CN110120758A - 一种适用于复合储能介质串联接入的多端口变流器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于复合储能介质串联接入的多端口变流器，包括串联连接的至少2个储能介质，与储能介质并联的功率电路，以及与功率电路并联的滤波电路；其中，功率电路包含三相桥臂和控制每相桥臂输出的双向开关，每相桥臂包含至少2个逆导功率开关管；滤波电路为LCL滤波器。通过合理控制功率器件的通断，可以实现两种储能介质的协同工作，充分发挥储能变流器中两种储能介质的优势，实现两种储能介质的优势互补，延长储能介质的寿命，实现经济最优。

Description

一种适用于复合储能介质串联接入的多端口变流器
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体设计一种适用于复合储能介质串联接入的多端口变流器。
背景技术
智能电网中，储能已成为大规模集中式和分布式新能源发电接入和利用的重要支撑技术。在能源互联网发展背景下，储能的作用和地位将发生显著变化。基于储能在电力系统中的应用基础，储能的功能将进一步得到拓展，一些储能技术将获得新的发展机遇。传统意义的电力储能可定义为实现电力存储和双向转换的技术，包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、超导磁储能、电池储能等，利用这些储能技术，电能以机械能、电磁场、化学能等形式存储下来，并适时反馈回电力网络。能源互联网中的电力储能不仅包含实现电能双向转换的设备，还应包含电能与其他能量形式的单向存储与转换设备。
近来，储能电池、超级电容器、超导电磁储能和高效率飞轮等中小规模储能技术取得长足的进步，从而有力拓展了储能技术的应用范围。凭借这些传统和新兴、不同规模的储能技术，其应用可贯穿电力系统发输、变、配、用、电各个环节，以全面提升电力系统的运行效率、可靠性、电能质量和资产价值。
在能量/功率密度方面，电池储能具有较高的能量密度，钠硫电池的能量密度高达200W·h/kg；抽水蓄能、超导磁储能、超级电容器和飞轮储能能量密度大都低于30Wh·kg。但超级电容器储能和飞轮储能具有很高的功率密度，可以大功率放电，且响应时间快，适用于应对电压暂降和瞬时停电、提高用户的电能质量，抑制电力系统低频振荡和提高系统稳定性等。在循环寿命方面，电磁储能的循环次数高达数万次，如超导磁和超级电容器；机械储能如抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能的寿命主要取决于系统中机械部件的寿命，受传统机械工程技术的影响很大，系统寿命大于15年；电池储能系统的循环寿命与电极材料的性能和失效机理相关，其中钠硫电池的循环次数可达4500次，远高于铅酸电池、锂离子电池。
因此，超级电容器、蓄电池等多种储能介质共同工作，可以兼顾充放电速度和储能容量。一种传统的方法是将多种储能介质分别用双向变流器与三相电网相连。但此方案下，每一个三相变流器均需要一组控制器、滤波器以及变流器之间的通信装置以便协调工作。若采用多端口变流器则可以只采用一组控制器、一组滤波器，并且不需要通信装置。因此，多端口变流器在混合储能领域有着重要运用。
发明内容
本发明提供了一种适用于复合储能介质串联接入的多端口变流器，该多端口变流器是一种基于复合储能结构的储能变流器，可以充分发挥蓄电池和超级电容两种储能介质的优势。
本发明的技术方案为：
一种适用于复合储能介质串联接入的多端口变流器，其特征在于，包括：串联连接的至少2个储能介质，与储能介质并联的功率电路，以及与功率电路并联的滤波电路；
其中，功率电路包含三相桥臂和控制每相桥臂输出的双向开关，每相桥臂包含至少2个逆导功率开关管；
滤波电路为LCL滤波器。
