CN107681677B - 一种双向反激原边集成式的电池储能系统 - Google Patents

一种双向反激原边集成式的电池储能系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双向反激原边集成式的电池储能系统，包括电池单元、主功率变换器、辅助功率变换器和控制电路；所述电池单元由n组电池模块串联而成，所述主功率变换器一端与电池单元并联，另一端接入三相电网，所述辅助功率变换器包括原边集成式高频变压器、原边变换器和副边变换器，其中原边变换器一端与电池单元相连，另一端与原边集成式高频变压器相连；副边变换器的一端与原边集成式高频变压器相连，另一端与电池模块对应相连；控制电路分别与主功率变换器、辅助功率变换器连接。本发明能够保证电池模块的独立电流控制，改善串联电池模块的不一致性，以实现最大的能量利用率实现，延长电池模块的使用寿命，且易于扩展到更多的电池模块串联。

Description

一种双向反激原边集成式的电池储能系统
技术领域
本发明涉及电力电子变换器领域，特别涉及一种双向反激原边集成式的电池储能系统。
背景技术
随着全球能源安全和气候变化问题的日益严峻，生态环保问题日渐凸显，以新能源和智能电网为标志的新一轮能源技术革命不断孕育发展。为了解决间歇性能源发电带来的能源波动问题，储能技术是解决问题的最佳技术之一。其中，电池储能以其安装方便快捷、建造周期短、扩容改造(模块化)方便等优势，已经得到了广泛应用。
现有的模块化电池储能系统通常采用全功率独立控制型柔性成组储能系统，不论模块电池电流差异的大小，电池单体的全部充放电电流都要流过各自的变流器开关器件，造成器件电流应力大，导通损耗大等功率损耗，特别是在系统容量增加到较大基数时，问题更加突出。考虑到现阶段各电池模块容量基本在一定范围内波动，即使是梯次利用电池，容量差异也不会太大，没有必要对全部电池的电流进行独立控制。传统双向单管反激的储能系统，其大部分都是针对电池单体的不一致性均衡，电压等级低，且在功率开关管关断瞬间要承受较大的尖峰电压。
因此，针对上述问题，为了提高电压的输入范围，减小功率开关管的电压应力，提出了一种更加高效、经济、安全的单体电池部分功率独立电流控制的柔性成组储能系统，不仅开关管的安全工作和使用寿命，而且拓扑结构设计简单，减小变流器的损耗和成本，以提高电池模块的能量利用率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种双向反激原边集成式的电池储能系统，该系统在电池单元中电池模块充电和放电过程中，只对主电流中的5％-20％进行独立闭环控制，减小电池储能系统的控制功率的损耗，改善串联电池模块的不一致性，延长电池模块的使用寿命，提高电池能量利用率，且易于扩展到更多的串联电池模块。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种双向反激原边集成式的电池储能系统，包括电池单元、主功率变换器、辅助功率变换器和控制电路；所述电池单元由n组电池模块串联而成，n组电池模块依次为B1、B2、...、Bn，所述主功率变换器一端与电池单元并联，另一端接入三相电网，所述辅助功率变换器包括原边集成式高频变压器、原边变换器和副边变换器，其中原边变换器一端与电池单元相连，另一端与原边集成式高频变压器相连；副边变换器的一端与原边集成式高频变压器相连，另一端与电池模块对应相连；控制电路分别与主功率变换器、辅助功率变换器连接。
所述原边集成式高频变压器包括一个原边绕组Wp和n个副边绕组，副边绕组依次为W1、W2、...、Wn；且原边绕组的匝数和n个副边绕组匝数之和基本相同，达到变压器的变比等于1；
