CN108306320A - 一种储能变流器和储能变流系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能变流器和储能变流系统。所述储能系统包括三相电网、储能电池和储能变流器，其中储能变流器包括：连接在三相电网和储能电池之间的三条功率变换链路，每条功率变换链路包括：多个功率变换单元；每个功率变换单元的交流端口相互串联，每个功率变换单元的直流端口彼此独立，并分别连接各自的储能电池。本发明通过将多个功率变换单元的直流侧单独设置，并分别连接各自的储能电池，交流侧进行链式串联，能够实现无变压器的高压直挂式大规模电化学储能。

Description

一种储能变流器和储能变流系统

技术领域

本发明涉及电力电子变换技术领域，特别涉及一种储能变流器和储能变流系统。

背景技术

随着技术的发展，环境压力的加大，可再生能源越来越多的出现在我们的生产生活当中。风力发电和太阳能发电此类可再生能源具有随机性、间歇性和波动性，大规模接入将给电网调峰、运行控制和供电质量等带来巨大挑战。大容量储能技术能够有效提升电网接纳清洁能源的能力，解决间歇式可再生能源发电直接并网对电网冲击的问题，有助于可再生能源更快发展，提高可再生能源在电网中的渗透率。

电化学储能是储能体系中重要的组成部分，主要包括了各种二次电池，是构建智能电网、促进分布式能源消纳和微电网功率平衡的重要部分。电化学储能变流器(PowerConversion System，PCS)是电化学储能系统的核心设备，属于大功率电力电子技术的范畴，PCS可以实现储能电池与电网间的交直流转换，完成两者间的双向能量流动，是储能系统的主要执行机构。

传统技术方案采用桥式两电平或者中性点钳位三电平拓扑结构构建PCS，采用传统方案的PCS输出电压较低(一般低于6KV)，功率容量也较小(通常单机不大于500KW)，要实现高电压大规模储能，一般采用多台低压小容量PCS的交流侧并联，然后经过升压变压器后接入高压电网，带来的问题是运行损耗高，而且并联的台数不易过多，否则控制变得十分复杂，容易出现环流和谐振问题，这大大制约了储能系统的容量扩展，限制了储能系统在电力系统中应发挥的作用。

发明内容

本发明提供了一种储能变流器和储能变流系统，以解决利用传统方案的PCS实现高电压大规模储能导致的运行损耗高、控制复杂的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一方面，本发明提供了一种储能变流器，包括：连接在三相电网和储能电池之间的三条功率变换链路，每条功率变换链路包括：多个功率变换单元；

每个功率变换单元的交流端口相互串联，每个功率变换单元的直流端口彼此独立，并分别连接各自的储能电池。

另一方面，本发明提供了一种储能变流系统，包括三相电网、储能电池和上述的储能变流器。

本发明的有益效果是：本发明通过将多个功率变换单元的直流侧单独设置，并分别连接各自的储能电池，交流侧进行链式串联，不但能够实现无变压器的高压直挂式大规模电化学储能，同时还能够解决采用多台小容量PCS并联带来的环流、谐振和控制复杂等问题；且每一个链节的储能电池彼此独立，避免了大规模电池的串并联，缓解了电池大规模串并联所存在的“短板效应”，配合相应的均衡控制策略可以实现不同容量的储能电池甚至不同介质电池组的混用，大大提高了储能系统的能量可用率和经济性。

附图说明

图1为本发明实施例示出的功率变换链路采用星型连接的储能变流系统的电路示意图；

图2为本发明实施例示出的功率变换链路采用三角形连接的储能变流系统的电路示意图；

图3为本发明实施例示出的功率变换电路的电路示意图；

图4为本发明实施例示出的功率变换单元的电路示意图；

图5为本发明实施例示出的链节控制器的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1为本发明实施例示出的功率变换链路采用星型连接的储能变流系统的电路示意图，图2为本发明实施例示出的功率变换链路采用三角形连接的储能变流系统的电路示意图，如图1和图2所示，本申请的储能变流器系统包括三相电网(Ua、Ub和Uc)、储能电池和储能变流器。

