CN108306324A - 模块化集中式储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化集中式储能系统，包括模块化多电平变换器、储能系统接口、隔离型DC/DC电路、储能单元；所述模块化多电平变换器输入端接k相高压交流电，输出端接正负高压直流母线，正直流母线通过上桥臂电感与子模块1至n相连接入储能系统子接口20i的i1端，负直流母线通过下桥臂电感与子模块n+1至2n相连接入储能系统子接口20i的i2端，i＝1,2,···k，所述储能系统子接口20i输出端与隔离型DC/DC电路输入端相连，所述隔离型DC/DC电路输出端与储能单元相连。本发明的拓扑克服了传统分布式储能单元能量分配不平衡和传统集中串联储能单元回馈网侧能量不均匀的缺陷，为电力系统提供高质量、操作安全的集中式储能系统。

Description

模块化集中式储能系统

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体说是一种模块化集中式储能系统。

背景技术

随着以风力和光伏发电为代表的新能源并网需求和容量不断增大，系统本身受环境影响而存在的间歇性、波动性、不完全可控性造成网侧电压更大地波动，对电网稳定可靠运行造成较大的负面影响，为了抑制新能源发电并网波动，设计一种有效的解决方法即加入储能系统，以保障电网供电可靠性，改善电能质量。

中国太阳能和风能资源分布不均，西部青海、甘肃等地区光照风能丰富，需要西电东送，但交流输送远不如直流传输性能。因此，随着新能源并网需求日益增加，对高压直流输电稳定性要求更加严格，模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)因其具备高度模块化结构、具备公共直流母线、等效开关频率高、低功耗等诸多优点，在新能源并网、高压直流输电等诸多领域应用广泛，可提高系统稳定性、降低损耗，改善电能质量。

传统MMC储能技术按整体形式可分为集中式并联储能和分布式并联储能，按隔离程度可分为非隔离式储能和隔离式储能。将储能单元(energy storage unit,ESU)直接并联于高压直流侧的集中式储能系统，结构简单，但其采用单体大容量电池，缺乏灵活性，且由于各个子模块电压不平衡容易导致回馈网侧能量不均匀。分布式储能系统将储能单元分散于MMC各子模块中，需要对各个子模块中电池组的充放电状态进行复杂的均衡控制，且大量电池分散安装给其安装、维护、更换以及电池管理带来大大不便，子模块中含有储能装置增大了模块体积和重量，不利于子模块与系统整体的装配和融合，随着子模块数量的增多，其子模块间电压不平衡度增加，导致其各个模块电压均衡更加困难。

非隔离式储能无隔离变压器，可相应减小系统成本，但在中高压领域，为控制安全和储能单元耐压及延长系统使用寿命起见，需增加高频隔离变压器装置构成隔离式储能系统。因此，本发明拓扑避免了传统分布式储能单元能量分配不平衡和传统集中串联储能单元回馈网侧能量不均匀的缺点，涉及了模块化集中式储能系统。

发明内容

本发明的目的在于克服传统分布式储能单元控制复杂，能量分布不均衡，装配、维护、电池管理不便以及传统集中式储能单元回馈网侧能量不均匀的缺陷，提供了一种模块化集中式储能系统，为电力系统提供高质量、操作安全的储能系统。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种模块化集中式储能系统，包括模块化多电平变换器1、隔离型DC/DC电路3和储能单元4；

所述模块化多电平变换器1包括储能系统接口2、k相2k个桥臂、正高压直流母线和负高压直流母线；所述储能系统接口2包括k个储能系统子接口；

所述每相桥臂包含上、下两个桥臂，每相上桥臂由桥臂电感L_pi和子模块1至n串联构成，每相下桥臂由子模块n+1至2n与另一桥臂电感L_ni串联构成，

所述模块化多电平变换器1的输入端接k相高压交流电，输出端分别接正高压直流母线和负高压直流母线，

所述正高压直流母线通过上桥臂电感L_Pi与子模块1至n相连接入储能系统子接口20i的i1端，

所述负高压直流母线通过下桥臂电感L_ni与子模块n+1至2n相连接入储能系统子接口20i的i2端，

所述储能系统子接口20i输出端与隔离型DC/DC电路3输入端相连，所述隔离型DC/DC电路3输出端与储能单元4相连，其中i＝1,2,···k。

优选地，所述模块化多电平变换器1的子模块采用半桥电路或全桥电路，半桥电路采用两种不同的接入方式；

每相上桥臂的上、下两个端子中，上端子与正高压直流母线相连，下端子与储能系统子接口20i的i1端以及交流输入端相连；每相下桥臂的上、下两个端子中，上端子与储能系统子接口20i的i2端以及交流输入端相连，下端子与负高压直流母线相连；

