CN106877713A - 一种具有故障穿越能力的储能型变流器拓扑 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有故障穿越能力的储能型变流器拓扑，包括三个相单元；每个相单元包括上桥臂、下桥臂、上桥臂电感、下桥臂电感；上桥臂正极端作为相单元直流出线正极端，上桥臂负极端与上桥臂电感一端相连，上桥臂电感另一端与下桥臂电感一端相连，作为相单元的交流出线端并串联电抗器连接到电网，下桥臂电感另一端与下桥臂正极端相连，下桥臂负极端作为相单元直流出线负极端；三相单元桥臂均由半桥子模块和类全桥储能子模块混合串联而成。通过类全桥储能子模块的设计，上述变流器为新能源系统增加惯性，并且储能所用电池充放电电流平滑，电压等级较低，保障了电池高效运行和安全性；同时具备直流侧故障穿越能力，在直流侧故障时仍然能够储能。

Description

一种具有故障穿越能力的储能型变流器拓扑
技术领域
本发明属于电气自动化设备技术领域，具体的，涉及一种具有故障穿越能力的储能型变流器拓扑。
背景技术
在现有的技术中，具有储能功能的子模块将电池直接并联在子模块电容旁，使得电池承受一倍工频和二倍工频的脉动电流，对电池的高效运行和全寿命周期成本不利；同时，实际工况中子模块电容电压一般大于1500V电压等级，以锂离子电池为代表的高倍率电池，基于电池荷电状态均衡和故障保护的原因，从成本和安全考虑，很难达到如此高的串联电压。此外，这种具有储能功能的子模块并不具备故障穿越的能力，而具有故障穿越能力的子模块又不具备储能的功能。
经检索，公开号为104917418A的中国专利申请，该发明提供了一种采用电池电流独立控制的储能型模块化多电平变流器，其子模块包括：一个半桥模块、一个支撑电容和一个储能电池。通过对电池电流的独立控制，提高电池利用率和使用寿命。
公开号为105591562A的中国专利申请，该发明提供了一种具有直流故障闭锁能力的模块化多电平变流器，其包括：半桥子模块、箝位单子模块、全桥子模块。直流故障时，通过闭锁一部分子模块实现直流故障穿越，并通过另一部分子模块为电网提供无功支撑。
上述专利不能解决电池电压等级的问题，使用的子模块多且不能实现储能，同时电池电压较低；其次，上述专利提出的子模块结构都采用电池并联在直流电容旁的方案，电池必然会承受一倍工频和二倍工频的脉动电流，对电池的高效运行和全寿命周期成本不利。最后，专利105591562A通过闭锁子模块并用全桥模块和箝位单子模块配合的方式实现故障穿越，仅仅拥有故障穿越的能力，但是在故障时并不具备储能功能。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种从拓扑上提高电池寿命与利用率，并为新能源系统提供惯性，兼具故障穿越能力并在故障时能够储能的具有故障穿越能力的储能型变流器拓扑。
为实现以上目的，本发明提供一种具有故障穿越能力的储能型变流器拓扑，包括三个相单元，每个相单元均包括上桥臂、下桥臂、上桥臂电感、下桥臂电感；其中：
所述上桥臂的正极端作为相单元的直流出线正极端；所述上桥臂的负极端与所述上桥臂电感的一端相连；所述上桥臂电感的另一端与所述下桥臂电感的一端相连，作为相单元的交流出线端，并串联电抗器连接到电网；所述下桥臂电感的另一端与所述下桥臂的正极端相连；所述下桥臂的负极端作为相单元的直流出线负极端；三个相单元中的上桥臂、下桥臂均由半桥子模块和类全桥储能子模块混合串联而成；
所述类全桥储能子模块包括：第二直流电容器、电池、电池电感、第三可控开关器件、第四可控开关器件、第五可控开关器件、第六可控开关器件、第七可控开关器件、第八可控开关器件、第三续流二极管、第四续流二极管、第五续流二极管、第六续流二极管；其中：所述第三可控开关器件、所述第四可控开关器件、所述第五可控开关器件、所述第六可控开关器件的集电极分别与所述第三续流二极管、所述第四续流二极管、所述第五续流二极管、所述第六续流二极管的阴极相连；所述第三可控开关器件、所述第四可控开关器件、所述第五可控开关器件、所述第六可控开关器件的发射极分别与所述第三续流二极管、所述第四续流二极管、所述第五续流二极管、所述第六续流二极管的阳极相连；所述第三可控开关器件的集电极与所述第二直流电容器的阳极相连；所述第四可控开关器件的发射极与所述第二直流电容器、所述电池的阴极相连；所述第三可控开关器件的发射极作为类全桥储能子模块的正极端，并与所述第七可控开关器件的一端相连；所述第四可控开关器件的发射极与所述第八可控开关器件的一端相连并作为类全桥储能子模块的负极端；所述第七可控开关器件、所述第八可控开关器件的另一端与所述电池电感的一端相连；所述电池电感的另一端与所述电池的阳极相连；所述第三可控开关器件、所述第四可控开关器件、所述第五可控开关器件、所述第六可控开关器件、所述第七可控开关器件、所述第八可控开关器件的栅极均与控制电路相连。