本发明实施例的三相电网的电压等级可以是三相6KV、10KV乃至35KV，可以给储能系统供电也可以从储能系统中汲取电能。储能电池是本发明实施例中的能量存储设备，主要包含了锂电池、铅酸电池、铅碳电池等电化学介质的二次电池，本发明实施例的储能电池可以是以上一种电池，也可以是两种以上的上述电池的混用。

储能变流器连接着三相电网和储能电池，作为储能变流的核心，是储能变流能量传输和变换的执行机构，负责将电网中的电能存储到储能电池中，或者将储能电池中的电能释放到三相电网里。储能变流器配合高级控制指令可以实现调峰调频、应急供电、后备电源、平滑功率或者负荷曲线，以及改善电能质量等作用。

本发明实施例的储能变流器包括连接在三相电网和储能电池之间的三条功率变换链路，每条功率变换链路包括：多个功率变换单元；每个功率变换单元的交流端口相互串联，每个功率变换单元的直流端口彼此独立，并分别连接各自的储能电池。其中，每条功率变换链路的功率变换单元的数目(即链节数)与接入的电网电压等级、储能电池的容量有关，即成正比关系，一般地，可以设置10-30个功率变换单元，如设置20个。本发明中三条功率变换链路的链节数可以相同，也可以不同，本发明对此不做限定。

参考图1和图2，本发明实施例中的三条功率变换链路可以组成星型连接，也可以是三角形连接。如图1所示，当三条功率变换链路组成星型连接时，三条功率变换链路的一端分别连接到三相电网的abc三条输电线上，另一端彼此相连，构成星型连接的中心点N。每条功率变换链路由多个功率变换单元的交流侧串联而成，而每条功率变换链路的直流侧彼此独立，分别连接着一个储能电池。

需要说明的是，本发明实施例中的一个功率变换单元连接的储能电池只能是同一种电池，各个功率变换单元对应的储能电池可以不同。

本发明实施例采用功率变换单元的交流输出侧串联，实现了无升压变压器的高电压输出，同时功率变换链路的等效开关频率提高，假设单个功率变换单元的开关频率为f，每条功率变换链路中共有n个链节(即n个功率变换单元)，则每条功率变换链路的等效开关频率为nf，则储能变流器输出电压电流谐波含量降低，省去了传统变流器的LCL滤波器，采用并网电抗器即可，可以进一步提高转换效率，降低成本。

具体的，参考图1或图2，本申请实施例的储能变流器还包括：三条并网电抗器支路，这三条并网电抗器支路分别连接在三相电网和三条功率变换链路之间，用于限流和滤波。

在本发明的一个实施例中，本发明的功率变换单元包括功率变换电路和滤波电路，其中，功率变换电路为由功率变换器件组成的单相H桥式电路。

本实施例的功率变换器件可以是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)、IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristors，集成门极换流晶闸管)或者IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor，电子注入增强栅晶体管)，参考图3，本发明实施例示例性示出采用全控型电力电子器件IGBT构建功率变换电路。如图3所示，本实施例的率变换电路包括四个IGBT，IGBT1的集电极与功率变换单元的直流端口Udc的正极相连，发射极与IGBT2的集电极相连，构成了H桥的第一桥臂；IGBT2的发射极与直流端口Udc的负极相连，IGBT3的发射极与IGBT4的集电极相连，构成H桥的第二桥臂；第二桥臂与第一桥臂并联，构成H桥拓扑，第一桥臂中IGBT1与IGBT2的连接线的引出线作为功率变换单元交流端口Uac的一端，第二桥臂中IGBT3与IGBT4连接线的引出线作为交流端口Uac的另一端。

当采用IGBT构建本实施例的单相H桥式电路时，在器件选型时要考虑1.2倍的过载电流能力，每个链节的IGBT可以使用单管，也可以根据容量需要采用并联的方式，本发明图3示例性示出采用单管方式，此时无需考虑器件并联引起的均流问题，因此均流系数为1，可以按照两倍电流裕量进行设计；当采用并联方式，需要考虑均流问题设计电流裕量。

