CN114499267A - 高压直挂储能换流器及其控制方法和参数设计方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种高压直挂储能换流器及其控制方法和参数设计方法，属于大功率电力电子变流技术领域，该高压直挂储能换流器的储能换流阀段包括至少两个子模块和正极连接单元；子模块分为：一个第一子模块和一个第二子模块，或者至少两个第一子模块和M个第二子模块,M为自然数；子模块均包括功率单元、直流电容和旁路开关，功率单元包括交流侧和直流侧，直流电容并联在直流侧，旁路开关并联在交流侧；第一子模块还包括储能单元和第一直流开关单元，储能单元通过第一直流开关单元并联直流电容；正极连接单元连接在相邻的子模块的正极点之间。通过闭合正极连接单元，实现储能单元或功率单元的共享，避免换流器储能容量降低，提高了设备利用率。

Description

高压直挂储能换流器及其控制方法和参数设计方法
技术领域
本申请属于大功率电力电子变流技术领域，具体涉及一种高压直挂储能换流器及其控制方法和参数设计方法。
背景技术
在大容量大功率电力电子变流技术领域，多电平换流器利用模块化级联技术，将储能装置集成在子模块中，具有模块化程度高、谐波特性好、等效开关频率低等优势，目前已成为高压电力电子领域的标准拓扑。通过将储能单元作为子模块集成在模块化多电平换流器中，如将储能单元集成在静止无功发生器中，实现高压交流直挂式储能，或者将储能单元集成在半桥模块中，实现高压直流直挂式储能，可以同时实现交直流功率转换和能量储存。
由此诞生的高压直挂储能换流器是一种能够有效满足储能系统接入要求、起到支撑电网作用的可行方案。由于换流器中子模块众多，通常采用设置冗余单元实现可靠性提升，但现有冗余技术方案应用于高压直挂储能变流器尚存在不足之处：(1)传统方案中，功率单元配置旁路开关，但一旦功率单元被旁路，运行正常的储能单元也会被旁路掉，使换流器的储能容量降低；同时，由于交流侧被旁路，储能单元无法实现正常的充放电控制，被动处于长期静置的状态，放置时间过久会逐渐损失性能，甚至损坏。(2)由于现有取能方式均是依赖交流侧电网，一旦交流侧旁路，会造成取能系统无法正常工作，控制单元和通信单元无法取能，变成“黑模块”，如采用环网的通信方式，会造成环网解列。
发明内容
发明目的：本申请提供一种高压直挂储能换流器，目的是解决现有冗余技术方案应用于高压直挂储能变流器中存在的不足；本申请还提供一种上述高压直挂储能换流器的控制方法，目的是为该高压直挂储能换流器提供多种可选择的控制模式；此外，本申请还提供一种上述高压直挂储能换流器的参数设计方法，目的是设计该高压直挂储能换流器的参数。
技术方案：本申请所述的一种高压直挂储能换流器，包括储能换流阀段，所述储能换流阀段包括至少两个子模块和正极连接单元；
其中，所述至少两个子模块包括：一个第一子模块和一个第二子模块，或者至少两个所述第一子模块和M个所述第二子模块，M为自然数；
所述第一子模块和所述第二子模块均包括功率单元、直流电容和旁路开关，所述功率单元包括交流侧和直流侧，所述直流电容并联在所述直流侧，所述旁路开关并联在所述交流侧；
所述第一子模块还包括储能单元和第一直流开关单元，所述储能单元通过所述第一直流开关单元并联所述直流电容；
所述正极连接单元连接在相邻的所述子模块的正极点之间；所述第一子模块的所述正极点自其储能单元的正极引出，所述第二子模块的所述正极点自其直流电容的正极引出。
在一些实施例中，所述功率单元包括功率半导体器件构成的全桥电路和/或半桥电路。
在一些实施例中，所述储能换流阀段包括负极连接单元；
所述负极连接单元连接在相邻的所述子模块的负极点之间；所述第一子模块的所述负极点自其储能单元的负极引出，所述第二子模块的所述负极点自其直流电容的负极引出。
在一些实施例中，所述第二子模块包括第二直流开关单元；
所述第二直流开关单元连接在所述直流电容与所述正极点之间，和/或，所述第二直流开关单元连接在所述直流电容与所述负极点之间。
