CN108695874B - 一种复合储能型双向功率变换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种复合储能型双向功率变换装置，包括多个并联的双向DC/DC变换器、多个并联的双向DC/AC变换器以及上位机；双向DC/DC变换器连接储能单元，双向DC/DC变换器的另一端并入到直流母线，直流母线经过双向DC/AC变换器后连接电网；双向DC/DC变换器和双向DC/AC变换器与上位机通信连接；上位机用于管理双向DC/DC变换器和双向DC/AC变换器的运行状态。本发明实施例提供的技术方案，可接入电网并网运行，也可脱离电网独立带载，不仅考虑了多种储能单元协调控制的需求，针对不同储能单元类型，无论是否接入电网，均可通过上位机调度，采用不同控制方式，实现系统的经济稳定运行，而且还可以根据系统容量需求，通过增加或减少电力电子变换器的数量，实现灵活组网。
Description
技术领域
本发明实施例涉及双向功率变换技术领域，尤其涉及一种复合储能型双向功率变换装置。
背景技术
目前的双向功率变换装置容量固定，控制模式单一，不适用于对组网灵活性要求较高的主动配电网或微电网系统。当前的双向功率变换装置针对单一类型的储能设备，即每组储能单元配置一台变换装置，按照充/放电控制指令运行，该方式缺乏与上级电力系统调度指令的衔接，且难以满足即插即用的组网要求。
发明内容
本发明提供一种复合储能型双向功率变换装置，以解决现有技术的不足。
为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：
一种复合储能型双向功率变换装置，包括多个并联的双向DC/DC变换器、多个并联的双向DC/AC变换器以及上位机；
所述双向DC/DC变换器连接储能单元，所述双向DC/DC变换器的另一端并入到直流母线，所述直流母线经过所述双向DC/AC变换器后连接电网；
所述双向DC/DC变换器用于将储能单元中的电能经过升压后并入直流母线，或将直流母线中的电能经过降压后充入储能单元；
所述双向DC/AC变换器用于将直流母线中的直流电能逆变为交流电能后并入电网，或者将电网中的交流电能整流后并入直流母线，以便给储能单元充电；
所述双向DC/DC变换器和双向DC/AC变换器通过高速通信总线与所述上位机连接，实现实时通信；
所述上位机用于管理双向DC/DC变换器和双向DC/AC变换器的运行状态。
进一步地，所述复合储能型双向功率变换装置还包括旁路电路；
所述双向DC/AC变换器通过所述旁路电路连接电网；
所述旁路电路配合复合储能型双向功率变换装置实现并网模式与离网模式的无缝切换。
进一步地，所述复合储能型双向功率变换装置中，所述旁路电路包括连接在交流母线上的多个交流负荷和一个断路器；
当所述断路器闭合时，所述复合储能型双向功率变换装置工作于并网模式；
当所述断路器断开时，所述复合储能型双向功率变换装置工作于离网模式。
进一步地，所述复合储能型双向功率变换装置中，所述储能单元配有电池管理系统；
所述电池管理系统用于检测储能单元的剩余容量和单节电池状态。
进一步地，所述复合储能型双向功率变换装置中，所述储能单元包括第一类型储能单元和第二类型储能单元；
所述第一类型储能单元为蓄电池组或锂电池组，用于提供持续稳定的功率输出，并用作主后备；
所述第二类型储能单元为飞轮或超级电容，用于补偿系统内频繁的功率波动。
进一步地，所述复合储能型双向功率变换装置中，连接所述第一类型储能单元的双向DC/DC变换器的电路包括升降压型双向DC/DC变换器、直流母线电容和直流母线电容。
进一步地，所述复合储能型双向功率变换装置中，所述上位机包括相互连接的中央控制器和能量管理系统；
所述中央控制器通过高速通信总线与所述双向DC/AC变换器连接，用于监控所述双向DC/AC变换器的运行数据，并根据系统当前并离网运行情况下发控制指令；
所述能量管理系统通过高速通信总线与连接第一类型储能单元的双向DC/DC变换器连接，用于采集各储能单元的电池管理系统信息，并结合中央控制器的运行状况，计算DC/DC充放电指令。
