CN110620390A - 一种可重构的模块化电源拓扑结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可重构的模块化电源拓扑结构，属于电源技术领域，至少包括：通过控制电路和储能电池调节输入输出功率，进而适应不同负载要求的单个智能DC/DC‑储能电源模块；以模块化架构组成完整的供电系统，电源模块之间以3‑3式的结构连接，通过模块之间串并联，实现输出电压自主可控；以及隔离故障单元。智能DC/DC‑储能模块是将DC/DC元件、储能电池单体分别以经过优化后的较小规模串联成组，然后给DC/DC组配置微型变流器，再将它们与储能电池组并联，利用储能电池为DC/DC单元提供可靠的功率输入输出装置。电源模块的控制功能是通过一个微型处理器编程实现的。
Description
技术领域
本发明属于电源技术领域，具体涉及一种可重构的模块化电源拓扑结构。
背景技术
能源问题是制约社会经济发展的关键问题，为了解决这一问题，目前分布式发电，尤其以光伏发电的发展越来越迅速，由于光伏，风机等发电设备发电能力的不稳定性与不确定性，需要辅以储能设备保证电能输出的质量。目前，传统的分布式发电采取的方法是使用一个整体的储能设备。这种方法使得系统对于储能设备输出电压的可控性降低，不利于系统的自主调节。另外，由于储能电池是以串联方式接入电网中，长期充放电极易导致电池的SOC(state of charge)不均匀，当其中任意电池发生过充或过放现象，将导致整个储能设备无法正常运行，甚至导致整个分布式发电系统瘫痪。提高储能系统的可靠性，可控性，容错性，是推进分布式发电发展的关键技术。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题，提供一种可重构的模块化电源拓扑结构，为了解决分布式发电系统储能模块可靠性低、输出不可控等问题，其中，智能DC/DC-储能模块(Intelligent DC/DC and Battery Module,IDBM)，是将DC/DC元件、储能电池单体分别以经过优化后的较小规模串联成组，然后给DC/DC组配置微型变流器，再将它们与储能电池组并联，利用储能电池为DC/DC单元提供可靠的功率输入输出装置。电源模块的控制功能是通过一个微型处理器编程实现的，因而称其为“智能DC/DC-储能模块”。
本发明的目的是提供一种可重构的模块化电源拓扑结构，包括：
A.单个智能DC/DC-储能电源模块通过控制电路和储能电池调节输入输出功率，可适应不同负载的要求。
B.以模块化架构组成完整的供电系统，电源模块之间以3-3式的结构连接通过模块之间串并联，实现输出电压自主可控；
C.通过隔离故障单元，提高系统可靠性。通过系统重构，实现电源模块之间SOC(state of charge)平衡；
进一步：模块化电源采用智能DC-电池模块IDBM(Intelligent DC/DC andBattery Module)。
每一个智能DC-电池模块IDBM由DC/DC元件与储能电池连接，辅以微型变流器控制电流的流动。将DC/DC单元与储能电池看作一个整体。由微型变流器通过编程控制三端口DC/DC元件与储能电池整体组件的输入输出功率。每个IDBM模块可以监控自身SOC、输入能量与输出参数并上传给自控平台，并可根据不同负载的要求，在一定范围内控制IDBM的输出电压。
进一步：“3-3”式的连接模式，可以实现任意IDBM模块的串联、并联和隔离。
每一个智能DC-电池模块IDBM由DC/DC元件与储能电池连接。将DC/DC单元与储能电池看作一个整体。由微型变流器通过编程控制DC/DC元件与储能电池整体组件的输入输出功率。每3个IDBM模块为一组，组成1级子模块，3个IDBM模块之间可以互相串并联或隔离。整体电源结构按照“3-3”的组合模式，既每3个1级子模块可以组成2级子模块，每3个2级子模块可以组成一个3级子模块。
通过分布式控制节点控制电子开关实现1级、2级、3级子模块电源的串并联重构。通过模块中的串并联结构的改变，可以灵活的控制整体模块化电源的总输出电压与输出功率。
当任意模块过充，过放或是损坏时，分布式节点的监控单元将会检测到IDBM模块的异常并通过电子开关重构系统，进行实时隔离，保障系统的稳定运行。在模块化电源处于充电状态下，系统可以将电量充足的IDBM模块并联到系统中；在模块化电源处于放电状态下，系统可以将电量不足的IDBM模块并联到系统中，保证系统的State of charge(SOC)处于最佳的平衡状态。
本发明具有的优点和积极效果是：
通过采用上述技术方案，智能DC/DC-储能模块(Intelligent DC/DC and BatteryModule,IDBM)，是将DC/DC元件、储能电池单体分别以经过优化后的较小规模串联成组，然后给DC/DC组配置微型变流器，再将它们与储能电池组并联，利用储能电池为DC/DC单元提供可靠的功率输入输出装置。电源模块的控制功能是通过一个微型处理器编程实现的，因而称其为“智能DC/DC-储能模块”。
附图说明
图1为本发明优选实施例中IDBM模块的结构图；
图2为本发明优选实施例中“3-3”式组合结构图；
图3为本发明优选实施例中“3-3”式组合整体拓扑结构图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1至图3，一种可重构的模块化电源拓扑结构，包括：
通过控制电路和储能电池调节输入输出功率，进而适应不同负载要求的单个智能DC/DC-储能电源模块；