在一些实施例中，所述第一直流开关单元和/或所述第二直流开关单元包括：正极开关和/或负极开关。
在一些实施例中，所述正极开关和所述负极开关被配置为独立工作，或者，所述负极开关被配置为闭合状态。
在一些实施例中，所述储能单元包括电池、超级电容、飞轮储能、气体压缩储能中的至少一种。
在一些实施例中，所述正极连接单元和/或所述负极连接单元包括：可控开关、半导体开关、充电二极管中的任意一种或它们的任意串联组合或并联组合。
在一些实施例中，当所述储能换流阀段未设置所述负极连接单元时，在所有的所述正极连接单元中：
选择所述储能换流阀段端部的j个所述正极连接单元采用可控开关，或者采用半导体开关和充电二极管的并联组合，其中M≥j≥1；
其余的所述正极连接单元采用充电二极管。
在一些实施例中，所述充电二极管串联限流电阻、限流电感、滤波器中的至少一种。
在一些实施例中，所述子模块包括级联的N个所述第一子模块和M个所述第二子模块，其中，N≥1且N+M≥2；
当M＝N时：所述第一子模块和所述第二子模块交替间隔排布，或者，
所述第一子模块和所述第二子模块一一对应，且对应的所述第一子模块和所述第二子模块集成于一个容器中；
当M＜N时：所述第二子模块设置于所述第一子模块之间，且相邻的两个所述第一子模块之间至多设置一个所述第二子模块，或者，
所述第二子模块与所述第一子模块一一对应的集成于一个容器中，且相邻的两个所述第一子模块中，至多有一个所述第一子模块与所述第二子模块集成于一个容器中。其中，级联在本领域代表交流侧串联。
在一些实施例中，该高压直挂储能换流器还包括阀控单元，所述子模块与所述阀控单元通信。
在一些实施例中，所述第一子模块包括储能控制模块和功率控制模块，所述储能控制模块和所述功率控制模块通信，所述储能控制模块和/或所述功率控制模块与所述阀控单元通信；
所述第二子模块包括功率控制模块，所述功率控制模块和所述阀控单元通信。
在一些实施例中，所述阀控单元包括至少一个阀控制器，所述子模块与所述阀控制器通信。
在一些实施例中，所述阀控单元包括两个所述阀控制器，分别为第一阀控制器和第二阀控制器，所述功率控制模块与所述第一阀控制器通信，所述储能控制模块与所述第二阀控制器通信。
在一些实施例中，所述第一阀控制器和所述第二阀控制器通信；和/或
所述第一阀控制器和所述第二阀控制器为设置于同一个装置内的不同插件，或者所述第一阀控制器和所述第二阀控制器设置于不同的装置中；和/或
所述第一阀控制器配置在线切换的双系统；和/或
所述第二阀控制器配置在线切换的双系统。
在一些实施例中，所述子模块还包括至少一个取能电源；
所述取能电源与所述直流电容和/或所述储能单元连接；
所述取能电源为其所在的子模块或者相邻的子模块的所述功率控制模块和/或所述储能控制模块供电。
在一些实施例中，所述子模块与所述阀控单元通信的方式包括：点对点连接、环网连接、分组连接、双环网连接或它们的任意组合；
所述点对点连接是：各所述子模块的所述储能控制模块和/或所述功率控制模块与所述阀控单元连接；
所述环网连接是：相邻的所述子模块的所述储能控制模块和/或所述功率控制模块相互级联后，位于首尾两端的所述子模块的所述储能控制模块和/或所述功率控制模块与所述阀控单元连接；
所述分组连接是：将所述储能换流阀段中所有的所述子模块分组，在每一组中，相邻的所述子模块的所述储能控制模块和/或所述功率控制模块相互级联后，位于首尾两端的所述子模块的所述储能控制模块和/或所述功率控制模块与所述阀控单元连接；
所述双环网连接是：相邻的所述子模块的所述功率控制模块相互级联后，位于首尾的所述子模块的所述功率控制模块与所述阀控单元连接，形成第一环网；相邻的所述第一子模块的所述储能控制模块相互级联后，首尾的所述第一子模块的所述储能控制模块与所述阀控单元连接，形成第二环网。
相应的，本申请提供的一种高压直挂储能换流器的控制方法，包括储能单元快速均衡模式和旁路子模块处理模式，其中，
所述储能单元快速均衡模式包括：依靠对正极连接单元和/或负极连接单元以及功率单元中功率半导体器件开通关断的控制，实现储能单元的荷电状态均衡；
