CN112436534A - 一种级联h桥储能系统直流侧滤波电路 - Google Patents

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Abstract

本发明的级联H桥储能系统直流侧滤波电路，H桥变流器的直流侧经直流侧滤波电路与电池组相连接；直流侧滤波电路由电容C1、电感L1、电容C2和电感L2组成，电容C1与电感L1串联构成LC串联谐振电路，电容C2与LC串联谐振电路相并联后的两端接于H桥变流器的直流侧，电池组的一端经电感L2接于LC串联谐振电路中电感L1所在一端，电池组的另一端接于LC串联谐振电路中电容C1所在一端。本发明的级联H桥储能系统直流侧滤波电路，通过将LC串联谐振电路的谐振频率设计为二倍工频，使得整个直流侧滤波电路能平滑储能电池电流，从而提高储能电池的循环寿命，降低电池剩余电量估算复杂度。

Description

一种级联H桥储能系统直流侧滤波电路
技术领域
本发明涉及高压储能电力电子设备领域，更具体的说，尤其涉及一种的级联H桥储能系统直流侧滤波电路。
背景技术
高压级联H桥储能系统是一种新型的储能变流器。这种变流器通过H桥的级联拓扑达到较高的交流侧输出电压，可与10kV、35kV高压等级电网直接相连省略了升压变压器，从而提高了变流器的效率。与常规低压380V储能变流器相比，级联H桥结构每个功率单元直流侧相互隔离，没有公共直流母线。因此从原理上分析可知，在交流侧功率稳定时，H桥单元直流侧电流必然包含以电网电压频率二倍为主的高频谐波成分。二倍频及高频分量会使储能电池寿命大打折扣，并且二倍频分量会对电池剩余电量估算带来挑战。为提高电池寿命和电池剩余电量估算精度，需要在功率单元直流侧与储能电池之间增加滤波电路。
现有用于级联H桥直流侧滤波电路多为LC低通滤波电路或LC谐振电路。若采用LC低通滤波电路，则截止频率需要低于二倍频分量，会造成滤波器体积增大，且不能很好滤除二倍频分量。LC串联谐振电路虽然理论上可全部吸收特定频率谐波成分，但在实际应用中当电网频率发生偏移，或谐振电感电容参数与标称参数存在误差时，LC串联谐振不能较好的吸收为电网电压二倍频率的谐波成分。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种级联H桥储能系统直流侧滤波电路。
本发明的级联H桥储能系统直流侧滤波电路，级联H桥储能系统由若干H桥储能单元级联组成，H桥储能单元由H桥变流器和电池组组成，H桥变流器具有整流和逆变作用，电池组用于存储电能，H桥变流器的交流侧接于交流电网上，H桥变流器的直流侧经直流侧滤波电路与电池组相连接；其特征在于：所述直流侧滤波电路由电容C1、电感L1、电容C2和电感L2组成，电容C1与电感L1串联构成LC串联谐振电路，LC串联谐振电路的谐振频率为交流电网频率的二倍；电容C2与LC串联谐振电路相并联后的两端接于H桥变流器的直流侧，电容C2用于吸收H桥变流器开关频率附近的高频谐波；电池组的一端经电感L2接于LC串联谐振电路中电感L1所在一端，电池组的另一端接于LC串联谐振电路中电容C1所在一端，电感L2用于进一步衰减由H桥变流器流向电池组的高频谐波电流。
本发明的级联H桥储能系统直流侧滤波电路，储能状态时：电能由交流电网流向电池组（2），H桥变流器（1）通过整流将交流电转化为直流电存储在电池组中；放电状态时：电能由电池组流向交流电网，H桥变流器通过逆变将电池组存储的直流电转化为交流电并输出至交流电网上。
本发明的级联H桥储能系统直流侧滤波电路，设交流电网的频率为f，则电容C1和电感L1的数值满足如下关系式：
L1*C1=1/(4πf)2 （1）
式中，L1、C1分别为电感L1、电容C1的数值大小，f为交流电网频率。
本发明的级联H桥储能系统直流侧滤波电路，所述交流电网的频率为50Hz，每相中所级联的H桥储能单元（3）的个数为3个，电感L1、电容C1、电感L2和电容C2的数值分别为0.9mH、2800μF、0.8mH、1000μF。
本发明的有益效果是：本发明的级联H桥储能系统直流侧滤波电路，由两个电容（C1、C2）和两个电感（L1、L2）串并联组合而成，其中的电容C1与电感L1串联构成LC串联谐振电路，电容C2与LC串联谐振电路并联后再与电感L2串联的两端接于电池组上，H桥变流器直流侧的两端分别接于LC串联谐振电路的两端；通过将LC串联谐振电路的谐振频率设计为交流电网的二倍（二倍工频），使其具有良好的滤除二倍工频谐波的作用，加之电容C2对H桥变流器开关频率附近高频谐波的吸收、电感L2对高频谐波电流的进一步衰减，使得整个直流侧滤波电路能平滑储能电池电流，从而提高储能电池的循环寿命，降低电池剩余电量估算复杂度。
附图说明
