CN110022071A - 混合储能型直流变压器及其控制方法 - Google Patents

混合储能型直流变压器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混合储能型直流变压器及其控制方法，其中，变压器包括：交流电抗器、多个输出整流单元、多绕组高频变压器和储能型模块化多电平变换器，其中，功率型储能和能量型储能分别接入到储能型模块化多电平变换器的两相子模块中，通过控制高压直流电流中的低频分量和高频分量分别由能量型储能和功率型储能提供，从而实现混合储能的功能，多绕组高频变压器的每个副边采用二极管整流或可控整流后得到多路低压直流输出。该变压器同时兼具直流变压器和储能功能，控制灵活，集成度高，适用于直流微网、配网以及舰船中压直流综合电力系统等场合。

Description

混合储能型直流变压器及其控制方法
技术领域
本发明涉及直流配电技术领域，特别涉及一种混合储能型直流变压器及其控制方法。
背景技术
随着电力电子技术的快速发展，直流配电由于在功率密度、电能质量等方面的优势得到了越来越广泛的重视和应用，如区域配电网络、微网以及舰船综合电力系统等。为满足直流配电网络中的电压变换需求，需要研究以电力电子变换器为核心的直流变压器，最常见的直流变压器结构如图1所示，采用双有源全桥电路原边串联副边并联实现高压直流到低压直流的变换。其缺点是使用的变压器数量多，而且每个双有源全桥电路都需要独立控制，控制复杂。另一方面储能作为电网中越来越重要的一个环节，能够起到平抑分布式发电功率波动、提高系统稳定性和供电可靠性的作用。常规的大规模储能需要大量的电池单体串并联，不仅效率低、可靠性差，而且需要额外配置能量管理系统作SOC(State ofCharge，荷电状态)均衡控制。另一方面，由单一类型的储能元件构成的储能系统，难以同时满足直流配网对于瞬时大功率波动和长时间持续供电的需求，需要开发一种混合储能系统，合理使用不同特性的储能元件满足电网不同的需求。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种混合储能型直流变压器，该变压器同时兼具直流变压器和储能功能，控制灵活，集成度高，适用于直流微网、配网以及舰船中压直流综合电力系统等场合。
本发明的另一个目的在于提出一种混合储能型直流变压器的控制方法。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种混合储能型直流变压器，包括：交流电抗器和多个输出整流单元；多绕组高频变压器，所述多绕组变压器的每个副边绕组一一对应与所述多个输出整流单元的每个输出整流单元的交流输入端并联，至少一个所述输出整流单元的直流输出端并联以构成一路低压直流，以得到多路低压直流输出；储能型模块化多电平变换器，所述储能型模块化多电平变换器为H桥结构，所述储能型模块化多电平变换器包括两相电路，每相电路包括上桥臂和下桥臂，其中，所述上桥臂由多个储能子模块的交流输出端依次串联后与桥臂电抗器串联构成，所述下桥臂由桥臂电抗器与所述多个储能子模块的交流输出端依次串联构成，所述两相电路的上桥臂的上端分别与高压直流电网正极相连，所述两相电路的下桥臂的下端分别与所述高压直流电网的负极相连，所述每相电路的上桥臂的下端与下桥臂的上端相连，形成对应相的交流输出端，所述两相电路的交流输出端与所述交流电抗器串联后与多绕组高频变压器的原边绕组并联。
本发明实施例的混合储能型直流变压器，具备高压直流母线及多路低压直流母线，同时集成了隔离储能环节，兼具直流变压器和储能功能，不仅能够实现两不同电压等级的直流电网之间的电能变换，而且由于储能变换器与直流变压器集成在一起，使得一套变换器可同时实现直流变压和储能两个功能，节省成本；内置分散式储能环节，起到调节多个端口之间的功率流、平抑功率波动的作用。而且同时采用能量型储能和功率型储能，不仅响应速度快，持续供电时间长，而且有利于提高电池寿命；每个储能元件都可以独立控制其充放电电流，通过控制算法可实现储能元件之间的SOC均衡，可以使用不同规格不同新旧程度的电池，实现废旧电池的梯次利用，且不需要配置额外的电池能量管理系统。