所述旁路子模块处理模式包括：依靠与旁路子模块连接的正极连接单元和/或负极连接单元为旁路子模块的储能单元充电，实现储能单元共享，并维持高压直挂储能换流器通信的连续，其中，旁路子模块为旁路开关闭合的所述子模块。
在一些实施例中，当检测到所述第一子模块的所述旁路开关闭合时：如果所述第一子模块的相邻子模块为第二子模块，选择所述第一子模块和相邻的所述第二子模块之间的所述正极连接单元和/或所述负极连接单元的可控开关合闸，将所述第一子模块的所述储能单元切换到相邻的所述第二子模块的所述直流电容并联；如果所述第一子模块的相邻子模块中无所述第二子模块，选择所述储能换流阀段中部的所述正极连接单元和/或所述负极连接单元的可控开关合闸；
当检测到所述第二子模块的所述旁路开关闭合时，选择与所述第二子模块连接的所述正极连接单元和/或所述负极连接单元的可控开关合闸。
相应的，本申请提供的一种高压直挂储能换流器的参数设计方法，包括以下步骤：
确定储能需求总容量C；
根据高压直挂储能换流器的接入点电压和功率半导体器件耐压水平，确定所述第一子模块最少个数Nmin；
配置Nmin个所述储能单元的计算容量Ci，使Nmin×Ci≥C；或者，根据所述储能单元的实际容量Ci′和Nmin×Ci′≥C，重新计算Nmin；其中，Ci为根据Nmin和C得到的每个所述储能单元的计算容量，Ci′为每个所述储能单元的实际容量；
选择N＝(1+k1)×Nmin，k1为所述储能单元容量冗余系数；
选择M＝k2×N，k2为所述子模块个数冗余系数；
其中，N为所述第一子模块的个数，M为所述第二子模块的个数。
有益效果：与现有技术相比，本申请的高压直挂储能换流器设置了至少两个子模块，且在相邻子模块之间通过正极连接单元在直流侧建立电气连接，当带有储能单元的第一子模块或者不带有储能单元的第二子模块旁路时，可以通过闭合正极连接单元，实现子模块的储能单元或功率单元的共享，避免了换流器的储能容量降低，提高了设备利用率。由于直流侧建立了连接，当子模块的功率单元无法工作时，可以由相邻的子模块的储能单元为旁路子模块的储能单元充电，避免了储能单元处于长期静置的状态而受损。此外，该高压直挂储能换流器提供了直流电容和储能单元双重取能方式，同时，相邻子模块可以通过正极连接单元辅助供能，能够避免控制单元和通信单元失电，变成“黑模块”，可以采用环网的通信方式，不会由于子模块旁路而造成环网解列。
与现有技术相比，本申请的高压直挂储能换流器的控制方法包括储能单元快速均衡模式和旁路子模块处理模式，为高压直挂储能换流器提供了可选择的控制模式。
与现有技术相比，本申请的高压直挂储能换流器的参数设计方法能够对第一子模块和第二子模块在换流链中进行合理的配置。
附图说明
下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。
图1为本申请实施例中提供的高压直挂储能换流器的结构示意图，图中示出的功率单元为功率半导体器件构成的全桥电路；
图2为本申请实施例中提供的高压直挂储能换流器的结构示意图，图中示出的功率单元为功率半导体器件构成的半桥电路；
图3为本申请实施例中提供的高压直挂储能换流器的结构示意图，图中示出的结构包括负极连接单元；
图4为本申请实施例中正极连接单元和/或负极连接单元的结构形式示意图，图中a示出了可控开关的结构形式，b示出了半导体开关的结构形式，c示出了充电二极管的结构形式；
图5为本申请实施例中提供的一种高压直挂储能换流器的结构示意图，图中示出的正极连接单元为可控开关和充电二极管；
图6为本申请实施例中提供的高压直挂储能换流器的第一子模块和第二子模块的布置方式示意图，图中示出了第一子模块和第二子模块数量相等时的相邻布置方式；
图7为本申请实施例中提供的高压直挂储能换流器的第一子模块和第二子模块的布置方式示意图，图中示出了第一子模块和第二子模块数量相等时的集成布置方式；
图8为本申请实施例中提供的高压直挂储能换流器的第一子模块和第二子模块的布置方式示意图，图中示出了第二子模块数量少于第一子模块时的集成布置方式；