本实施例中的单相H桥式电路的IGBT承受的最大电压为直流母线的电压，即为储能电池的最大端电压，考虑到储能电池不能串联过多电池，每个链节工作时允许直流电压一般不超过800V，考虑到直流母线上存在瞬时电压尖峰，可以按照两倍的电压裕度进行IGBT的选型设计，本实施例示例选用1700V/400A的IGBT。

参考图4，本实施例的滤波电路包括：直流滤波电抗器L和直流平板滤波电容C，直流滤波电抗器L串联连接在单相H桥式电路的直流端口侧，直流平板滤波电容C与单相H桥式电路并联，直流平板滤波电容C并联连接在单相H桥式电路与直流滤波电抗器L的连接线之间。

本实施例中的直流平板滤波电容C用于平滑直流母线上的电压波动，当储能变流系统需要调节无功功率时，直流平板滤波电容C成为无功交换的载体，避免三相电网与储能电池之间存在无功流动。本实施例根据电压、电流和电容值进行直流平板滤波电容C的选型，若直流母线正常的工作电压在800V以内，那么按照1.2倍电压裕度进行设计，直流平板滤波电容C的额定电压应高于960V，为了保证直流母线电压异常而出现短时过压，直流平板滤波电容C应具有短时过压能力；当储能变流系统的输出为无功电流时，储能变流器的直流侧电流都由直流平板滤波电容C提供，若按照1.5倍的电流裕度进行设计，直流平板滤波电容C的容值根据对直流纹波的抑制需要来选型，本实施例示例性选1200V/6000uF电容器。

直流滤波电抗器L与直流平板滤波电容C一起用于降低2倍频的脉动，平滑储能电池的输出电流，改善储能电池的工作条件，保证储能电池的使用寿命达到设计要求。本实施例根据电压、电流和电感值进行直流滤波电抗器L的选型，直流滤波电抗器L可能出现的最大电压是储能电池的极性接反，此时直流平板滤波电容C的电压和储能电池的电压由直流滤波电抗器L承担，若直流滤波电抗器L的电压最大值为1600V，考虑1.5倍的电压裕度，直流滤波电抗器L的额定电压为2400V，若将直流滤波电抗器L分散布置，如图4所示，在单相H桥式电路的直流端口的正极连接线和负极连接上各串联一个直流滤波电抗器L，此时每个直流滤波电抗器L的耐压可适当下降；当储能变流系统的输出电流为有功电流时，储能变流器的直流侧电流基本由储能电池提供，该电流都要流经直流滤波电抗器L，因此直流滤波电抗器L的电流可按交流侧电流考虑，由于直流滤波电抗器L的电流不低于额定电流，考虑一定的裕度可按照150A(本实施例的储能变流系统的设计容量为2MW)进行设计。

需要说明的是，本发明实施例的直流平板滤波电容C与直流滤波电抗器L一起构成滤波电路，本发明实施例为降低100Hz以上的电流成分流入储能电池，本发明实施例将直流滤波电抗器L的电感值设计的大一些，如取2mH，参考图4所示，在直流母线的正负母线上各安装1mH的直流滤波电抗器L，以取得更好的平波效果。

如图4所示，本发明实施例的功率变换单元还包括：电源模块、预充电开关K1、限流电阻R、电阻旁路开关K2和链节旁路开关K3；

电源模块连接在功率变换单元的直流端口，用于从储能电池取电，配合三相电网的整流供电，保证储能交流系统的控制电在并/离网时均不中断，确保储能交流系统的正常工作；

预充电开关K1和限流电阻R串联连接在单相H桥式电路的直流端口侧的正极连接线上，其中，预充电开关K1用于控制电源模块对直流平板滤波电容C充电；实际应用中，当储能电池的隔离刀闸闭合后，闭合预充电开关K1，使储能电池对直流平板滤波电容C充电，充电完成后再断开预充电开关K1。限流电阻R用于保护电源模块和直流平板滤波电容C。

电阻旁路开关K2并联连接在预充电开关K1和限流电阻R的串联线路上，用于在直流平板滤波电容C充电完成后，旁路限流电阻R。实际应用中，当直流平板滤波电容C充电完成后，闭合电阻旁路开关K2以切除限流电阻R，避免不必要的电能损耗。