优选地，所述的类全桥储能子模块在正常工况时：所述第八可控开关器件导通，所述第七可控开关器件关断；
所述的类全桥储能子模块在直流侧短路工况时：所述第七可控开关器件导通，所述第八可控开关器件关断。
优选地，所述的半桥子模块，包括：第一直流电容器、第一可控开关器件、第二可控开关器件、第一续流二极管、第二续流二极管；其中：
所述第一可控开关器件、所述第二可控开关器件的集电极分别与所述第一续流二极管、所述第二续流二极管的阴极相连；所述第一可控开关器件、所述第二可控开关器件的发射极分别与所述第一续流二极管、所述第二续流二极管的阳极相连；所述第一可控开关器件的集电极与所述第一直流电容器的阳极相连；所述第二可控开关器件的发射极与所述第一直流电容器的阴极相连；所述第一可控开关器件、第二可控开关器件的栅极均与控制电路相连。
更优选地，所述的上桥臂中半桥子模块的数量与所述的下桥臂中半桥子模块的数量相同。
更优选地，所述的上桥臂中类全桥储能子模块的数量与所述的下桥臂中类全桥储能子模块的数量相同。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明具有储能功能的模块化多电平变流器结构简单，通过类全桥储能子模块的设计，为新能源系统增加惯性，并且储能所用的电池充放电电流平滑，电压等级较低，保障了电池的高效运行和安全性。同时具备直流侧故障穿越的能力，在直流侧故障时仍然能够储能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一优选实施例的拓扑图；
图2为本发明一优选实施例的半桥子模块电路图；
图3为本发明一优选实施例的类全桥储能子模块电路图；
图4中a、b、c、d分别为本发明一优选实施例的正常工况半桥子模块、类全桥储能子模块的调制波与总的等效输出电压示意图；
图5中a、b、c分别为本发明一优选实施例的正常工况下桥臂电流、半桥子模块等效输出电压与半桥子模块功率脉动情况示意图；
图6中a、b、c分别为本发明一优选实施例的正常工况下桥臂电流、类全桥储能子模块等效输出电压与类全桥储能子模块功率脉动情况示意图；
图7中a、b、c、d分别为本发明一优选实施例的直流侧短路工况半桥子模块、类全桥储能子模块的调制波与总的等效输出电压示意图；
图8中a、b、c分别为本发明一优选实施例的直流侧短路工况下桥臂电流、半桥子模块等效输出电压与半桥子模块功率脉动情况示意图；
图9中a、b、c分别为本发明一优选实施例的直流侧短路工况下桥臂电流、类全桥储能子模块等效输出电压与类全桥储能子模块功率脉动情况示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，一种具有储能功能的模块化多电平变流器拓扑，包括三个相单元；每个相单元x(x＝a，b，c)均包括上桥臂、下桥臂、上桥臂电感Lxp、下桥臂电感Lxn；其中：
所述上桥臂的正极端作为相单元的直流出线正极端；所述上桥臂的负极端与所述上桥臂电感Lxp的一端相连；所述上桥臂电感Lxp的另一端与所述下桥臂电感Lxn的一端相连，作为相单元的交流出线端，其电压为Vx，并串联电抗器LTx连接到电网，其电压为Vsx；所述下桥臂电感Lxn的另一端与所述下桥臂的正极端相连；所述下桥臂的负极端作为相单元的直流出线负极端；
所述三个相单元中的上桥臂、下桥臂均由半桥子模块和类全桥储能子模块混合串联而成；子模块xyi(x＝a，b，c；y＝p，n；i＝1，2……N；其中p代表上，n代表下)代表x相y桥臂的第i个子模块，ix指x相交流侧电流，ixy指x相y桥臂的电流，Vxy指x相y桥臂所有子模块输出的电压和，Id指直流侧电流，Vdc指直流侧电压。