所述系统交流输入端即k相每相桥臂中点接k相高压交流电，端子电压为u_si(i＝1,2,···k)；

优选地，所述模块化多电平变换器1的电平数目及上、下桥臂子模块的结构根据系统容量等级、系统故障冗余工作模式以及子模块中功率开关管的耐压等级相应进行调整。

优选地，所述储能系统接口2由k个相同的储能系统子接口20i(i＝1,2,···k)构成，每相桥臂中心点各连接一个储能系统子接口；

所述储能系统子接口20i内部采用两个功率开关管串联再与单个电容并联结构或直接采用两个功率开关管串联结构，所述储能系统子接口20i输入侧接高压交流电网，输出侧与每相模块化多电平变换器1的交流输入端及隔离型DC/DC电路3输入端相连。

优选地，所述隔离型DC/DC电路3外部包含k个输入端口、1个输出端口，所述隔离型DC/DC电路3内部包含k个逆变模块、1个k输入1输出的高频变压器和1个整流模块；所述逆变模块采用H桥逆变电路或半桥逆变电路，所述整流模块采用H桥整流电路或H桥整流电路后再加Buck-Boost升降压电路

优选地，每个所述逆变模块采用H桥逆变电路，输入侧与储能系统子接口20i中的两功率开关管串联后与单个电容并联结构相连，输出侧与k输入1输出的高频变压器相连，所述高频变压器输出侧与H桥整流电路相连。

优选地，每个所述逆变模块采用H桥逆变电路，输入侧与储能系统子接口20i中的两功率开关管串联后与单个电容并联结构相连，输出侧与k输入1输出的高频变压器相连，所述高频变压器输出侧与H桥整流电路相连后再与Buck-Boost升降压电路相连。

优选地，每个所述逆变模块采用半桥逆变电路，输入侧与储能系统子接口20i中的直接采用两功率开关管串联结构相连，输出侧与k输入1输出的高频变压器相连，所述高频变压器输出侧与H桥整流电路相连。

优选地，储能单元4由多个电池储能单体、超级电容储能单体或其它储能子单元串联连接构成。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：

本发明所述的模块化集中式储能系统，采用中点集中存储能量的方式，克服了传统分布式储能单元控制复杂，能量分布不均衡，装配、维护、电池管理不便以及传统集中式储能单元回馈网侧能量不均匀的缺陷，为电力系统提供高质量、操作安全的储能系统。

附图说明

本发明有如下附图：

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的模块化多电平变换器的多种子模块拓扑示意图；

图3为本发明的第一种储能系统子接口20i内部结构示意图；

图4为本发明的第二种储能系统子接口20i内部结构示意图；

图5为本发明的第一种隔离型DC/DC电路的内部结构示意图；

图6为本发明的第二种隔离型DC/DC电路的内部结构示意图；

图7为本发明的第三种隔离型DC/DC电路的内部结构示意图；

图8为本发明的第一种储能单元的内部结构示意图；

图9为本发明的第二种储能单元的内部结构示意图；

图中：

1—模块化多电平变换器，2—储能系统接口，

3—隔离型DC/DC电路，4—储能单元，

2000—第一半桥电路，2001—第一功率开关管，

2100—第一电容，2200—第一全桥电路，3000—第二全桥电路，

3100—k输入1输出高频变压器，3200—第三全桥电路，

3201—第二功率开关管，3300—第二电容，

3400—第二半桥电路，3500—第一电感，

3600—第三电容，3700—第三半桥电路，

4100—电池储能单体，4200—超级电容储能单体。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供一种模块化集中式储能系统，它包括模块化多电平变换器1、隔离型DC/DC电路3、储能单元4；