另外，根据本发明上述实施例的混合储能型直流变压器还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多个储能子模块的每个储能子模块包括：第一MMC(Modular Multilevel Converter，模块化多电平变换器)子模块和第一储能元件；DC/DC单元，所述DC/DC单元的一端与所述MMC子模块的直流侧并联，所述DC/DC单元的另一端与所述储能元件并联。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多个储能子模块的每个储能子模块包括：第二MMC子模块和第二储能元件，所述第二MMC子模块的直流侧与所述储能元件并联。
进一步地，在本发明的一个实施例中，MMC子模块为半桥变换器、或者全桥变换器、或者混合使用半桥和全桥变换器。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述DC/DC单元为非隔离型双向boost电路或隔离型双有源全桥变换器电路。
进一步地，在本发明的一个实施例中，储能元件为功率型储能元件或能量型储能元件，其中，所述功率型储能元件包括超级电容，所述能量型储能元件包括锂电池、蓄电池和钒电池中的一种或多种。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述储能型模块化多电平变换器的其中一相电路的上桥臂和下桥臂的储能子模块采用所述功率型储能，另一相的上桥臂和下桥臂的储能子模块采用所述能量型储能。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多个输出整流单元的每个输出整流单元包括：直流滤波电感和直流电容；二极管整流桥，所述二极管整流桥的交流输入端与所述多绕组高频变压器的一个副边绕组相连，直流输出端与所述直流滤波电感串联后与所述直流电容并联。
进一步地，在本发明的一个实施例中，输出整流单元为全桥变换器，其中，所述全桥变换器的交流输入端与所述多绕组高频变压器的一个副边绕组相连，直流输出端与直流电容并联。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种混合储能型直流变压器的控制方法，采用如上述实施例所述的变压器，其中，所述方法包括以下步骤：检测多路直流输出电压的平均值，根据所述平均值与预设值之差经过PI调节器得到储能型MMC的交流输出电压峰值Um，得到所述储能型MMC的交流输出电压，得到两相上桥臂和下桥臂的交流输出电压的表达式；检测高压直流输入侧电流，并采用低通滤波器分离出高频分离和低频分量，将所述低频分量作为能量型储能所在相的直流电流给定值，并将所述高频分量作为功率型储能所在相的直流电流给定值，以将每一相的直流电流给定值与检测值做比较并通过所述PI(proportional integral，比例积分)调节器，生成其相电压的直流控制分量，得到两相上桥臂和下桥臂的交流输出电压。
本发明实施例的混合储能型直流变压器的控制方法，具备高压直流母线及多路低压直流母线，同时集成了隔离储能环节，兼具直流变压器和储能功能，不仅能够实现两不同电压等级的直流电网之间的电能变换，而且由于储能变换器与直流变压器集成在一起，使得一套变换器可同时实现直流变压和储能两个功能，节省成本；内置分散式储能环节，起到调节多个端口之间的功率流、平抑功率波动的作用。而且同时采用能量型储能和功率型储能，不仅响应速度快，持续供电时间长，而且有利于提高电池寿命；每个储能元件都可以独立控制其充放电电流，通过控制算法可实现储能元件之间的SOC均衡，可以使用不同规格不同新旧程度的电池，实现废旧电池的梯次利用，且不需要配置额外的电池能量管理系统。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为相关技术的直流变压器的结构示意图；
图2为根据本发明实施例的混合储能型直流变压器的结构示意图；
图3为根据本发明一个实施例的混合储能型直流变压器的结构示意图；
图4为根据本发明一个实施例的储能子模块内部结构的示意图；
图5为根据本发明另一个实施例的储能子模块内部结构的示意图；
图6为根据本发明实施例的储能子模块中MMC子模块结构之一的半桥变换器的结构示意图；
图7为根据本发明实施例的储能子模块中MMC子模块结构之一的全桥变换器的结构示意图；
图8为根据本发明实施例的储能子模块中DC/DC变换器结构之一的非隔离型双向boost电路的结构示意图；