其中，所述储能介质为蓄电池和/或超级电容器。可以是多个蓄电池和超级电容器交错串联，并不限制蓄电池和超级电容器的类型，具体地，在一个实施方式中，所述多端口变流器中包含串联连接的2个储能介质，其中，一个储能介质为蓄电池，另一个储能介质为超级电容器。为方便说明，以如下拓扑举例：蓄电池的负极和超级电容正极相连，蓄电池正极接功率电路上桥臂，超级电容负极接功率电路下桥臂。
具体地，所述双向开关为由两个逆导型功率IGBT反向串联组成的开关。或者所述双向开关为由两个逆导型功率IGBT反并联组成的开关。
优选地，所述逆导功率开关管为带有反并二极管的绝缘栅极双极性晶体管(IGBT)。
在一个实施方式中，所述功率电路包括：
IGBT Sc1与IGBT Sc2构成第一桥臂，IGBT Sc1的发射极与IGBT Sc2的集电极相连；
IGBT Sc3与IGBT Sc4构成第二桥臂，IGBT Sc3的发射极与IGBT Sc4的集电极相连；
IGBT Sc5与IGBT Sc6构成第三桥臂，IGBT Sc5的发射极与IGBT Sc6的集电极相连；
IGBT Sc1、IGBT Sc3、IGBT Sc5的集电极与蓄电池正极相连，IGBT Sc2、IGBT Sc4、IGBT Sc6的发射极与超级电容负极相连；
各桥臂中点分别通过双向开关SW1，双向开关SW2，双向开关SW3与蓄电池负极和超级电容正极相连。
在另外一个实施方式中，所述滤波电路包括，滤波电感Lf1、Lf2、Lg2、Lg1、Lf3、Lg3，滤波电容Cf1、Cf2、Cf3；
其中，滤波电感Lf1、Lg1串联，滤波电感Lf1的另一端与双向开关SW1和第一桥臂中点相连，滤波电感Lg1的另一端与负载相连；
滤波电感Lf2、Lg2串联，滤波电感Lf2的另一端与双向开关SW2和第二桥臂中点相连，滤波电感Lg2的另一端与负载相连；
滤波电感Lf3、Lg3串联，滤波电感Lf3的另一端与双向开关SW3和第三桥臂中点相连，滤波电感Lg3的另一端与负载相连；
滤波电容Cf1、Cf2、Cf3的一端相连，滤波电容Cf1另一端与滤波电感Lf1、Lg1相连，滤波电容Cf2另一端与滤波电感Lf2、Lg2相连，滤波电容Cf3另一端与滤波电感Lf3、Lg3相连。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
该多端口变流器中，蓄电池瞬时功率小，能量密度大，适合处理低频大功率能量。超级电容瞬时功率大，能量密度小，适合处理高频小功率流动。通过合理控制功率器件的通断，可以实现两种储能介质的协同工作，充分发挥储能变流器中两种储能介质的优势，实现两种储能介质的优势互补，延长储能介质的寿命，实现经济最优。
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做简单地介绍，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前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是多端口变流器的结构示意图；
图2是第一种双向开关结构示意图；
图3是第二种双向开关结构示意图；
图4是工作模式1下的相电流、电网电压与直流母线电压波形；
图5是工作模式2下的相电流、电网电压与直流母线电压波形；
图6是工作模式3下的相电流、电网电压与直流母线电压波形；
图7是由工作模式1向工作模式2转换过程的相电流、电网电压与直流母线电压波形；
图8是由工作模式3向工作模式1转换过程的相电流、电网电压与直流母线电压波形。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
参见图1，本实施例提供的一种适用于复合储能介质串联接入的多端口变流器，包括储能介质、功率电路和滤波电路三部分。
其中，储能介质为一个蓄电池和一个超级电容，串联形成储能电路；