图9为本申请实施例中子模块与阀控单元的点对点连接示意图；
图10为本申请实施例中子模块与阀控单元的环网连接示意图；
图11为本申请实施例中子模块与阀控单元的分组连接示意图；
图12为本申请实施例中子模块与阀控单元的双环网连接示意图；
图13为本申请实施例中提供的高压直挂储能换流器的参数设计方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。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一个或者更多个所述特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。
本申请实施例提供一种高压直挂储能换流器，包括储能换流阀段，该储能换流阀段包括至少两个子模块和正极连接单元8。
如图1所示，子模块分可为第一子模块1和第二子模块2，第一子模块1为带有储能单元的有源子模块，第二子模块2为不带有储能单元的常规子模块。具体而言，该高压直挂储能换流器的储能换流阀段中包括N个第一子模块1和M个第二子模块2，其中N≥1，M≥0，N+M≥2。可以理解的是，储能换流阀段中所包含的子模块大致有两种情形：第一种情形是储能换流阀段中包括一个第一子模块1和一个第二子模块2；第二种情形是储能换流阀段中包括至少两个第一子模块1和M个第二子模块2，M为自然数。可以理解的是，在第二种情形的实施例中，M可以为0，即储能换流阀段中仅包含第一子模块1，不包含第二子模块2。
请再次参阅图1，第一子模块1包括功率单元3、旁路开关4、直流电容5、储能单元6和第一直流开关单元7。其中，功率单元3的交流侧与旁路开关4并联，功率单元3的直流侧与直流电容5并联，储能单元6通过第一直流开关单元7并联在直流电容5的直流侧。
其中，储能单元6的主要组成包括储能元件，储能元件的数量至少为一个，也就是说，在一些实施例中储能单元6中可以仅设置一个储能元件，而在其他的实施例中储能单元6则可以设置多个储能元件。可选地，储能元件可以有多种形式，包括电池、超级电容、飞轮储能、气体压缩储能或它们的任意组合。除此以外，也可以选择本领域已知的其他能够存储电能的器件，例如梯次电池，本领域技术人员可根据不同实施例的不同需求从这些器件中做出选择。
第二子模块2包括功率单元3、旁路开关4和直流电容5，其中，功率单元3的交流侧与旁路开关4并联，功率单元3的直流侧与直流电容5并联。
正极连接单元8连接在相邻的子模块的正极点之间，如图1所示，第一子模块1的正极点自其储能单元6的正极引出，第二子模块2的正极点自其直流电容5的正极引出。通过设置正极连接单元8，当某些子模块旁路时，可以通过闭合正极连接单元8，实现储能单元6或功率单元3的共享，避免了换流器的储能容量降低，提高了设备利用率。
请一并结合图1和图2，功率单元3包括功率半导体器件构成的全桥电路和/或半桥电路。也就是说，在一些实施例中，功率单元3为如图1所示的功率半导体器件构成的全桥电路，在一些实施例中，功率单元3为如图2所示的功率半导体器件构成的半桥电路，在一些实施例中，功率单元3还可以是功率半导体器件构成的全桥半桥混合电路。具体的，功率单元3可以为两电平或三电平的半桥或全桥电路，或它们的任意混合。
如图3所示，在一些实施例中，高压直挂储能换流器的储能换流阀段还包括负极连接单元10，该负极连接单元10连接在相邻的子模块的负极点之间。其中，对于第一子模块1而言，负极点自其储能单元6的负极引出；对于第二子模块2而言，负极点自其直流电容5的负极引出。
请再次参阅图1-图3，在一些实施例中，第二子模块2包括第二直流开关单元9，第二直流开关单元9连接在直流电容5与正极点之间，和/或，第二直流开关单元9连接在直流电容5与负极点之间。也就是说，可以如图1、图2中所示，仅在第二子模块2的直流电容5和正极点之间设置第二直流开关单元9，也可以，在第二子模块2的直流电容5和负极点之间设置第二直流开关单元9，亦或者，在第二子模块2的直流电容5和正极点、负极点之间均设置第二直流开关单元9。