所述模块化多电平变换器1包括储能系统接口2、k相2k个桥臂、正高压直流母线和负高压直流母线；所述储能系统接口2包括k个储能系统子接口；

所述每相桥臂包含上、下两个桥臂，每相上桥臂由桥臂电感L_Pi和子模块1至n串联构成，每相下桥臂由子模块n+1至2n与另一桥臂电感L_ni串联构成，

所述模块化多电平变换器1输入端接k相高压交流电，输出端分别接正高压直流母线和负高压直流母线，

所述正高压直流母线通过上桥臂电感L_Pi与子模块1至n相连接入储能系统子接口20i的i1端，

所述负高压直流母线通过下桥臂电感L_ni与子模块n+1至2n相连接入储能系统子接口20i的i2端，i＝1,2,···k，

所述储能系统子接口20i输出端与隔离型DC/DC电路3输入端相连，所述隔离型DC/DC电路3输出端与储能单元4相连。

其中，所述模块化多电平变换器1的电平数目及上、下桥臂子模块结构可根据系统容量等级、系统故障冗余工作模式以及子模块中功率开关管的耐压等级相应进行调整。

本实施例中，如图2所示，所述模块化多电平变换器1的子模块含有多种结构，工程中应用较为成熟的为半桥子模块(half-bridge sub-module,HBSM)，如图2(a)和图2(b)所示，半桥子模块HBSM1和HBSM2采用两种不同的接入方式，HBSM1和HBSM2两种半桥子模块均由第一半桥电路2000和第一电容2100并联构成，所述第一半桥电路2000由两个第一功率开关管2001串联构成，HBSM1中下第一功率开关管两端连接上子模块端子101和下子模块端子102，HBSM2中上第一功率开关管两端连接上子模块端子101和下子模块端子102。所述第一功率开关管2001为一含有反并联续流二极管的绝缘栅双极型晶体管(功率开关管不限于此类开关管，电力场效应管，碳化硅，氮化镓等可根据系统不同工况相应替代使用)。

本实施例中，如图2(c)所示，所述第二种模块化多电平变换器1子模块结构，该子模块为全桥子模块(full-bridge sub-module,FBSM)，全桥子模块由第一全桥电路2200和第一电容2100并联构成，所述第一全桥电路2200由两个第一半桥电路2000并联构成。

本实施例中，以储能系统子接口201为例，本发明的储能系统子接口有两种结构，如图3所示，所述第一种储能系统子接口201结构，采用第一半桥电路2000与第一电容2100并联结构。所述储能系统子接口由五个端子组成，输入端由三个端子组成，分别为上输入端子11，中交流输入端子，下输入端子12；输出端由两个端子构成，分别为上输出端子13，下输出端子14。输入侧三个端子中，上输入端子11与上桥臂子模块n的下输入端相连，中交流输入端子与对应交流输入电压相连，下输入端子12与下桥臂子模块n+1的上输入端相连；其输出侧两端子与隔离型DC/DC电路3对应接口相连。

本实施例中，如图4所示，所述第二种储能系统子接口201结构，采用第一半桥电路2000结构。所述储能系统子接口201由五个端子组成，输入端由三个端子组成，分别为上输入端子11，中交流输入端子，下输入端子12；输出端由两个端子构成，分别为上输出端子13，下输出端子14。输入侧三个端子中，上输入端子11与上桥臂子模块n的下输入端相连，中交流输入端子与对应交流输入电压相连，下输入端子12与下桥臂子模块n+1的上输入端相连；其输出侧两端子与隔离型DC/DC电路3对应接口相连。