所述原边变换器包括第七开关管Q7、第八开关管Q8、第一续流二极管VD1、第二续流二极管VD2、直流电容Cp；其中第七开关管Q7的漏极端子连接在电池单元的正极，第七开关管Q7的源极端子连接在原边绕组Wp的第一端子，第八开关管Q8的漏极端子连接在电池单元的负极，第八开关管Q8的源极端子连接原边绕组Wp的第二端子之间，第一续流二极管VD1的阴极与电池单元的正极相连，第一续流二极管VD1的阳极与原边绕组Wp的第二端子相连，第二续流二极管VD2的阳极与电池单元的负极相连，第二续流二极管VD2的阴极与原边绕组Wp的第一端子相连，直流电容Cp与电池单元并接；第七开关管Q7、第八开关管Q8的栅极均与控制电路相连，使第七开关管Q7、第八开关管Q8的导通与关断由控制电路控制；所述第七开关管Q7、第八开关管Q8均为带反并联二极管的MOSFET开关管；
所述副边变换器包括n个独立单元，每个独立单元分别对应一个电池模块，其中副边绕组W1所连接的独立单元包括第九开关管Q9、直流电容C1，第九开关管Q9的漏极端子连接在副边绕组W1的第二端子，副边绕组W1的第一端子连接在对应电池模块的正极，第九开关管Q9的源极端子连接在对应电池模块的负极，直流电容C1与对应电池模块并联，第九开关管Q9的栅极与控制电路相连，使第九开关管Q9的导通与关断由控制电路控制；所述第九开关管Q9为带反并联二极管的MOSFET开关管；其余副边绕组W2、...、Wn所连接的独立单元的结构依此类推。
所述主功率变换器包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、直流侧电容Cd、第一滤波电感La、第二滤波电感Lb、第三滤波电感Lc，其中第一开关管Q1的发射集端子连接在第一滤波电感La的第一端，第一开关管Q1的集电极端子连接在电池单元的正极，第二开关管Q2的发射集端子连接在电池单元的负极，第二开关管Q2的集电极端子连接在第一滤波电感La的第一端，第三开关管Q3的发射集端子连接在第二滤波电感Lb的第一端，第三开关管Q3的集电极端子连接在电池单元的正极，第四开关管Q4的发射集端子连接在电池单元的负极，第四开关管Q4的集电极端子连接在第二滤波电感Lb的第一端，第五开关管Q5的发射集端子连接在第三滤波电感Lc的第一端，第五开关管Q5的集电极端子连接在电池单元的正极之间，第六开关管Q6的发射集端子连接在电池单元的负极，第六开关管Q6的集电极端子连接在第三滤波电感Lc的第一端，第一滤波电感La、第二滤波电感Lb、第三滤波电感Lc的第二端分别接入三相交流电网的Ua相、Ub相、Uc相；第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6的栅极均与控制电路相连，使第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6的导通与关断由控制电路控制；所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6均为带反并联二极管的IGBT开关管。
所述控制电路，对主功率变换器的控制策略是通过控制输出信号的占空比控制电池单元的主电流，包括正弦脉宽调制(SPWM)、空间矢量脉宽调制(SVPWM)。
所述控制电路，对辅助功率变换器的控制策略是通过控制输出信号的占空比实现电池模块的充放电电流与主电流的差异值进行独立闭环控制，包括脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)。
所述电池单元为退运电池或新生产的电池。
所述电池单元包括锂离子电池、铅酸电池、超级电容器、镍氢电池。
所述辅助功率变换器在电池模块充放电过程中，若电池模块处于充电状态，能量传输为正向，即原边变换器到副边变化器的能量传输，在一个PWM周期内，第七开关管Q7和第八开关管Q8同时导通，第九开关管Q9处于均关断状态，第一续流二极管VD1和第二续流二极管VD2截至，原边绕组Wp电流线性上升储存能量，第七开关管Q7和第八开关管Q8导通一段时间后使其同时关断，第一续流二极管VD1和第二续流二极管VD2立即导通，钳制了由于漏感所引起的原边绕组感应电势，同时漏感能量使副边形成感应电势使副边反并联二极管导通，能量流入电池模块，给电池模块充电；若电池模块处于放电状态能量传输为反向，即副边变换器到原边变化器的能量传输，在一个PWM周期内，第九开关管Q9处于导通状态，第七开关管Q7和第八开关管Q8均处于关断状态，副边绕组W1储存能量，第九开关管Q9导通一段时间后使其关断，漏感能量使原边形成感应电势使原边两个续流二极管导通，能量回馈电网，实现电池储能系统的双向控制，且仅对电池模块充放电电流与主电流的差异值进行独立闭环控制。