图1为本发明的级联H桥储能系统直流侧滤波电路的电路图；
图2为本发明中一种级联H桥储能系统的结构原理图；
图3为图2所提供的级联H桥储能系统中编号为模块A1的H桥储能单元的直流侧电流波形图。
图中：1 H桥变流器，2电池组，3 H桥储能单元。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
级联H桥储能系统用于将交流电网上电能存储起来，并且在需要的时候将存储的电能输送至电网上，如现有的轨道交通的吸能装置，当列车制动时将电网上富余的电能收集起来存储在电池组中，当列车启动时再将存储在电池组中的电能释放出来，既实现了电能的充分利用，避免电能浪费，又可避免交流电网上的电压过度波动。级联H桥储能系统由三相组成，每相又由多个H桥储能单元3串联而成，如图2所示，给出了本发明中一种级联H桥储能系统的结构原理图，所示的每相由3个H桥储能单元3串联而成。
H桥储能单元3由H桥变流器1、直流侧滤波电路、电池组2组成，H桥变流器1由开关器件构成，H桥变流器1具有整流和逆变功能，H桥变流器的交流侧接于交流电网上，直流侧经直流侧滤波电路与电池组2相连接，电池组2实现对电能的存储。储能状态时：电能由交流电网流向电池组2，H桥变流器1通过整流将交流电转化为直流电存储在电池组中；放电状态时：电能由电池组2流向交流电网，H桥变流器1通过逆变将电池组存储的直流电转化为交流电并输出至交流电网上。
如图1所示，给出了本发明的级联H桥储能系统直流侧滤波电路的电路图，所示的直流侧滤波电路由2个电容和2个电感串并联构成，2个电容和2个电感的标号分别为C1、C2和L1、L2，电容C1与电感L1串联构成LC串联谐振电路，LC串联谐振电路的谐振频率为交流电网频率的二倍（即二倍工频）。电容C2与LC串联谐振电路相并联后的两端接于H桥变流器的直流侧，电容C2用于吸收H桥变流器开关频率附近的高频谐波；电池组2的一端经电感L2接于LC串联谐振电路中电感L1所在一端，电池组的另一端接于LC串联谐振电路中电容C1所在一端，电感L2用于进一步衰减由H桥变流器流向电池组的高频谐波电流。
直流侧滤波电路的形成步骤如下：
第一，一个电容C1和一个电感L1串联组成LC串联谐振电路，谐振频率为电网电压频率的二倍，LC谐振电路主要用于吸收H桥单元直流侧二倍频电流。
第二，在LC串联谐振电路上并联滤波电容C2，滤波电容C2的作用是吸收H桥单元直流侧开关频率次谐波。
第三，将LC串联谐振电路和滤波电容C2并联在H桥单元直流侧。
第四，将滤波电感L2和储能电池串联在第三步所述并联结构上，滤波电感L2在高频呈现高阻特性进一步衰减流向电池侧高频电流。
将图1所示滤波结构放在如图2所示级联H桥储能系统中应用，电路中的参数如表1所示：
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
根据电感电容串联谐振原理可计算LC串联谐振频率为：
fr=1/[2π*（L1*C1）1/2]=100.26Hz （2）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为LC串联谐振频率，L1、C1参数如表1所示。
电网采用380V工频电网，因此H桥单元直流侧二倍频电流频率为100Hz，故选用如表1所示直流滤波参数。由式（2）可知，L1和C1组成串联谐振电路谐振频率为100Hz。
图3为级联储能变流器恒功率放电时模块A1直流侧电流波形，从上到下依次为H桥直流侧电流i dc_all，电池电流i dc_bat，LC谐振电路电流i dc_LC和滤波电容电流i dc_C。根据电路原理可知i dc_all为其他三个电流代数和，电流参考方向如图1所示。由图3可知H桥直流侧电流i dc_all为PWM电流，主要成分为直流电流、二倍频成分以及变流器开关引起的谐波成分，如果不加滤波电路将缩短储能电池循环寿命；LC谐振电路电流i dc_C为吸收i dc_all中的二倍频成分；滤波电容电流i dc_C为吸收i dc_all中的开关引起的谐波成分；电池电流i dc_bat呈现直流波形，直流电流在-28A左右，而电流纹波仅有2A，且另外两个支路有电容的存在，i dc_all中全部直流成分会全部流向电池侧，几乎无额外功率损失。所发明滤波电路从如i dc_all所示的电流波形中提取直流成分流向电池侧，大大提高储能电池循环使用寿命，也降低了储能电池剩余电量估算复杂度。
可见，本发明的用于级联H桥储能系统直流侧滤波电路，其特点是滤波电路由两个电容和两个电感组成，通过电感电容的特定串并联组合，可有效吸收功率单元直流侧流向电池侧的二倍频电流及其他高频成分，大大提高储能电池循环使用寿命，降低储能电池剩余电量估算复杂度，是一种值得推广的级联储能系统直流侧滤波电路。