在一些实施例中，第一直流开关单元7包括正极开关，该正极开关连接在第一子模块1的直流电容5和储能单元6的正极之间；在一些实施例中，第一直流开关单元7包括负极开关，该负极开关连接在第一子模块1的直流电容5和储能单元6的负极之间。如图1和图2所示，在一些实施例中，第一直流开关单元7既包括上述的正极开关，也包括上述的负极开关，分别设置在储能单元6的正极侧和负极侧，与第一子模块1的直流电容5连接。
如图1和图2所示，在一些实施例中，第二直流开关单元9包括正极开关，该正极开关连接在第二子模块2的直流电容5和正极点之间；在一些实施例中，第二直流开关单元9包括负极开关，该负极开关连接在第二子模块2的直流电容5和负极点之间。如图2所示，在一些实施例中，第二直流开关单元9既包括上述的正极开关，也包括上述的负极开关，分别设置第二子模块2的直流电容5两侧且分别与正极点和负极点连接。
在一些实施例中，当第一直流开关单元7和/或第二直流开关单元9具有正极开关和负极开关时，其正极开关和负极开关被配置为独立工作，或者负极开关被配置为始终处于闭合状态，从而能覆盖两种不同的运行方式。
如图4所示，在一些实施例中，正极连接单元8和/或负极连接单元10包括：图4中a示出的可控开关、图4中b示出的半导体开关、图4中c示出的充电二极管中的任意一种或它们的任意串联组合或并联组合。如图5所示，在本申请提供的一种实施例中，当高压直挂储能换流器的储能换流阀段只存在正极连接单元8，未设置负极连接单元10时，在储能换流阀段两端分别选择j个正极连接单元8采用可控开关，或者采用半导体开关和充电二极管的并联组合，其中M≥j≥1，其余的正极连接单元8采用充电二极管。当储能换流阀段端部的子模块旁路后，其储能单元6不能被充电，通过可控开关，可以将其并联到相邻的子模块直流侧。进一步的，当正极连接单元8和/或负极连接单元10包括充电二极管时，充电二极管还串联限流电阻、限流电感、滤波器中的至少一种。
在一些实施例中，子模块包括级联的N个第一子模块和M个第二子模块，其中，N≥1，M≥0且N+M≥2。其中，当M＝N时：如图6所示，第一子模块1和第二子模块2交替间隔排布，或者，如图7所示，第一子模块1和第二子模块2一一对应，且对应的第一子模块1和第二子模块2集成于一个容器中；当M＜N时：优选的，将第二子模块2间隔布置于第一子模块1之间，且相邻的两个第一子模块1之间至多设置一个第二子模块2，或者，如图8所示，将第二子模块2与第一子模块1一一对应的集成于一个容器中，且优先选择不相邻的第一子模块1与之集成，也就是说，相邻的两个第一子模块1中，至多选择一个第一子模块1与第二子模块2集成。
在一些实施例中，该高压直挂储能换流器还包括阀控单元，子模块与阀控单元通信。
具体的，在一些实施例中，第一子模块1包括储能控制模块(Battery controlmodule，简称BCM)和功率控制模块(Sub-module controller，简称SMC)，储能控制模块和功率控制模块通信，通信的方式可以采用光和/或电的形式实现，通过两者之间的通信，实现通讯资源的共享，进而提升整体的通信冗余能力，或者，功率控制模块与储能控制模块集成在一起，形成一个模块，该模块既具备功率控制模块的所有功能，又具备储能控制模块的所有功能，从而不需要相互间的形式通信仍会产生实质的通信效果，也能实现互为通信冗余的效果。并且，第一子模块1通过储能控制模块和/或功率控制模块与阀控单元通信。在一些实施例中，第二子模块2包括功率控制模块，第二子模块2通过功率控制模块和阀控单元通信。
在一些实施例中，储能控制模块可从储能单元6的储能元件取能，并可控制储能单元6工作，功率控制模块则控制功率单元3工作。
其中，储能控制模块接收来自阀控单元和/或功率控制模块的控制指令。可以理解：在一些实施例中，储能控制模块可被配置成接收来自阀控单元的控制指令；在一些实施例中，储能控制模块可被配置成接受来自功率控制模块的控制指令；在一些实施例中，储能控制模块可被配置成接受来自功率控制模块和阀控单元的控制指令。