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明利用原边集成的双管反激拓扑结构，提高了电压输入范围，且利用两个续流二极管减小功率开关管的电压应力，减小导通损耗，在满足一个原边对应多个极限副边的情况下，当需要增加电池组模块时，每个电池组模块只用在副边添加一个反激变换器，原边保持不变，且不会对原电路造成影响，很大程度地简化变压器的设计难度、设计成本，以及变压器的重量和体积也随之减轻。
2、本发明在模块化电池储能系统中采用双向动态均衡技术，实现差异电流的独立控制，能保证系统总控制功率小，绝对损耗小，改善串联电池模块不一致性，提高电池能量利用率，且易于扩展串联电池模块数的；同时，利用原边集成的反激结构，简化变压器的设计，减少电路的功率器件，主功率变换器和辅助功率变换器可同时工作，也可分别工作，互不影响，适合在中大功率等级，高等电压等级，对利用率要求很高的储能系统应用场合。
附图说明
图1是本发明所述一种双向反激原边集成式的电池储能系统的电路图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1，一种双向反激原边集成式的电池储能系统，包括电池单元100、主功率变换器200和辅助功率变换器300；所述电池单元100由n组电池模块110串联，电池模块110至上而下命名为B1、B2、...、Bn，所述主功率变化换器200的一端与电池单元100并联，另一端接入三相电网，所述辅助功率变换器300包括原边集成式高频变压器310、原边变换器320和副边变换器330，其中原边变换器320的一端与电池单元100并接，另一端与原边集成式高频变压器310相连；副边变换器330的一端与原边集成式高频变压器310相连，另一端与电池模块对应相连。
主功率变换器200由六个带反并联二极管220的IGBT、直流侧电容Cd以及三个滤波电感L构成，第一开关管Q1的发射集端子连接在第一滤波电感La的第一端，第一开关管Q1的集电极端子连接在电池单元100的正极，第二开关管Q2的发射集端子连接在电池单元100的负极，第二开关管Q2的集电极端子连接在第一滤波电感La的第一端，第三开关管Q3的发射集端子连接在第二滤波电感Lb的第一端，第三开关管Q3的集电极端子连接在电池单元100的正极，第四开关管Q4的发射集端子连接在电池单元100的负极，第四开关管Q4的集电极端子连接在第二滤波电感Lb的第一端，第五开关管Q5的发射集端子连接在第三滤波电感Lc的第一端，第五开关管Q5的集电极端子连接在电池单元100的正极之间，第六开关管Q6的发射集端子连接在电池单元100的负极，第六开关管Q6的集电极端子连接在第三滤波电感Lc的第一端，第一滤波电感La、第二滤波电感Lb和第三滤波电感Lc的第二端分别接入三相交流电网的Ua相、Ub相和Uc相。
IGBT的栅极均与控制电路相连，使IGBT的导通与关断由控制电路控制，主功率变换器通过正弦脉宽调制(SPWM)和空间矢量脉宽调制(SVPWM)中的一种控制IGBT导通的占空比，从而实现控制电池单元100的主电流。
