出时间，从而减少从电源系统(或能量型储能元件)吸收能量；反之亦然。这样，各MMC子模块中超级电容器储存的能量趋于一致，从而实现了利用模块化多电平变流器进行能量管理的功能。此处的超级电容能量差异不仅指一个桥臂内的超级电容能量差异，还包括上、下桥臂间的超级电容能量差异和相间的超级电容能量差异。
子模块中集成了功率型储能元件的模块化多电平变流器3的其他控制策略与普通模块化多电平变流器的控制方式相同，例如环流抑制策略，电解电容电压平衡策略均可以无缝移植。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于模块化多电平变流器的复合型储能系统，其特征在于：包括能量型储能模块和功率型储能模块，所述能量型储能模块经过一个DC/DC变换器与模块化多电平变流器的直流端连接，功率型储能模块与每个模块化多电平变流器子模块中的半桥电路并联，模块化多电平变流器通过电抗器接入三相电源，其中，所述的DC/DC变换器用于控制能量型储能模块的双向功率流进行充电和放电，所述半桥电路控制功率型储能模块的功率流，能量型储能模块和功率型储能模块分别在DC/DC变换器和半桥电路的控制下实现能量自由存储控制。
2.根据权利要求1所述的基于模块化多电平变流器的复合型储能系统，其特征在于：所述能量型储能模块包括多个串联、先串联后并联或者先并联后串联的能量型储能元件。
3.根据权利要求1所述的基于模块化多电平变流器的复合型储能系统，其特征在于：所述功率型储能模块包括多个串联的功率型储能元件。
4.根据权利要求3所述的基于模块化多电平变流器的复合型储能系统，其特征在于：所述功率型储能元件为超级电容。
5.根据权利要求1所述的基于模块化多电平变流器的复合型储能系统，其特征在于：所述模块化多电平变流器中包括多个缓冲电感，模块化多电平变流器中每相上桥臂最后一个模块化多电平变流器子模块的输出端和下桥臂第一个模块化多电平变流器子模块的输入端分别与一个缓冲电感连接，模块化多电平变流器中每相上下桥臂的缓冲电感相互连接之后与每相对应的电抗器连接。
6.根据权利要求1所述的基于模块化多电平变流器的复合型储能系统，其特征在于：所述模块化多电平变流器采用环流抑制或电容电压平衡的控制策略。
7.根据权利要求1所述的基于模块化多电平变流器的复合型储能系统，其特征在于：所述半桥电路根据每个模块化多电平变流器子模块中功率型储能模块要求释放和吸收的能量以及自身能量延长或缩短半桥电路的开通时间。
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