本发明实施例提供的一种复合储能型双向功率变换装置，可接入电网并网运行，也可脱离电网独立带载，不仅考虑了多种储能单元协调控制的需求，针对不同储能单元类型，无论是否接入电网，均可通过上位机调度，采用不同控制方式，实现系统的经济稳定运行，而且还可以根据系统容量需求，通过增加或减少电力电子变换器的数量，实现灵活组网。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种复合储能型双向功率变换装置的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的连接第一类型储能单元的双向DC/DC变换器电路的结构示意图；
图3是本发明实施例一提供的连接第一类型储能单元的双向DC/DC变换器的控制框图；
图4是本发明实施例一提供的连接第二类型储能单元的双向DC/DC变换器的控制框图；
图5是本发明实施例一提供的双向DC/AC变换器的控制框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1是本发明实施例一提供的一种复合储能型双向功率变换装置的结构示意图，如图1所示，该装置具体包括：
多个并联的双向DC/DC变换器10、多个并联的双向DC/AC变换器20以及上位机30；
所述双向DC/DC变换器10连接储能单元，所述双向DC/DC变换器10的另一端并入到直流母线，所述直流母线经过所述双向DC/AC变换器20后连接电网；
所述双向DC/DC变换器10用于将储能单元中的电能经过升压后并入直流母线，或将直流母线中的电能经过降压后充入储能单元；
所述双向DC/AC变换器20用于将直流母线中的直流电能逆变为交流电能后并入电网，或者将电网中的交流电能整流后并入直流母线，以便给储能单元充电；
所述双向DC/DC变换器10和双向DC/AC变换器20通过高速通信总线与所述上位机30连接，实现实时通信；
所述上位机30用于管理双向DC/DC变换器10和双向DC/AC变换器20的运行状态。
其中，每个双向DC/AC变换器20单独连接有配套的储能单元。
具体的，该装置通过以太网与上级调度系统(上位机)衔接，能够接受电力系统或者微电网控制指令，纳入系统管理，实现友好并网。
优选的，所述复合储能型双向功率变换装置还包括旁路电路；
具体的，所述双向DC/AC变换器20通过所述旁路电路连接电网，所述旁路电路配合复合储能型双向功率变换装置实现并网模式与离网模式的无缝切换。
本发明实施例提供的复合储能型双向功率变换装置，在并网模式下，可以控制直流母线电压稳定，并调节每组储能单元的充放电功率，而在离网模式下，可以稳定交流母线电压频率为负荷提供支持。
进一步具体的，所述旁路电路包括连接在交流母线上的多个交流负荷和一个断路器；当所述断路器闭合时，所述复合储能型双向功率变换装置工作于并网模式；当所述断路器断开时，所述复合储能型双向功率变换装置工作于离网模式。
在本发明实施例中，储能单元可以是蓄电池组、锂电池组、超级电容、飞轮等多种设备或其组合，每个储能单元都配有电池管理系统，用于检测储能单元的剩余容量和单节电池状态。
根据储能单元的特性，可将其分为第一类型储能单元和第二类型储能单元两种类型；所述第一类型储能单元的特性是能量密度高、成本造价低、容量大，比如蓄电池组或锂电池组，用于提供持续稳定的功率输出，并用作主后备；所述第二类型储能单元的特性是功率密度高、响应速度快，比如飞轮或超级电容，用于补偿系统内频繁的功率波动。
优选的，所述上位机30包括相互连接的中央控制器31和能量管理系统32；所述中央控制器31通过高速通信总线与所述双向DC/AC变换器20连接，用于监控所述双向DC/AC变换器20的运行数据，并根据系统当前并离网运行情况下发控制指令；所述能量管理系统32通过高速通信总线与连接第一类型储能单元的双向DC/DC变换器10连接，用于采集各储能单元的电池管理系统信息，并结合中央控制器31的运行状况，计算DC/DC充放电指令。