图9为根据本发明实施例的储能子模块中DC/DC变换器结构之一的隔离型双有源全桥变换器电路的结构示意图；
图10为根据本发明实施例的输出整流单元结构之一的二极管整流与滤波电路的结构示意图；
图11为根据本发明实施例的输出整流单元结构之一全桥变换器的结构示意图；
图12为根据本发明实施例的混合储能型直流变压器的控制方法的流程图；
图13为根据本发明实施例的电压控制环示意图；
图14为根据本发明实施例的SOC控制环示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的混合储能型直流变压器及其控制方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的混合储能型直流变压器。
图2是本发明一个实施例的混合储能型直流变压器的结构示意图。
如图2所示，该混合储能型直流变压器100包括：交流电抗器110、多个输出整流单元120、多绕组高频变压器130和储能型模块化多电平变换器140。
其中，多绕组变压器130的每个副边绕组一一对应与多个输出整流单元120的每个输出整流单元的交流输入端并联，至少一个输出整流单元的直流输出端并联以构成一路低压直流。储能型模块化多电平变换器140为H桥结构，储能型模块化多电平变换器140包括两相电路，每相电路包括上桥臂和下桥臂，其中，上桥臂由多个储能子模块的交流输出端依次串联后与桥臂电抗器串联构成，下桥臂由桥臂电抗器与多个储能子模块120的交流输出端依次串联构成，两相电路的上桥臂的上端分别与高压直流电网正极相连，两相电路的下桥臂的下端分别与高压直流电网的负极相连，每相电路的上桥臂的下端与下桥臂的上端相连，形成对应相的交流输出端，两相电路的交流输出端与交流电抗器串联后与多绕组高频变压器的原边绕组并联，以得到多路低压直流输出。本发明实施例的变压器100同时兼具直流变压器和储能功能，控制灵活，集成度高，适用于直流微网、配网以及舰船中压直流综合电力系统等场合。
具体而言，如图3所示，本发明实施例的变压器100包括：储能型模块化多电平变换器140、交流电抗器110、多绕组高频变压器130和多个输出整流单元120。其中，储能型模块化多电平变换器140为H桥结构，包括两相电路，每相电路包括一个上桥臂和一个下桥臂；上桥臂由n个(n为正整数)储能子模块的交流输出端依次串联后再与桥臂电抗器串联构成，下桥臂由桥臂电抗器与n个储能子模块的交流输出端依次串联构成；两相的上桥臂的上端分别与高压直流电网正极相连，两相的下桥臂的下端分别与高压直流电网的负极相连，每相上桥臂的下端与下桥臂的上端相连形成该相的交流输出端，两相电路的交流输出端与交流电抗器串联后再与多绕组高频变压器的原边绕组并联。多绕组变压器的每个副边与一个整流单元的交流输入端并联，1个或多个整流单元的直流输出端直接并联构成一路低压直流，从而可得到多路低压直流输出。
进一步地，在本发明的一个实施例中，如图4所示，多个储能子模块的每个储能子模块包括：第一MMC子模块、第一储能元件和DC/DC单元。
其中，DC/DC单元的一端与MMC子模块的直流侧并联，DC/DC单元的另一端与储能元件并联。
进一步地，储能子模块还可以省去DC/DC单元，在本发明的一个实施例中，如图5所示，多个储能子模块的每个储能子模块包括：第二MMC子模块和第二储能元件。其中，第二MMC子模块的直流侧与储能元件并联。
可选地，在本发明的一个实施例中，每个储能子模块中的MMC子模块可以采用如图6所示的半桥变换器，或者，采用如图7所示的全桥变换器或混合使用半桥和全桥变换器。
可选地，在本发明的一个实施例中，储能子模块中的DC/DC变换器可以采用如图8所示的非隔离型双向boost电路，或者，如图9所示的隔离型DAB(DualActiveBridge，双有源全桥变换器)电路。
可选地，在本发明的一个实施例中，储能子模块中的储能元件可以使用功率型储能元件或能量型储能元件，其中，功率型储能可以为超级电容，能量型储能可以锂电池、蓄电池、钒电池等，在此仅作为示例，不做具体限定。
进一步地，在本发明的一个实施例中，储能型模块化多电平变换器140的其中一相电路的上桥臂和下桥臂的储能子模块采用功率型储能，另一相的上桥臂和下桥臂的储能子模块采用能量型储能。