如图2所示，为一优选实施例的半桥子模块电路图；所述的半桥子模块包括：第一直流电容器C1，第一可控开关器件S1、第二可控开关器件S2，第一续流二极管D1、第二续流二极管D2；其中：
所述第一可控开关器件S1的集电极、所述第二可控开关器件S2的集电极分别与所述第一续流二极管D1、所述第二续流二极管D2的阴极相连；所述第一可控开关器件S1的发射极、所述第二可控开关器件S2的发射极分别与所述续流二极管D1的阳极、所述第二续流二极管D2的阳极相连；所述可控开关器件S1的集电极还与所述直流电容器C1的阳极相连；所述可控开关器件S2的发射极还与所述直流电容器C1的阴极相连；所述第一可控开关器件S1的栅极、所述第二可控开关器件S2的栅极均与控制电路相连。
如图3所示，为一优选实施例的类全桥储能子模块电路图；所述的类全桥储能子模块包括：第二直流电容器C2、电池、电池电感L、第三可控开关器件S3、第四可控开关器件S4、第五可控开关器件S5、第六可控开关器件S6、第七可控开关器件T1、第八可控开关器件T2、第三续流二极管D3、第四续流二极管D4、第五续流二极管D5、第六续流二极管D6；其中：
所述第三可控开关器件S3的集电极、所述第四可控开关器件S4的集电极、所述第五可控开关器件S5的集电极、所述第六可控开关器件S6的集电极分别与所述第三续流二极管D3的阴极、所述第四续流二极管D4的阴极、所述第五续流二极管D5的阴极、所述第六续流二极管D6的阴极相连；所述第三可控开关器件S3的发射极、所述第四可控开关器件S4的发射极、所述第五可控开关器件S5的发射极、所述第六可控开关器件S6的发射极分别与所述第三续流二极管D3的阳极、所述第四续流二极管D4的阳极、所述第五续流二极管D5的阳极、所述第六续流二极管D6的阳极相连；所述第三可控开关器件S3的集电极与所述第二直流电容器C2的阳极相连；所述第四可控开关器件S4的发射极与所述第二直流电容器C2的阴极、所述电池的阴极相连；所述第三可控开关器件S3的发射极作为类全桥储能子模块的正极端，并与所述第七可控开关器件T1的一端相连；所述第四可控开关器件S4的发射极与所述第八可控开关器件T2的一端相连并作为类全桥储能子模块的负极端；所述第七可控开关器件T1、所述第八可控开关器件T2的另一端与所述电池电感L的一端相连；所述电池电感L的另一端与所述电池的阳极相连；所述第三可控开关器件S3的栅极、所述第四可控开关器件S4的栅极、所述第五可控开关器件S5的栅极、所述第六可控开关器件S6的栅极、所述第七可控开关器件T1的栅极、所述第八可控开关器件T2的栅极均与控制电路相连；
正常工况时，所述第八可控开关器件T2导通，所述第七可控开关器件T1关断；直流侧短路工况时，所述第七可控开关器件T1导通，所述第八可控开关器件T2关断。
如图4中a、b、c、d所示，分别为一优选实施例的正常工况下桥臂半桥子模块、类全桥储能子模块的调制波与总的等效输出电压示意图；记调制波为正弦的桥臂为MMC桥臂(如图4中c所示)，调制波为直流的桥臂为储能桥臂(如图4中d所示)。通过半桥子模块与类全桥储能子模块共同输出带偏置的交流分量，可以支撑起直流电压与交流电压。
如图5中a、b、c所示，分别为一优选实施例的正常工况下桥臂电流、半桥子模块等效输出电压与半桥子模块功率脉动情况示意图；下桥臂电流中直流分量为交流分量为Vc为电容电压的直流均值。通过图形观察可以发现，选取合适的调制比能让半桥子模块的功率波动在一个工频周期内平衡，从而半桥子模块稳定工作。
如图6中a、b、c所示，分别为一优选实施例的正常工况下桥臂电流、类全桥储能子模块等效输出电压与类全桥储能子模块功率脉动情况示意图。通过图形观察可以发现，选取合适的调制比能让类全桥储能子模块的功率波动在一个工频周期内的平均值等于电池存储或释放的功率，从而类全桥储能子模块稳定工作。
如图7中a、b、c、d所示，分别为一优选实施例的直流侧短路工况下桥臂半桥子模块、类全桥储能子模块的调制波与总的等效输出电压示意图；记调制波为正弦的桥臂为MMC桥臂，调制波为直流的桥臂为储能桥臂，通过半桥子模块与类全桥储能子模块共同输出带偏置的交流分量，可以支撑起交流电压并使得输出的总直流电压为0，实现故障穿越。
如图8中a、b、c所示，分别为一优选实施例的直流侧短路工况下桥臂电流、半桥子模块等效输出电压与半桥子模块功率脉动情况示意图。通过图形观察可以发现，选取合适的调制比能让半桥子模块的功率波动在一个工频周期内平衡，从而半桥子模块稳定工作。