需要说明的是，能量管理系统32调度周期较长，为分钟甚至小时级，因此根据前述的储能单元特点，其对第一类型储能单元发出充放电调度指令；为充分利用第二类型储能单元响应快的特点，第二类型储能单元接受中央控制器31的直接控制，其调度周期为毫秒级。
为保证离网条件下负荷供电的可靠性，第一类型储能单元组总功率应与重要负荷功率相匹配，故系统内通常有多个第一类型储能单元组，而仅需要一个第二类型储能单元。复合储能型双向功率变换装置中连接第一类型储能单元的双向DC/DC变换器10工作原理见图2，控制框图见图3。如图2所示，连接所述第一类型储能单元的双向DC/DC变换器10的电路包括buck-boost(升降压型)双向DC/DC变换器10，L为滤波电感，C为直流母线电容。
图3中，Vd，Id为储能单元组向双向DC/DC变换器10输入的电压与电流，Vd *与Id *为控制系统的设定值。Vd *根据储能单元的额定工作电压设置，而Id *由上位机30下发指令，根据经济成本、可靠运行、故障情况等计算最优充/放电电流设定值。储能单元放电时，双向开关中Id *接通，DC/DC按照恒电流放电；而充电时，考虑到储能单元的充电特性曲线，恒电流充电将导致储能单元端电压上升，应予以限制。当储能单元端电压Vd与额定电压Vd *相差较大时，采用恒电流充电方式，双向开关中Id *接通；而随着充电过程进行，端电压Vd上升，应接通直流电压外环回路，通过控制器降低充电电流，维持恒电压浮充。
图3与图4分别对应连接第一类型储能单元的双向DC/DC变换器10与连接第二类型储能单元组的双向DC/DC变换器10的控制框图。两者区别在于，第一类型储能单元的充/放电电流指令由EMS系统(能量管理系统32)下发，其下发间隔较长；而第二类型储能单元的充/放电电流指令由中央控制器31下发，其下发间隔较短。这保证了装置的主要功率输出来自第一类型储能单元，并在较长的调度周期中维持稳定，而当短期、剧烈的功率波动产生时，可以通过快速调度第二类型储能单元填补功率缺口，充分利用了两类储能单元的固有特性。
图5为复合储能型双向功率变换装置中双向DC/AC变换器20的控制框图。为了增强组网灵活性，常采用多个双向DC/AC变换器20并联运行接入AC母线(交流母线)。采用下垂控制方式有利于功率均分，更好地实现并联控制。且借助中央控制器31的快速调度，下垂控制同时适用于并网与离网两种方式。根据下垂关系，即如下公式：
f＝f0+m(P-P0)
V＝V0+n(Q-Q0)；
其中，f为双向DC/AC变换器20输出频率，P为双向DC/AC变换器20输出有功功率，Q为双向DC/AC变换器20输出无功功率，V为双向DC/AC变换器20交流电压有效值。P0与Q0为功率基准值，f0为频率基准值，V0为电压基准值，m对应有功功率-频率下垂系数，n对应无功功率-电压下垂系数，其大小均为负数。
离网模式下，由于下垂特性，当系统负荷变化时，会导致双向DC/AC变换器20输出电压与频率变化，此时应调整功率基准值P0与Q0使其恢复，即所谓的二次调频与二次调压控制。该部分控制由中央处理器实现，中央处理器检测系统的实际频率f与频率设定值f*之间的偏差，通过控制器调节，产生功率偏差值ΔP；同理检测系统实际交流母线电压有效值V与交流母线电压设定值V*之间的偏差，经过调节器产生ΔQ，将其下发至双向DC/AC变换器20控制环路，作为前馈值加入运算。考虑到多个并联运行时，下垂控制算法中功率分配的关系，ΔP与ΔQ应乘以固定的比例系数才能满足原有的功率分配原则，此时应按照如下公式设定比例系数K11，K12……K1n与K21，K22……K2n。
其中，下标中的1，2……n表示第1个、第2个……至第n个双向DC/AC变换器20。
并网模式下，中央控制器31同样通过二次调频算法与二次调压算法维持复合储能型双向功率变换装置与大电网间的同步，此时与离网模式的不同点仅在于频率设定值f*于电压设定值V*的取值。离网模式下f*与V*可根据需求自由设置，而并网模式下f*与V*应与电网实时频率与电压一致。由于采用相同的控制方式，使该装置可以运用于并网发电与独立带载的系统中，大大增强了其组网灵活性。