Claims (4)

1.一种级联H桥储能系统直流侧滤波电路，级联H桥储能系统由若干H桥储能单元（3）级联组成，H桥储能单元由H桥变流器（1）和电池组（2）组成，H桥变流器具有整流和逆变作用，电池组用于存储电能，H桥变流器的交流侧接于交流电网上，H桥变流器的直流侧经直流侧滤波电路与电池组相连接；其特征在于：所述直流侧滤波电路由电容C1、电感L1、电容C2和电感L2组成，电容C1与电感L1串联构成LC串联谐振电路，LC串联谐振电路的谐振频率为交流电网频率的二倍；电容C2与LC串联谐振电路相并联后的两端接于H桥变流器的直流侧，电容C2用于吸收H桥变流器开关频率附近的高频谐波；电池组的一端经电感L2接于LC串联谐振电路中电感L1所在一端，电池组的另一端接于LC串联谐振电路中电容C1所在一端，电感L2用于进一步衰减由H桥变流器流向电池组的高频谐波电流。
2.根据权利要求1所述的级联H桥储能系统直流侧滤波电路，其特征在于，储能状态时：电能由交流电网流向电池组（2），H桥变流器（1）通过整流将交流电转化为直流电存储在电池组中；放电状态时：电能由电池组流向交流电网，H桥变流器通过逆变将电池组存储的直流电转化为交流电并输出至交流电网上。
3.根据权利要求1或2所述的级联H桥储能系统直流侧滤波电路，其特征在于：设交流电网的频率为f，则电容C1和电感L1的数值满足如下关系式：
L1*C1=1/(4πf)2 （1）
式中，L1、C1分别为电感L1、电容C1的数值大小，f为交流电网频率。
4.根据权利要求1或2所述的级联H桥储能系统直流侧滤波电路，其特征在于：所述交流电网的频率为50Hz，每相中所级联的H桥储能单元（3）的个数为3个，电感L1、电容C1、电感L2和电容C2的数值分别为0.9mH、2800μF、0.8mH、1000μF。
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