链节旁路开关K3并联连接在单相H桥式电路的交流端口侧，用于在单相H桥式电路故障时，旁路单相H桥式电路；本实施例中的链节旁路开关K3属于冗余设计，链节旁路开关K3充当了功率变换链路的一部分，因此，链节旁路开关K3的额定电流不能小于150A。

在本发明的另一个实施例中，本发明实施例的储能变流器还包括与功率变换单元一一对应的链节控制器，即每个率变换单元对应有一个链节控制器。

图5为本发明实施例示出的链节控制器的结构框图，如图5所示，本发明实施例的链节控制器包括：解码模块、信号处理模块和驱动电路；

解码模块，用于解码来自储能变流系统的主控制器的控制命令，并将解码后的控制命令发送给信号处理模块；

信号处理模块，用于将控制命令转发给驱动电路；

驱动电路，用于根据控制命令生成驱动信号对功率变换单元进行控制，即对单相H桥式电路的IGBT进行控制。

本发明实施例的链节控制器还可以对功率变换单元进行故障控制，参考图5，本发明实施例的链节控制器还包括：故障复位模块、编码模块、故障信号汇总模块、直流侧过压欠压检测模块和旁路继电器；

故障复位模块，用于接收故障复位信号并转发给信号处理电路，如在手动排除临时性故障后，触发生成故障复位信号并发送给故障复位电路，此时故障复位电路接收并转发该故障复位信号。

直流侧过压欠压检测模块，用于根据预设的电压上下限阈值，判断功率变换单元的直流侧电压是否过电压或者欠电压，并将检测结果发送给故障信号汇总模块；通过判断功率变换单元的直流侧电压是否过电压或者欠电压得到功率变换单元的状态，如过压状态、过流状态等。

故障信号汇总模块，用于接收来自驱动电路的驱动故障信号，将驱动故障信号和功率变换单元的直流侧电压的过电压或者欠电压的检测结果统一处理后，得到故障信号发送给信号处理模块。

信号处理模块，用于根据故障复位信号和故障信号生成故障封锁信号，并将故障封锁信号发送给编码模块和旁路继电器。

旁路继电器，用于根据故障封锁信号对功率变换单元进行旁路控制，如通过控制链节旁路开关K3的开合实现对功率变换单元的旁路控制。

编码模块，用于将故障封锁信号编码后，发送给储能变流系统的主控制器，使得主控制器获知当前功率变换单元的状态信息，如处于过压状态、过流状态等。

本发明实施例中的链节控制器还可以实现对功率变换单元直流侧电信号，交流侧电信号的测量。参考图5，本发明实施例的链节控制器还包括电压电流获取模块；

电压电流获取模块，用于获取功率变换单元的直流母线电压、直流母线电流、交流侧电压和交流侧电流，并将获得的直流母线电压、直流母线电流、交流侧电压和交流侧电流发送给编码模块；编码模块，用于将所述直流母线电压、直流母线电流、交流侧电压和交流侧电流编码后发送给主控制器，以使主控制器获得功率变换单元直流侧电压/电流信息和交流侧电压/电流信息。

其中，参考图4，本发明实施例的功率变换单元还包括电流传感器、直流电压检测模块、电流互感器和交流电压测量电路；

电流传感器设置在于限流电阻R和直流滤波电抗器L之间，用于检测直流母线电流；实际应用中，可以利用霍尔型传感器检测流经直流母线的电流，以保证精度满足系统要求。

直流电压检测模块并联连接在直流平板滤波电容C的两侧，用于检测直流母线电压；实际应用中，直流电压检测模块可以对检测到的直流母线电压作适当的滤波和调理。

电流互感器安装于交流端口与第一桥臂之间的输出线上，用于感应交流侧电流；由于功率变换单元交流侧电流为工频电流，因此可以选用电流互感器进行测量，为了保证测量精度，本发明实施例选择变比为200A/5A的电流互感器。