本实施例中，如图5所示，所述隔离型DC/DC电路3外部包含k个输入端口、1个输出端口。所述隔离型DC/DC电路3内部含有多种结构，本实施例中为第一种隔离型DC/DC电路3，其由k个第二全桥电路3000、一个k输入1输出高频变压器3100、一个第三全桥电路3200以及第二电容3300组成。所述第二全桥电路3000包括四个第一功率开关管2001，所述k输入1输出高频变压器3100包括第一输入绕组3101、第二输入绕组3102、第三输入绕组3103···第k输入绕组310k、输出绕组3110以及磁芯3111，所述第三全桥电路3200包括四个第二功率开关管3201，所述第二功率开关管3201为一含有反并联续流二极管的绝缘栅双极型晶体管，其与第一功率开关管2001区别为器件耐压耐流参数不同。k个第二全桥电路3000中输入端口13-14与储能系统子接口201对应接口相连，输入端口23-24与储能系统子接口202对应接口相连，33-34与储能系统子接口203对应接口相连，···k3-k4与储能系统子接口20k对应接口相连，所述储能系统子接口均采用如图3所示的第一种储能系统子接口结构；k个第二全桥电路3000交流输出端口分别与k输入1输出高频变压器3100的第一输入绕组3101、第二输入绕组3102、第三输入绕组3103相连···第k输入绕组310k相连。k输入1输出高频变压器3100的输出绕组3110与第三全桥电路3200交流输入侧相连，第三全桥电路3200直流输出侧与第二电容3300相连，第二电容3300通过输出端口301-302与储能单元4相连。第二全桥电路3000完成将直流逆变成为交流的功能，k输入1输出高频变压器3100完成电气隔离和电压变换的功能，第三全桥电路3200完成将交流整流成为直流的功能，第二电容3300完成直流电压支撑和滤波作用。

隔离型DC/DC电路3含有多种结构，本实施例中为第二种隔离型DC/DC电路，如图6所示，其由k个第二全桥电路3000、一个k输入1输出高频变压器3100、一个第三全桥电路3200、一个第二电容3300、一个第二半桥电路3400以及一个第一电感3500组成，即在第一种隔离型DC/DC电路基础上，增加一个第二半桥电路3400及一个第一电感3500。第二电容3300通过直流输出端口与第二半桥电路3400输入端口相连，第二半桥电路3400输出端口与第一电感3500串联，之后通过输出端口301-302与储能单元4相连。第二半桥电路3400与第一电感3500串联构成Buck-Boost升降压电路，第一电感3500完成电感滤波作用。

隔离型DC/DC电路3含有多种结构，本实施例中为第三种隔离型DC/DC电路，如图7所示，其由2k个第三电容3600、k个第三半桥电路3700、一个k输入1输出高频变压器3100、一个第三全桥电路3200以及一个第二电容3300组成，即在第一种隔离型DC/DC电路基础上，将k个第二全桥电路3000替换成为k对第三电容3600分别与k个第三半桥3700并联型结构。所述两个第三电容3600串联后与第三半桥电路3700并联，输入端口13-14与储能系统子接口201对应接口相连，输入端口23-24与储能系统子接口202对应接口相连，33-34与储能系统子接口203对应接口相连，···k3-k4与储能系统子接口20k对应接口相连，所述储能系统子接口均采用如图3所示的第二种储能系统子接口结构。k个第三半桥电路3700交流输出端口分别与k输入1输出高频变压器3100的第一输入绕组3101、第二输入绕组3102、第三输入绕组3103相连···第k输入绕组310k相连。k输入1输出高频变压器3100的输出绕组3110与第三全桥电路3200交流输入侧相连，第三全桥电路3200直流输出侧与第二电容3300相连，第二电容3300通过输出端口301-302与储能单元4相连。两个第三电容3600串联后与第三半桥电路3700并联结构共同完成自动校正变压器偏磁，直流逆变成为交流的功能。

本实施例中，如图8所示，所述储能单元4，它由若干个电池储能单体4100串联构成，可通过上述各实施例中合适的控制，对储能单元4完成充放电功能。电池储能单体的数量、体积、大小、容量可根据整体系统容量做出相应变化。储能单体的种类不限于电池储能单体，其它合适储能单体也可接入。

本实施例中，如图9所示，所述储能单元4，它由若干个超级电容储能单体4200串联构成，可通过上述各实施例中合适的控制，对储能单元4完成充放电功能。超级电容储能单体的数量、体积、大小、容量可根据整体系统容量做出相应变化。储能单体的种类不限于超级电容储能单体，其它合适储能单体也可接入。

本说明书上述各实施例仅仅是对本发明所作的例证，并非限制本发明的专利范围，本发明部件种类、结构、尺寸、位置、容量都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明说明书及附图对个别部件进行的改进补充和等同变换修饰或直接间接运用在其它相关领域，皆应属本发明的涵盖范围。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种模块化集中式储能系统，其特征在于：包括模块化多电平变换器(1)、隔离型DC/DC电路(3)和储能单元(4)；