功率电路包括IGBT Sc1与IGBT Sc2构成第一桥臂，IGBT Sc1的发射极与IGBT Sc2的集电极相连；IGBT Sc3与IGBT Sc4构成第二桥臂，IGBT Sc3的发射极与IGBT Sc4的集电极相连；IGBT Sc5与IGBT Sc6构成第三桥臂，IGBT Sc5的发射极与IGBT Sc6的集电极相连；IGBTSc1、IGBT Sc3、IGBT Sc5的集电极与蓄电池正极相连，IGBT Sc2、IGBT Sc4、IGBT Sc6的发射极与超级电容负极相连；各桥臂中点分别通过双向开关SW1，双向开关SW2，双向开关SW3与蓄电池负极和超级电容正极相连。
所述滤波电路包括，滤波电感Lf1、Lf2、Lg2、Lg1、Lf3、Lg3，滤波电容Cf1、Cf2、Cf3；其中，滤波电感Lf1、Lg1串联，滤波电感Lf1的另一端与双向开关SW1和第一桥臂中点相连，滤波电感Lg1的另一端与负载相连；滤波电感Lf2、Lg2串联，滤波电感Lf2的另一端与双向开关SW2和第二桥臂中点相连，滤波电感Lg2的另一端与负载相连；滤波电感Lf3、Lg3串联，滤波电感Lf3的另一端与双向开关SW3和第三桥臂中点相连，滤波电感Lg3的另一端与负载相连；滤波电容Cf1、Cf2、Cf3的一端相连，滤波电容Cf1另一端与滤波电感Lf1、Lg1相连，滤波电容Cf2另一端与滤波电感Lf2、Lg2相连，滤波电容Cf3另一端与滤波电感Lf3、Lg3相连。
上述双向开关SW1，双向开关SW2，双向开关SW3可以为如图2所示的由两个逆导型功率IGBTVT1、VT2反向串联组成的双向开关。或者为如图3所示的由两个逆导型功率IGBT TVT1、VT2反并联组成的双向开关。
本发明可以采用SPWM或SVPWM调制方式进行调制。
通过控制功率电路中功率器件的开通和关断，可以分别控制超级电容或蓄电池与电网连接。运用MATLAB-SIMULINK可以对本发明的控制实现进行仿真。
工作模式1：
当IGBT Sc1、IGBT Sc3、IGBT Sc5维持关闭，IGBT Sc2、IGBT Sc4、IGBT Sc6和双向开关SW1、SW2、SW3构成三相全控桥变流器。此时超级电容与电网连接，通过SPWM或SVPWM调制，可以控制超级电容进行充放电。
在此工作模式下，直流母线电压UDC、A相桥臂中点电压UAN、A相电网电压USA与各相电流的波形如图4。此时直流母线电压为超级电容电压，A相桥臂中点电压在直流母线电压与0V之间快速切换。
工作模式2：
当IGBT Sc2、IGBT Sc4、IGBT Sc6维持关闭，IGBT Sc1、IGBT Sc3、IGBT Sc5和双向开关SW1、SW2、SW3构成三相全控桥变流器。此时蓄电池与电网连接，通过SPWM或SVPWM调制，可以控制蓄电池进行充放电。
在此工作模式下，直流母线电压UDC、A相桥臂中点电压UAN、A相电网电压USA与各相电流的波形如图5。此时直流母线电压为蓄电池电压，A相桥臂中点电压在蓄电池和超级电容电压和与蓄电池电压之间快速切换，其差值即为蓄电池电压。
工作模式3：
当双向开关SW1、SW2、SW3维持关闭，IGBT Sc1、IGBT Sc3、IGBT Sc5和IGBT Sc2、IGBTSc4、IGBT Sc6构成三相全控桥变流器。此时超级电容与蓄电池串联后与电网连接，通过SPWM或SVPWM调制，可以控制蓄电池和超级电容进行充放电。
在此工作模式下，直流母线电压UDC、A相桥臂中点电压UAN、A相电网电压USA与各相电流的波形如图6。此时直流母线电压为超级电容与蓄电池电压之和，A相桥臂中点电压在直流母线电压与0V之间快速切换。
工作模式4：
当所有功率器件均处在关闭状态时，蓄电池和超级电容均不接入电网，此时系统处在储能状态。
任意时刻，储能变流器处在上述四种状态之一。