以模块化架构组成完整的供电系统，电源模块之间以3-3式的结构连接，通过模块之间串并联，实现输出电压自主可控；
以及隔离故障单元。
作为优选，所述单个智能DC/DC-储能电源模块由DC/DC元件与储能电池连接，并通过微型变流器控制三端口DC/DC元件与储能电池整体组件的输入输出功率。
每3个智能DC/DC-储能电源模块为一组，组成一级子模块，三个IDBM模块之间互相串并联或隔离；整体电源结构按照“3-3”的组合模式，即每三个一级子模块可以组成二级子模块，每三个二级子模块可以组成一个三级子模块
1、在IDBM中，状态检测单元通过检测DC/DC输入端的电压、电流，可以计算出DC/DC组串当前的发电功率；通过储能电池的电压、电流的持续检测和积分，可以估算储能电池当前的电量(即电池荷电状态，SOC)；通过输出侧电压、电流检测，以及系统级的功率调度指令，可以确定本模块需要输出的功率。利用这些信息，分别控制发电功率变流器、输出功率变流器，就可以使DC/DC模块产生期望的功率Pin、使模块输出载荷所需要的功率Pout，同时，储能电池的充放电功率也得到了控制。储能电池充电、放电的状态，以及充电或放电的功率，也可以在上述控制过程中确定并实现，即：①如果DC/DC模块输出最大功率大于负荷需求，电池就可以处于充电状态，否则处于放电状态；②如果DC/DC模块输出最大功率大于负荷功率，而且电池的SOC未达到100％，则“多余”的发电功率就是电池的充电功率，否则把发电功率限制在某个期望值，电池不充不放；③如果发电能力不足以满足负荷的需求，而且储能电池SOC未达到下限，不足的那部分功率就由储能电池承担；④如果储能电池SOC很低，DC/DC也不具备足够的功率在规定的时间内将其充满，则模块可以接受外部的功率输入，增加充电功率。
IDBM所具备功能：①实时采集模块内部的所有电压、电流信息；②利用检测信息实现模块内部的状态监测和保护，包括BMS的相关功能；③接收系统级调度信息，反馈模块状态信息；④计算DC/DC模块的输出功率，包括输出电流和输出电压、电池SOC；⑤确定储能电池输出功率、DC/DC模块输出功率；⑥通过测算DC/DC模块的输出功率，确定储能电池充放电状态和充放电功率；⑦使变流器按规定的指令工作。
2、整体可重构电源由多个IDBM模块以“3-3”方式连接，每3个IDBM模块可以构成一个1级子模块，每个子模块可以构成下一级子模块，每增加一级，IDBM的数量以指数型上升。以“3-3”方式连接的IDBM模块，任意IDBM模块都可以通过电子开关的关断，以串联或者并联的方式联入电源系统中，或者与电源系统隔离，实现输出电压或功率的高度自主可控。
3、IDBM模块的监控单元会实时监控模块的输入输出状态，如果检测到异常状态，监控单元会报告错误信息并主动做出故障隔离，同时模块化电源会重新进行结构重整，保证储能系统不会因故障模块而影响整体性能。通过储能电池的电压、电流的持续检测和积分，可以估算储能电池当前的电量，根据当前储能电池的电量SOC，系统会对IDBM模块进行分类，在系统充电时并联高电量的IDBM，或是在系统充电时并联低电量的IDBM，保证所有IDBM的SOC处于平衡状态，提高系统的可靠性。
1.项目实施方式
电源模块的设计理念在于可重构性，要求系统内的任意模块都可以通过串联或者并联的方式接入系统网络，并可在某一系统模块出现故障时通过重构断开其连接，而不影响整体系统的输入/输出性能。目前已有的模块互联只能实现一串皆串或一并皆并的形式，并不能达到完全灵活的可重构，输出范围受到制约，也无法及时断开问题模块。本设计创新性的采用三三型指数的互联方式。如图2。
表1串并联规则
2.实施例
在自主可调可重构模块化电源结构中，设定每个电源模块额定电压为50V，每3个电源模块可互相串联、并联或隔离，构成1个二级子模块，3个二级子模块用同样方式构成1个三级子模块，电源模块结构如图2所示。
2.1输出电压自主可控
假定系统要求储能设备输出电压为300V，目前一串皆串或一并皆并的模块互联方式均无法满足输出电压要求(全部串联的输出电压为450V，全部并联的输出电压为50V)，而本专利提出的自主可调可重构模块化电源结构可以有效解决该问题。
每个二级子模块由3个电源模块串联、并联或隔离构成，其输出电压有3种可能：50V(3并，或1断2并，或2断)；100V(1串2并，或1断2串)；150V(3串)。每个三级子模块由3个二级子模块串联、并联或隔离构成，其输出电压为300V有以下三种构成可能：
1)100V+100V+100V(3串)
2)150V+100V+50V(3串)
3)150V+150V(1断2串)
根据上述互联方式设计模块化电源结构，可满足储能设备输出电压为300V要求。
2.2电源模块SOC平衡
在储能设备充电过程中，可以通过系统重构实现电源模块之间充电平衡。对已经充满的电源模块执行隔离操作，对剩下未充满电的电源模块进行系统重构，以尽可能平衡各模块的充电速度。
设定当前3个电源模块电压分别为140V,130V,110V，将电压较高(140V、130V)的两电源模块进行并联，电压较低(110V)的电源模块与另两并联模块串联。通过此操作，低电压模块可以分得更高的充电电压，从而提高该模块充电效率。
电源模块之间的串并联规则由实时电源模块电压决定，确保当前低电压模块获得较高的充电电压。根据上述互联方式，可以实现电源模块SOC平衡。
2.3故障单元隔离
假定系统要求储能设备输出电压为300V，而其中个别电源模块出现故障，传统的全部串联方式会导致储能设备整体故障。在可重构模块化电源结构中，可以通过设计电源模块间的互联关系，消除故障单元。