辅助功率变换器300由原边集成式高频变压器310、原边变换器320和副边变换器330组成。所述原边集成式高频变压器由一个原边绕组Wp和多个副边绕组组成，副边绕组至上而下的明明分别为W1、W2、...、Wn，且原边绕组Wp的匝数和多个副边绕组W1、W2、...、Wn匝数之和基本相同，达到变压器的变比约等于1。所述原边变换器320由两个带反并联二极管220的MOSFET、两个续流二极管VD以及直流电容Cp组成，第七开关管Q7的漏极端子连接在本电池单元100的正极，第七开关管Q7的源极端子连接在原边绕组Wp的第一端子，第八开关管Q8的漏极端子连接在本电池单元100的负极，第八开关管Q8的源极端子连接原边绕组Wp的第二端子之间，第一续流二极管VD1的阴极与本电池单元100的正极相连，第一续流二极管VD1的阳极与原边绕组Wp的第二端子相连，第二续流二极管VD2的阳极与本电池单元100的负极相连，第二续流二极管VD2的阴极与原边绕组Wp的第一端子相连，直流电容Cp与本电池单元100并接。MOSFET的栅极均与控制电路相连，使MOSFET的导通与关断由控制电路控制。所述副边变换器330的数量与电池模块110数量一一对应且结构完全相同，以第一个副边变换器330-1为例，所述第一副边变换器330-1由一个带反并联二极管220的MOSFET和直流电容C1组成，第九开关管Q9的漏极端子连接在副边绕组W1的第二端子，第九开关管Q9的源极端子连接在电池模块110的负极，直流电容C1与电池模块并联。MOSFET的栅极均与控制电路相连，使MOSFET的导通与关断由控制电路控制。其中与电池模块110相连的副边变换器330的工作过程都是一样的，均是利用电池模块充放电电流与主电流的差异值进行独立闭环控制。辅助功率变换器正向工作过程如下：若电池模块110处于充电状态，能量传输为正向，即原边变换器320到副边变化器330的能量传输，在一个PWM周期内，第七开关管Q7和第八开关管Q8同时导通，第九开关管Q9处于均关断状态，第一续流二极管VD1和第二续流二极管VD2截至，原边绕组Wp电流线性上升储存能量，第七开关管Q7和第八开关管Q8导通一段时间后使其同时关断，第一续流二极管VD1和第二续流二极管VD2立即导通，钳制了由于漏感所引起的原边绕组Wp感应电势，同时漏感能量使副边形成感应电势使副边反并联二极管220导通，能量流入电池模块110，给电池模块110充电。
当电池模块110处于放电状态，能量传输为反向，即副边变换器330到原边变化器320的能量传输，在一个PWM周期内，第九开关管Q9处于导通状态，第七开关管Q7和第八开关管Q8均处于关断状态，副边绕组W1储存能量，第九开关管Q9导通一段时间后使其关断，漏感能量使原边形成感应电势使原边两个钳位二极管导通，能量回馈电网，实现电池储能系统的双向控制。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双向反激原边集成式的电池储能系统，其特征在于：包括电池单元、主功率变换器、辅助功率变换器和控制电路；所述电池单元由n组电池模块串联而成，n组电池模块依次为B1、B2、...、Bn，所述主功率变换器一端与电池单元并联，另一端接入三相电网，所述辅助功率变换器包括原边集成式高频变压器、原边变换器和副边变换器，其中原边变换器一端与电池单元相连，另一端与原边集成式高频变压器相连；副边变换器的一端与原边集成式高频变压器相连，另一端与电池模块对应相连；控制电路分别与主功率变换器、辅助功率变换器连接；
所述主功率变换器包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、直流侧电容Cd、第一滤波电感、第二滤波电感、第三滤波电感，其中第一开关管的发射集端子连接在第一滤波电感的第一端，第一开关管的集电极端子连接在电池单元的正极，第二开关管的发射集端子连接在电池单元的负极，第二开关管的集电极端子连接在第一滤波电感的第一端，第三开关管的发射集端子连接在第二滤波电感的第一端，第三开关管的集电极端子连接在电池单元的正极，第四开关管的发射集端子连接在电池单元的负极，第四开关管的集电极端子连接在第二滤波电感的第一端，第五开关管的发射集端子连接在第三滤波电感的第一端，第五开关管的集电极端子连接在电池单元的正极之间，第六开关管的发射集端子连接在电池单元的负极，第六开关管的集电极端子连接在第三滤波电感的第一端，第一滤波电感、第二滤波电感、第三滤波电感的第二端分别接入三相交流电网的Ua相、Ub相、Uc相；第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管的栅极均与控制电路相连，使第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管的导通与关断由控制电路控制；所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管均为带反并联二极管的IGBT开关管；