进一步地，在本发明的一个实施例中，多个输出整流单元120的每个输出整流单元可采用二极管整流加滤波器结构，如图10所示，包括一个二极管整流桥、一个直流滤波电感和一个直流电容。其中，二极管整流桥的交流输入端接多绕组高频变压器的一个副边绕组，直流输出端与直流滤波电感串联后再与直流电容并联。此时该直流变压器的工作模式类似于移相全桥电路，功率只能从高压侧传到低压侧，不能双向流动。输出整流单元还可以使用全桥变换器，如图11所示。此时全桥变换器的交流输入端接多绕组高频变压器130的一个副边绕组，直流输出端与直流电容并联。此时该直流变压器的工作模式类似双有源全桥变换器，功率可以双向流动。
综上，本发明实施例涉及一种混合储能型直流变压器，包括一H桥形式的储能型模块化多电平变换器、一交流电抗器、一多绕组高频变压器和多个输出整流单元。功率型储能和能量型储能分别接入到储能型MMC的两相子模块中，通过控制高压直流电流中的低频分量和高频分量分别由能量型储能和功率型储能提供，从而实现混合储能的功能。多绕组高频变压器的每个副边采用二极管整流或可控整流后得到多路低压直流输出。本发明实施例同时兼具直流变压器和储能功能，控制灵活，集成度高，适用于直流微网、配网以及舰船中压直流综合电力系统等场合。
根据本发明实施例提出的混合储能型直流变压器，具备高压直流母线及多路低压直流母线，同时集成了隔离储能环节，兼具直流变压器和储能功能，不仅能够实现两不同电压等级的直流电网之间的电能变换，而且由于储能变换器与直流变压器集成在一起，使得一套变换器可同时实现直流变压和储能两个功能，节省成本；内置分散式储能环节，起到调节多个端口之间的功率流、平抑功率波动的作用。而且同时采用能量型储能和功率型储能，不仅响应速度快，持续供电时间长，而且有利于提高电池寿命；每个储能元件都可以独立控制其充放电电流，通过控制算法可实现储能元件之间的SOC均衡，可以使用不同规格不同新旧程度的电池，实现废旧电池的梯次利用，且不需要配置额外的电池能量管理系统。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的混合储能型直流变压器的控制方法。
图12是本发明一个实施例的混合储能型直流变压器的控制方法的流程图。
如图12所示，该混合储能型直流变压器的控制方法，采用上述实施例的变压器，其中，方法包括以下步骤：
在步骤S1中，检测多路直流输出电压的平均值，根据平均值与预设值之差经过PI调节器得到储能型MMC的交流输出电压峰值Um，得到储能型MMC的交流输出电压，得到两相上桥臂和下桥臂的交流输出电压的表达式。
需要说明的是，本发明实施例的控制方法包括电压控制环和SOC控制环两个控制环。电压控制环控制输出直流电压，SOC控制环控制储能型MMC内部储能元件的SOC。
可以理解的是，电压控制环如图13所示，首先检测多路直流输出电压的平均值，并与给定值做比较，经过一个PI调节器之后得到储能型MMC的交流输出电压峰值Um，从而得到储能型MMC的交流输出电压如下：
uo＝Um sinωt， (1)
其中，ω为储能型MMC的基波角频率，也即多绕组高频变压器的工作频率。
从而得到两相上、下桥臂的交流输出电压的表达式如下：
其中，Udc为高压直流电压，uL1，uL2分别为一相上、下桥臂参考电压，uR1，uR2分别为另一相的上、下桥臂参考电压。
在步骤S2中，检测高压直流输入侧电流，并采用低通滤波器分离出高频分离和低频分量，将低频分量作为能量型储能所在相的直流电流给定值，并将高频分量作为功率型储能所在相的直流电流给定值，以将每一相的直流电流给定值与检测值做比较并通过PI调节器，生成其相电压的直流控制分量，得到两相上桥臂和下桥臂的交流输出电压。
可以理解的是，SOC控制环如图14所示：首先检测高压直流输入侧电流并采用低通滤波器分离出高频分离和低频分量，直流电流的低频分量作为能量型储能所在相的直流电流给定值，直流电流的高频分量作为功率型储能所在相的直流电流给定值。将每一相的直流电流给定值与检测值做比较并经过一个PI调节器，其输出作为该相电压的直流控制分量。因此，两相上、下桥臂的交流输出电压的最终表达式如下：
其中，uL1'，uL2'分别为一相上、下桥臂最终参考电压，uz1为该相电压的直流控制分量；uR1'，uR2'分别为另一相的上、下桥臂最终参考电压。uz2为该相电压的直流控制分量。