交流电压测量模块并联连接在交流端口，用于测量交流侧电压；实际应用中，交流电压检测模块可以对检测到的交流侧电压作适当的滤波和调理。

图5中的电压电流获取模块即可从功率变换单元的电流传感器、直流电压检测模块、电流互感器和交流电压测量模块获得直流母线电压、直流母线电流、交流侧电压和交流侧电流。

本发明实施例的电压电流获取模块在获得上述电信号后，还利用链节控制器的信号传输模块对该电信号进行电位隔离。

参考图5，本发明实施例的信号传输模块，用于对直流母线电压、直流母线电流、交流侧电压和交流侧电流进行电位隔离处理，将电位隔离处理后的直流母线电压、直流母线电流、交流侧电压和交流侧电流通过光纤发送给所述主控制器。

实际应用中，信号传输模块可以被划分为采样电路、电位隔离电路，利用采样电路对将较高的直流母线电压转化为较小的电压信号、将较大的直流母线电流转化为较小的电流信号、将较高的交流侧电压转化为较小的电压信号后经过电位隔离处理，经过光纤传输给主控制器。

本发明实施例中的主控器可以对光纤传输过来的信号进行电位隔离，再利用信号调理电路将隔离后的电信号调整到合适范围，如将所有被测电量转化为4～20mA电流信号，转换速率不低于10K。

本发明实施例中的编码模块、解码模块、信号处理模块、故障信号汇总模块可以集成在CPLD上。

本发明实施例的链节控制器能够实现与主控制器点对点通讯，通过光纤通讯实现与主控制器之间的协调控制，如驱动单相H桥式电路的IGBT实现对功率变换单元的控制。

本发明实施例的链节控制器还能够实现对功率变换单元的硬件保护，如通过预充电开关K1、限流电阻R和电阻旁路开关保护直流平板滤波电容C；以及能够实现对功率变换单元的直流侧电信号、交流侧电信号的测量，如通过设置电流传感器、直流电压检测模块、电流互感器、交流电压测量模块和电压电流获取模块获得相应的电信号。

并且，本发明实施例的链节控制器还能对功率变换单元进行旁路控制，如通过设置故障复位电路、故障信号汇总电路、直流侧过压欠压检测电路、旁路继电器和链节旁路开关对发生故障的功率变换单元进行旁路处理，旁路掉故障链节。

综上所述，本发明实施例公开的储能变流器和储能变流系统至少具有如下优点：

1、本发明通过使功率变换单元得直流侧连接电化学储能电池，交流侧链式串联，再通过并网电抗器直接接入高压电网，实现了无变压器的高压直挂式大规模电化学储能，降低了成本，提高了电能转换效率。

2、本发明打破了传统PCS单机容量不大的瓶颈限制，通过链式拓扑结构实现了MW乃至十MW数量级的单机PCS，在大规模电化学储能领域，避免了采用多台小容量PCS并联带来的环流、谐振和控制复杂等问题。

3、本发明的链式拓扑结构的功率变换链路的等效开关频率很高，输出电压电流谐波含量少，从而可以省去传统的LCL滤波器，只用并网电抗器即可有效进行滤波，进一步降低了成本，提高了转换效率，而每一个功率变换单元的开关频率可以较低，降低了功率开关器件的电压应力，降低了功率器件的故障率。

4、每一个链节的储能电池彼此独立，避免了大规模电池的串并联，缓解了电池大规模串并联所存在的“短板效应”，配合相应的均衡控制策略可以实现不同容量电池组甚至不同介质电池组的混用，大大提高了储能系统的能量可用率和经济性。

为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分，本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种储能变流器，其特征在于，包括：连接在三相电网和储能电池之间的三条功率变换链路，每条功率变换链路包括：多个功率变换单元；