所述原边集成式高频变压器包括一个原边绕组和n个副边绕组，副边绕组依次为W1、W2、...、Wn；
所述原边变换器包括第七开关管、第八开关管、第一续流二极管、第二续流二极管、直流电容Cp；其中第七开关管的漏极端子连接在电池单元的正极，第七开关管的源极端子连接在原边绕组的第一端子，第八开关管的漏极端子连接在电池单元的负极，第八开关管的源极端子连接原边绕组的第二端子之间，第一续流二极管的阴极与电池单元的正极相连，第一续流二极管的阳极与原边绕组的第二端子相连，第二续流二极管的阳极与电池单元的负极相连，第二续流二极管的阴极与原边绕组的第一端子相连，直流电容Cp与电池单元并接；第七开关管、第八开关管的栅极均与控制电路相连，使第七开关管、第八开关管的导通与关断由控制电路控制；所述第七开关管、第八开关管均为带反并联二极管的MOSFET开关管；
所述副边变换器包括n个独立单元，每个独立单元分别对应一个电池模块，其中副边绕组W1所连接的独立单元包括第九开关管、直流电容C1，第九开关管的漏极端子连接在副边绕组W1的第二端子，副边绕组W1的第一端子连接在对应电池模块的正极，第九开关管的源极端子连接在对应电池模块的负极，直流电容C1与对应电池模块并联，第九开关管的栅极与控制电路相连，使第九开关管的导通与关断由控制电路控制；所述第九开关管为带反并联二极管的MOSFET开关管；其余副边绕组W2、...、Wn所连接的独立单元的结构依此类推；
所述辅助功率变换器在电池模块充放电过程中，若电池模块处于充电状态，能量传输为正向，即原边变换器到副边变化器的能量传输，在一个PWM周期内，第七开关管和第八开关管同时导通，第九开关管处于均关断状态，第一续流二极管和第二续流二极管截至，原边绕组电流线性上升储存能量，第七开关管和第八开关管导通一段时间后使其同时关断，第一续流二极管和第二续流二极管立即导通，钳制了由于漏感所引起的原边绕组感应电势，同时漏感能量使副边形成感应电势使副边反并联二极管导通，能量流入电池模块，给电池模块充电；若电池模块处于放电状态能量传输为反向，即副边变换器到原边变化器的能量传输，在一个PWM周期内，第九开关管处于导通状态，第七开关管和第八开关管均处于关断状态，副边绕组W1储存能量，第九开关管导通一段时间后使其关断，漏感能量使原边形成感应电势使原边两个续流二极管导通，能量回馈电网，实现电池储能系统的双向控制，且仅对电池模块充放电电流与主电流的差异值进行独立闭环控制。
2.根据权利要求1所述双向反激原边集成式的电池储能系统，其特征在于：所述控制电路，对主功率变换器的控制策略是通过控制输出信号的占空比控制电池单元的主电流，包括正弦脉宽调制、空间矢量脉宽调制。
3.根据权利要求1所述双向反激原边集成式的电池储能系统，其特征在于：所述控制电路，对辅助功率变换器的控制策略是通过控制输出信号的占空比实现电池模块的充放电电流与主电流的差异值进行独立闭环控制，包括脉冲宽度调制、脉冲频率调制。
4.根据权利要求1所述双向反激原边集成式的电池储能系统，其特征在于：所述电池单元为退运电池或新生产的电池。
5.根据权利要求1所述双向反激原边集成式的电池储能系统，其特征在于：所述电池单元包括锂离子电池、铅酸电池、超级电容器、镍氢电池。
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高压双管反激变换器的设计;封心歌;《现代雷达》;第26卷(第6期);第57页-第62页 *

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