如图9中a、b、c所示，分别为一优选实施例的直流侧短路工况下桥臂电流、类全桥储能子模块等效输出电压与类全桥储能子模块功率脉动情况示意图。通过图形观察可以发现，选取合适的调制比能让类全桥储能子模块的功率波动在一个工频周期内的平均值等于电池存储或释放的功率，从而类全桥储能子模块稳定工作。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种具有故障穿越能力的储能型变流器拓扑，其特征在于：包括三个相单元，每个相单元均包括上桥臂、下桥臂、上桥臂电感、下桥臂电感；其中：
所述上桥臂的正极端作为相单元的直流出线正极端，所述上桥臂的负极端与所述上桥臂电感的一端相连，所述上桥臂电感的另一端与所述下桥臂电感的一端相连，作为相单元的交流出线端，并串联电抗器连接到电网，所述下桥臂电感的另一端与所述下桥臂的正极端相连，所述下桥臂的负极端作为相单元的直流出线负极端；三个相单元中的所述上桥臂、所述下桥臂均由半桥子模块和类全桥储能子模块混合串联而成；
所述类全桥储能子模块包括：第二直流电容器、电池、电池电感、第三可控开关器件、第四可控开关器件、第五可控开关器件、第六可控开关器件、第七可控开关器件、第八可控开关器件、第三续流二极管、第四续流二极管、第五续流二极管、第六续流二极管；其中：所述第三可控开关器件、所述第四可控开关器件、所述第五可控开关器件、所述第六可控开关器件的集电极分别与所述第三续流二极管、所述第四续流二极管、所述第五续流二极管、所述第六续流二极管的阴极相连；所述第三可控开关器件、所述第四可控开关器件、所述第五可控开关器件、所述第六可控开关器件的发射极分别与所述第三续流二极管、所述第四续流二极管、所述第五续流二极管、所述第六续流二极管的阳极相连；所述第三可控开关器件的集电极与所述第二直流电容器的阳极相连；所述第四可控开关器件的发射极与所述第二直流电容器、所述电池的阴极相连；所述第三可控开关器件的发射极作为类全桥储能子模块的正极端，并与所述第七可控开关器件的一端相连；所述第四可控开关器件的发射极与所述第八可控开关器件的一端相连并作为类全桥储能子模块的负极端；所述第七可控开关器件、所述第八可控开关器件的另一端与所述电池电感的一端相连；所述电池电感的另一端与所述电池的阳极相连；所述第三可控开关器件、所述第四可控开关器件、所述第五可控开关器件、所述第六可控开关器件、所述第七可控开关器件、所述第八可控开关器件的栅极均与控制电路相连。
2.根据权利要求1所述的一种具有故障穿越能力的储能型变流器拓扑，其特征在于：所述的类全桥储能子模块在正常工况时：所述第八可控开关器件导通，所述第七可控开关器件关断；
所述的类全桥储能子模块在直流侧短路工况时：所述第七可控开关器件导通，所述第八可控开关器件关断。
3.根据权利要求1所述的一种具有故障穿越能力的储能型变流器拓扑，其特征在于：所述的半桥子模块，包括：第一直流电容器、第一可控开关器件、第二可控开关器件、第一续流二极管、第二续流二极管；其中：
所述第一可控开关器件、所述第二可控开关器件的集电极分别与所述第一续流二极管、所述第二续流二极管的阴极相连；所述第一可控开关器件、所述第二可控开关器件的发射极分别与所述第一续流二极管、所述第二续流二极管的阳极相连；所述第一可控开关器件的集电极与所述第一直流电容器的阳极相连；所述第二可控开关器件的发射极与所述第一直流电容器的阴极相连；所述第一可控开关器件、第二可控开关器件的栅极均与控制电路相连。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种具有故障穿越能力的储能型变流器拓扑，其特征在于：所述的三个相单元中：
所述上桥臂中的半桥子模块的数量与所述下桥臂中的半桥子模块的数量相同。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种具有故障穿越能力的储能型变流器拓扑，其特征在于：所述的三个相单元中：所述上桥臂中的类全桥储能子模块的数量与所述下桥臂中的类全桥储能子模块的数量相同。
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