假设3个二级子模块分别有0、1、1个电源模块故障，则这3个二级模块的输出电压可能分别为：50或100或150V，50或100V，50或100V。三级子模块输出电压为300V有以下两种可能：
1)100V+100V+100V(3串)；
2)150V+100V+50V(3串)；
根据上述互联方式设计模块化电源结构，可以有效消除电源模块故障的影响，实现预定储能设备输出电压。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (3)
1.一种可重构的模块化电源拓扑结构，其特征在于，至少包括：
通过控制电路和储能电池调节输入输出功率，进而适应不同负载要求的单个智能DC/DC-储能电源模块；
以模块化架构组成完整的供电系统，电源模块之间以3-3式的结构连接，通过模块之间串并联，实现输出电压自主可控；
以及隔离故障单元。
2.根据权利要求1所述可重构的模块化电源拓扑结构，其特征在于，
所述单个智能DC/DC-储能电源模块由DC/DC元件与储能电池连接，并通过微型变流器控制三端口DC/DC元件与储能电池整体组件的输入输出功率。
3.根据权利要求1所述可重构的模块化电源拓扑结构，其特征在于，
每3个智能DC/DC-储能电源模块为一组，组成一级子模块，三个IDBM模块之间互相串并联或隔离；整体电源结构按照“3-3”的组合模式，即每三个一级子模块可以组成二级子模块，每三个二级子模块可以组成一个三级子模块。
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|---|---|
| CN (1) | CN110620390A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113410831A (zh) * | 2021-06-03 | 2021-09-17 | 中国电子科技集团公司第十八研究所 | 一种太阳能无人飞行器能源动力系统 |
| CN114062831A (zh) * | 2022-01-17 | 2022-02-18 | 国网浙江省电力有限公司金华供电公司 | 适用于单光子探测器的故障自检测方法及装置 |
| CN114336982A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-04-12 | 军事科学院系统工程研究院军事新能源技术研究所 | 一种模块化储能系统及其控制方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104993602A (zh) * | 2015-06-22 | 2015-10-21 | 北京清能世福科技有限公司 | 一种模块化的储能系统 |
| US20160285264A1 (en) * | 2015-03-25 | 2016-09-29 | Zyntony, Inc. | Short-string parallel-dc optimizer for photovoltaic systems |
| CN108539794A (zh) * | 2018-05-16 | 2018-09-14 | 中国科学院光电研究院 | 一种光伏循环能源系统 |
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2019
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20160285264A1 (en) * | 2015-03-25 | 2016-09-29 | Zyntony, Inc. | Short-string parallel-dc optimizer for photovoltaic systems |
| CN104993602A (zh) * | 2015-06-22 | 2015-10-21 | 北京清能世福科技有限公司 | 一种模块化的储能系统 |
| CN108539794A (zh) * | 2018-05-16 | 2018-09-14 | 中国科学院光电研究院 | 一种光伏循环能源系统 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 曾国宏 等: "基于光储模块的发电系统及其控制策略研究", 《电力电子技术》 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113410831A (zh) * | 2021-06-03 | 2021-09-17 | 中国电子科技集团公司第十八研究所 | 一种太阳能无人飞行器能源动力系统 |
| CN114336982A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-04-12 | 军事科学院系统工程研究院军事新能源技术研究所 | 一种模块化储能系统及其控制方法 |
| CN114062831A (zh) * | 2022-01-17 | 2022-02-18 | 国网浙江省电力有限公司金华供电公司 | 适用于单光子探测器的故障自检测方法及装置 |
| CN114062831B (zh) * | 2022-01-17 | 2022-04-19 | 国网浙江省电力有限公司金华供电公司 | 适用于单光子探测器的故障自检测方法及装置 |
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