多端口变流器可受控在各个工作状态之间切换。其中，由工作模式1向工作模式2转换过程中，直流母线电压UDC、A相桥臂中点电压UAN、A相电网电压USA与各相电流的波形如图7所示；由工作模式3向工作模式1转换过程中，直流母线电压UDC、A相桥臂中点电压UAN、A相电网电压USA与各相电流的波形如图8所示。
上述多端口变流器中，蓄电池瞬时功率小，能量密度大，适合处理低频大功率能量。超级电容瞬时功率大，能量密度小，适合处理高频小功率流动。根据实际能量吞吐的功率和频率要求，选择所述变流器工作在模式1、模式2、模式3等不同工作状态，根据实际能量吞吐的功率和频率要求，选择所述变流器工作在模式1、模式2、模式3等不同工作状态，可以实现两种储能介质的协同工作，充分发挥储能变流器中两种储能介质的优势，实现两种储能介质的优势互补，延长储能介质的寿命，实现经济最优。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于复合储能介质串联接入的多端口变流器，其特征在于，包括：串联连接的至少2个储能介质，与储能介质并联的功率电路，以及与功率电路并联的滤波电路；
其中，功率电路包含三相桥臂和控制每相桥臂输出的双向开关，每相桥臂包含至少2个逆导功率开关管；
滤波电路为LCL滤波器。
2.如权利要求1所述的适用于复合储能介质串联接入的多端口变流器，其特征在于，所述储能介质为蓄电池和/或超级电容器。
3.如权利要求1所述的适用于复合储能介质串联接入的多端口变流器，其特征在于，所述多端口变流器中包含串联连接的2个储能介质，其中，一个储能介质为蓄电池，另一个储能介质为超级电容器。
4.如权利要求1所述的适用于复合储能介质串联接入的多端口变流器，其特征在于，所述双向开关为由两个逆导型功率IGBT反向串联组成的开关。
5.如权利要求1所述的适用于复合储能介质串联接入的多端口变流器，其特征在于，所述双向开关为由两个逆导型功率IGBT反并联组成的开关。
6.如权利要求3所述的适用于复合储能介质串联接入的多端口变流器，其特征在于，所述逆导功率开关管为带有反并二极管的绝缘栅极双极性晶体管(IGBT)。
7.如权利要求6所述的适用于复合储能介质串联接入的多端口变流器，其特征在于，所述功率电路包括：
IGBT Sc1与IGBT Sc2构成第一桥臂，IGBT Sc1的发射极与IGBT Sc2的集电极相连；
IGBT Sc3与IGBT Sc4构成第二桥臂，IGBT Sc3的发射极与IGBT Sc4的集电极相连；
IGBT Sc5与IGBT Sc6构成第三桥臂，IGBT Sc5的发射极与IGBT Sc6的集电极相连；
IGBT Sc1、IGBT Sc3、IGBT Sc5的集电极与蓄电池正极相连，IGBT Sc2、IGBT Sc4、IGBT Sc6的发射极与超级电容负极相连；
各桥臂中点分别通过双向开关SW1，双向开关SW2，双向开关SW3与蓄电池负极和超级电容正极相连。
8.如权利要求7所述的适用于复合储能介质串联接入的多端口变流器，其特征在于，所述滤波电路包括，滤波电感Lf1、Lf2、Lg2、Lg1、Lf3、Lg3，滤波电容Cf1、Cf2、Cf3；
其中，滤波电感Lf1、Lg1串联，滤波电感Lf1的另一端与双向开关SW1和第一桥臂中点相连，滤波电感Lg1的另一端与负载相连；
滤波电感Lf2、Lg2串联，滤波电感Lf2的另一端与双向开关SW2和第二桥臂中点相连，滤波电感Lg2的另一端与负载相连；
滤波电感Lf3、Lg3串联，滤波电感Lf3的另一端与双向开关SW3和第三桥臂中点相连，滤波电感Lg3的另一端与负载相连；
滤波电容Cf1、Cf2、Cf3的一端相连，滤波电容Cf1另一端与滤波电感Lf1、Lg1相连，滤波电容Cf2另一端与滤波电感Lf2、Lg2相连，滤波电容Cf3另一端与滤波电感Lf3、Lg3相连。
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