根据本发明实施例提出的混合储能型直流变压器的控制方法，具备高压直流母线及多路低压直流母线，同时集成了隔离储能环节，兼具直流变压器和储能功能，不仅能够实现两不同电压等级的直流电网之间的电能变换，而且由于储能变换器与直流变压器集成在一起，使得一套变换器可同时实现直流变压和储能两个功能，节省成本；内置分散式储能环节，起到调节多个端口之间的功率流、平抑功率波动的作用。而且同时采用能量型储能和功率型储能，不仅响应速度快，持续供电时间长，而且有利于提高电池寿命；每个储能元件都可以独立控制其充放电电流，通过控制算法可实现储能元件之间的SOC均衡，可以使用不同规格不同新旧程度的电池，实现废旧电池的梯次利用，且不需要配置额外的电池能量管理系统。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种混合储能型直流变压器，其特征在于，包括：
交流电抗器和多个输出整流单元；
多绕组高频变压器，所述多绕组变压器的每个副边绕组一一对应与所述多个输出整流单元的每个输出整流单元的交流输入端并联，至少一个所述输出整流单元的直流输出端并联以构成一路低压直流，从而得到多路低压直流输出；以及
储能型模块化多电平变换器，所述储能型模块化多电平变换器为H桥结构，所述储能型模块化多电平变换器包括两相电路，每相电路包括上桥臂和下桥臂，其中，所述上桥臂由多个储能子模块的交流输出端依次串联后与桥臂电抗器串联构成，所述下桥臂由桥臂电抗器与所述多个储能子模块的交流输出端依次串联构成，所述两相电路的上桥臂的上端分别与高压直流电网正极相连，所述两相电路的下桥臂的下端分别与所述高压直流电网的负极相连，所述每相电路的上桥臂的下端与下桥臂的上端相连，形成对应相的交流输出端，所述两相电路的交流输出端与所述交流电抗器串联后与多绕组高频变压器的原边绕组并联。
2.根据权利要求1所述的混合储能型直流变压器，其特征在于，所述多个储能子模块的每个储能子模块包括：
第一MMC子模块和第一储能元件；
DC/DC单元，所述DC/DC单元的一端与所述MMC子模块的直流侧并联，所述DC/DC单元的另一端与所述储能元件并联。
3.根据权利要求1所述的混合储能型直流变压器，其特征在于，所述多个储能子模块的每个储能子模块包括：
第二MMC子模块和第二储能元件，所述第二MMC子模块的直流侧与所述储能元件并联。
4.根据权利要求2或3所述的混合储能型直流变压器，其特征在于，MMC子模块为半桥变换器、或者全桥变换器、或者混合使用半桥和全桥变换器。
5.根据权利要求2所述的混合储能型直流变压器，其特征在于，所述DC/DC单元为非隔离型双向boost电路或隔离型双有源全桥变换器电路。
6.根据权利要求2或3所述的混合储能型直流变压器，其特征在于，储能元件为功率型储能元件或能量型储能元件，其中，所述功率型储能元件包括超级电容，所述能量型储能元件包括锂电池、蓄电池和钒电池中的一种或多种。
7.根据权利要求6所述的混合储能型直流变压器，其特征在于，所述储能型模块化多电平变换器的其中一相电路的上桥臂和下桥臂的储能子模块采用所述功率型储能，另一相的上桥臂和下桥臂的储能子模块采用所述能量型储能。
8.根据权利要求1所述的混合储能型直流变压器，其特征在于，所述多个输出整流单元的每个输出整流单元包括：
直流滤波电感和直流电容；
二极管整流桥，所述二极管整流桥的交流输入端与所述多绕组高频变压器的一个副边绕组相连，直流输出端与所述直流滤波电感串联后与所述直流电容并联。
9.根据权利要求1所述的混合储能型直流变压器，其特征在于，输出整流单元为全桥变换器，其中，所述全桥变换器的交流输入端与所述多绕组高频变压器的一个副边绕组相连，直流输出端与直流电容并联。
10.一种混合储能型直流变压器的控制方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的变压器，其中，所述方法包括以下步骤：
检测多路直流输出电压的平均值，根据所述平均值与预设值之差经过PI调节器得到储能型MMC的交流输出电压峰值Um，得到所述储能型MMC的交流输出电压，得到两相上桥臂和下桥臂的交流输出电压的表达式；
检测高压直流输入侧电流，并采用低通滤波器分离出高频分离和低频分量，将所述低频分量作为能量型储能所在相的直流电流给定值，并将所述高频分量作为功率型储能所在相的直流电流给定值，以将每一相的直流电流给定值与检测值做比较并通过所述PI调节器，生成其相电压的直流控制分量，得到两相上桥臂和下桥臂的交流输出电压。
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