所述模块化多电平变换器(1)包括储能系统接口(2)、k相2k个桥臂、正高压直流母线和负高压直流母线；所述储能系统接口(2)包括k个储能系统子接口；

所述每相桥臂包含上、下两个桥臂，每相上桥臂由桥臂电感L_pi和子模块1至n串联构成，每相下桥臂由子模块n+1至2n与另一桥臂电感L_ni串联构成；

所述模块化多电平变换器(1)的输入端接k相高压交流电，输出端分别接正高压直流母线和负高压直流母线，

所述正高压直流母线通过上桥臂电感L_Pi与子模块1至n相连接入储能系统子接口20i的i1端，

所述负高压直流母线通过下桥臂电感L_ni与子模块n+1至2n相连接入储能系统子接口20i的i2端，

所述储能系统子接口20i输出端与隔离型DC/DC电路(3)输入端相连，所述隔离型DC/DC电路(3)输出端与储能单元(4)相连，其中i＝1,2,···k。

2.如权利要求1所述的模块化集中式储能系统，其特征在于：所述模块化多电平变换器(1)中的子模块采用半桥电路或全桥电路。

3.如权利要求1所述的模块化集中式储能系统，其特征在于：每相上桥臂的上、下两个端子中，上端子与正高压直流母线相连，下端子与储能系统子接口20i的i1端以及交流输入端相连；每相下桥臂的上、下两个端子中，上端子与储能系统子接口20i的i2端以及交流输入端相连，下端子与负高压直流母线相连；

所述系统交流输入端接k相高压交流电，端子电压为u_si，其中i＝1,2,···k。

4.如权利要求1所述的模块化集中式储能系统，其特征在于：所述模块化多电平变换器(1)的电平数目及上、下桥臂子模块的结构根据系统容量等级、系统故障冗余工作模式以及子模块中功率开关管的耐压等级相应进行调整。

5.如权利要求1所述的模块化集中式储能系统，其特征在于：所述储能系统接口(2)由k个相同的储能系统子接口构成，每相桥臂中心点各连接一个储能系统子接口；

所述储能系统子接口20i内部采用两个功率开关管串联再与单个电容并联结构或直接采用两个功率开关管串联结构，

所述储能系统子接口20i输入侧接高压交流电网，输出侧与每相模块化多电平变换器(1)的交流输入端及隔离型DC/DC电路(3)输入端相连。

6.如权利要求1所述的模块化集中式储能系统，其特征在于：所述隔离型DC/DC电路(3)外部包含k个输入端口、1个输出端口，所述隔离型DC/DC电路(3)内部包含k个逆变模块、1个k输入1输出的高频变压器和1个整流模块；所述逆变模块采用H桥逆变电路或半桥逆变电路，所述整流模块采用H桥整流电路或H桥整流电路后再加Buck-Boost升降压电路。

7.如权利要求6所述的模块化集中式储能系统，其特征在于：每个所述逆变模块采用H桥逆变电路，输入侧与储能系统子接口20i中的两功率开关管串联后与单个电容并联结构相连，输出侧与k输入1输出的高频变压器相连，所述高频变压器输出侧与H桥整流电路相连。

8.如权利要求6所述的模块化集中式储能系统，其特征在于：每个所述逆变模块采用H桥逆变电路，输入侧与储能系统子接口20i中的两功率开关管串联后与单个电容并联结构相连，输出侧与k输入1输出的高频变压器相连，所述高频变压器输出侧与H桥整流电路相连后再与Buck-Boost升降压电路相连。

9.如权利要求6所述的模块化集中式储能系统，其特征在于：每个所述逆变模块采用半桥逆变电路，输入侧与储能系统子接口20i中的直接采用两功率开关管串联结构相连，输出侧与k输入1输出的高频变压器相连，所述高频变压器输出侧与H桥整流电路相连。

10.如权利要求1所述的模块化集中式储能系统，其特征在于：储能单元(4)由多个电池储能单体、超级电容储能单体或其它储能子单元串联连接构成。