本发明实施例提供的一种复合储能型双向功率变换装置，可接入电网并网运行，也可脱离电网独立带载，不仅考虑了多种储能单元协调控制的需求，针对不同储能单元类型，无论是否接入电网，均可通过上位机调度，采用不同控制方式，实现系统的经济稳定运行，而且还可以根据系统容量需求，通过增加或减少电力电子变换器的数量，实现灵活组网。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种复合储能型双向功率变换装置，其特征在于，包括多个并联的双向DC/DC变换器、多个并联的双向DC/AC变换器以及上位机；
所述双向DC/DC变换器连接储能单元，所述双向DC/DC变换器的另一端并入到直流母线，所述直流母线经过所述双向DC/AC变换器后连接电网；
所述双向DC/DC变换器用于将储能单元中的电能经过升压后并入直流母线，或将直流母线中的电能经过降压后充入储能单元；
所述双向DC/AC变换器用于将直流母线中的直流电能逆变为交流电能后并入电网，或者将电网中的交流电能整流后并入直流母线，以便给储能单元充电；
所述双向DC/DC变换器和双向DC/AC变换器通过高速通信总线与所述上位机连接，实现实时通信；
所述上位机用于管理双向DC/DC变换器和双向DC/AC变换器的运行状态；
所述储能单元包括第一类型储能单元和第二类型储能单元；
所述第一类型储能单元的特性是能量密度高、成本造价低、容量大，用于提供持续稳定的功率输出，并用作主后备；
所述第二类型储能单元的特性是功率密度高、响应速度快，用于补偿系统内频繁的功率波动；
所述上位机包括相互连接的中央控制器和能量管理系统；
所述中央控制器通过高速通信总线与所述双向DC/AC变换器连接，且与连接所述第二类型储能单元的双向DC/DC变换器连接；
所述能量管理系统通过高速通信总线与连接第一类型储能单元的双向DC/DC变换器连接；
所述储能单元配有电池管理系统；
所述电池管理系统用于检测储能单元的剩余容量和单节电池状态；
所述中央控制器用于监控所述双向DC/AC变换器的运行数据，并根据系统当前并离网运行情况下发控制指令；
所述能量管理系统用于采集各储能单元的电池管理系统信息，并结合中央控制器的运行状况，计算DC/DC充放电指令；
第一类型储能单元的充/放电电流指令由能量管理系统下发，其下发间隔较长；而第二类型储能单元的充/放电电流指令由中央控制器下发，其下发间隔较短。
2.根据权利要求1所述的复合储能型双向功率变换装置，其特征在于，还包括旁路电路；
所述双向DC/AC变换器通过所述旁路电路连接电网；
所述旁路电路配合复合储能型双向功率变换装置实现并网模式与离网模式的无缝切换。
3.根据权利要求2所述的复合储能型双向功率变换装置，其特征在于，所述旁路电路包括连接在交流母线上的多个交流负荷和一个断路器；
当所述断路器闭合时，所述复合储能型双向功率变换装置工作于并网模式；
当所述断路器断开时，所述复合储能型双向功率变换装置工作于离网模式。
4.根据权利要求1所述的复合储能型双向功率变换装置，其特征在于，所述第一类型储能单元为蓄电池组或锂电池组；
所述第二类型储能单元为飞轮或超级电容。
5.根据权利要求4所述的复合储能型双向功率变换装置，其特征在于，连接所述第一类型储能单元的双向DC/DC变换器的电路包括升降压型双向DC/DC变换器、直流母线电容和直流母线电容。
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| CN208423809U (zh) * | 2018-06-26 | 2019-01-22 | 易事特集团股份有限公司 | 一种复合储能型双向功率变换装置 |
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2018
- 2018-06-26 CN CN201810673049.1A patent/CN108695874B/zh active Active
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