每个功率变换单元的交流端口相互串联，每个功率变换单元的直流端口彼此独立，并分别连接各自的储能电池。

2.根据权利要求1所述的储能变流器，其特征在于，所述储能变流器还包括：三条并网电抗器支路；

三条并网电抗器支路分别连接在所述三相电网和三条功率变换链路之间，用于限流和滤波。

3.根据权利要求1所述的储能变流器，其特征在于，所述功率变换单元包括功率变换电路和滤波电路，所述功率变换电路为由功率变换器件组成的单相H桥式电路；

所述滤波电路包括：直流滤波电抗器和直流平板滤波电容；

所述直流滤波电抗器串联连接在所述单相H桥式电路的直流端口侧，与所述直流平板滤波电容一起用于降低2倍频的脉动，平滑所述储能电池的输出电流；

所述直流平板滤波电容与所述单相H桥式电路并联，所述直流平板滤波电容并联连接在所述单相H桥式电路与所述直流滤波电抗器的连接线之间，用于平滑直流母线上的电压波动。

4.根据权利要求3所述的储能变流器，其特征在于，所述功率变换单元还包括：电源模块、预充电开关、限流电阻和电阻旁路开关；

所述电源模块连接在所述功率变换单元的直流端口，用于从所述储能电池取电，配合三相电网的整流供电；

所述预充电开关和所述限流电阻串联连接在所述单相H桥式电路的直流端口侧的正极连接线上，所述预充电开关用于控制所述电源模块对所述直流平板滤波电容充电，所述限流电阻用于保护所述电源模块和所述直流平板滤波电容；

所述电阻旁路开关并联连接在所述预充电开关和所述限流电阻的串联线路上，用于在所述直流平板滤波电容充电完成后，旁路所述限流电阻。

5.根据权利要求3所述的储能变流器，其特征在于，所述功率变换单元还包括：链节旁路开关；

所述链节旁路开关并联连接在所述单相H桥式电路的交流端口侧，用于在所述单相H桥式电路故障时，旁路所述单相H桥式电路。

6.根据权利要求1所述的储能变流器，其特征在于，所述储能变流器还包括与所述功率变换单元一一对应的链节控制器，所述链节控制器包括：解码模块、信号处理模块和驱动电路；

所述解码模块，用于解码来自储能变流系统的主控制器的控制命令，并将解码后的控制命令发送给信号处理模块；

所述信号处理模块，用于将所述控制命令转发给所述驱动电路；

所述驱动电路，用于根据所述控制命令生成驱动信号对所述功率变换单元进行控制。

7.根据权利要求6所述的储能变流器，其特征在于，所述链节控制器还包括：故障复位模块、编码模块、故障信号汇总模块、直流侧过压欠压检测模块和旁路继电器；

所述故障复位模块，用于接收故障复位信号并转发给所述信号处理电路；

所述直流侧过压欠压检测模块，用于根据预设的电压上下限阈值，判断功率变换单元的直流侧电压是否过电压或者欠电压，并将检测结果发送给故障信号汇总模块；

所述故障信号汇总模块，用于接收来自驱动电路的驱动故障信号，将所述驱动故障信号和所述功率变换单元的直流侧电压的过电压或者欠电压的检测结果统一处理后，得到故障信号发送给信号处理模块；

所述信号处理模块，用于根据所述故障复位信号和所述故障信号生成故障封锁信号，并将所述故障封锁信号发送给所述编码模块和所述旁路继电器；

所述旁路继电器，用于根据所述故障封锁信号对所述功率变换单元进行旁路控制；

所述编码模块，用于将所述故障封锁信号编码后，发送给储能变流系统的主控制器。

8.根据权利要求6所述的储能变流器，其特征在于，所述链节控制器还包括：电压电流获取模块；

所述电压电流获取模块，用于获取所述功率变换单元的直流母线电压、直流母线电流、交流侧电压和交流侧电流，并将检测的所述直流母线电压、直流母线电流、交流侧电压和交流侧电流发送给所述编码模块；

所述编码模块，用于将所述直流母线电压、直流母线电流、交流侧电压和交流侧电流编码后发送给所述主控制器。

9.根据权利要求8所述的储能变流器，其特征在于，所述链节控制器还包括：信号传输模块；

所述信号传输模块，用于对所述直流母线电压、直流母线电流、交流侧电压和交流侧电流进行电位隔离处理，将电位隔离处理后的直流母线电压、直流母线电流、交流侧电压和交流侧电流通过光纤发送给所述主控制器。

10.一种储能系统，其特征在于，包括三相电网、储能电池和权利要求1-9任一项所述的储能变流器。