其中，第一子模块1的功率控制模块接收来自阀控单元和/或储能控制模块的控制指令。可以理解：在一些实施例中，功率控制模块接受来自阀控单元的控制指令；在一些实施例中，功率控制模块可被配置成接受来自储能控制模块的控制指令；在一些实施例中，功率控制模块可被配置成接受来自储能控制模块和阀控单元的控制指令。
其中，第二子模块2的功率控制模块接收来自阀控单元的控制指令。
在一些实施例中，阀控单元包括至少一个阀控制器(Valve base controller，简称VBC)，子模块与阀控制器通信，即阀控制器与第一子模块1的储能控制模块和功率控制模块、第二子模块2的功率控制模块通信。在一些实施例中，所述阀控单元包括两个阀控制器，分别为第一阀控制器VBC1和第二阀控制器VBC2，第一子模块1的功率控制模块与第一阀控制器VBC1通信，储能控制模块与第二阀控制器VBC2通信，第二子模块2的功率控制模块与第一阀控制器VBC1或者第二阀控制器VBC2通信。
在一些实施例中，在一些实施例中，阀控单元中的阀控制器均存在通信，具体的通信方式可采用光和/或电的通信方式实现，也就是说，在设置两个阀控制器的实施例中，第一阀控制器VBC1和第二阀控制器VBC2通信，从而能够进一步强化通信冗余效果。
在一些实施例中，阀控单元中的阀控制器可以集成于同一个装置，也可以采用不同的装置，具体而言，在一些实施例中，第一阀控制器和第二阀控制器为设置于同一个装置内的不同插件，或者在一些实施例中，第一阀控制器和第二阀控制器设置于不同的装置中。并且，第一阀控制器配置有能够在线切换的A和B双系统和/或第二阀控制器配置有能够在线切换的A和B双系统，从而进一步提升系统的可靠性。
在一些实施例中，子模块还包括至少一个取能电源，取能电源与直流电容5和/或储能单元6连接，取能电源为其所在的子模块或者相邻子模块的功率控制模块和/或储能控制模块供电。对于第一子模块1而言，取能电源可以与其直流电容5连接或者与其储能单元6连接或者与两者均连接，其自身或者相邻子模块的取能电源可以为其功率控制模块和/或其储能控制模块供电。对于第二子模块2而言，取能电源与其直流电容5连接，其自身或者相邻子模块的取能电源均可以为其功率控制模块供电。其中，各子模块中的取能电源通过隔离的方式为相邻子模块的功率控制模块和/或储能控制模块供电。
在一些实施例中，子模块与阀控单元通信的方式包括：点对点连接、环网连接、分组连接、双环网连接或它们的任意组合。如图9-图12所示，提供的高压直挂储能换流器中均包括第一子模块1和第二子模块2，且N＝5，M＝1，阀控单元均包括两个阀控制器。
请参阅图9，点对点连接是：各子模块的储能控制模块和/或功率控制模块与阀控单元连接。具体的，第一子模块1通过其储能控制模块和/或功率控制模块与阀控单元连接，第二子模块2通过其功率控制模块与阀控单元连接。
请参阅图10，环网连接是：相邻的子模块的储能控制模块和/或功率控制模块相互级联后，位于首尾两端的子模块的储能控制模块和/或功率控制模块与阀控单元连接。具体的，第一子模块1通过其储能控制模块和/或功率控制模块与相邻子模块的储能控制模块和/或功率控制模块连接，第二子模块2通过其功率控制模块与相邻子模块的储能控制模块和/或功率控制模块连接，连接成串后，位于端部的子模块通过其储能控制模块和/或功率控制模块与阀控单元连接。
请参阅图11，分组连接是：将储能换流阀段中所有的子模块分组，在每一组中，相邻的子模块的储能控制模块和/或功率控制模块相互级联后，位于首尾两端的子模块的储能控制模块和/或功率控制模块与阀控单元连接。图11中，将六个子模块分成两组，每一组中第一子模块1通过其储能控制模块和/或功率控制模块与相邻子模块的储能控制模块和/或功率控制模块连接，第二子模块2通过其功率控制模块与相邻子模块的储能控制模块和/或功率控制模块连接，连接成串后，位于端部的子模块通过其储能控制模块和/或功率控制模块与阀控单元连接。
请参阅图12，双环网连接是：相邻的子模块的功率控制模块相互级联后，位于首尾的子模块的功率控制模块与阀控单元连接，形成第一环网；相邻的第一子模块的储能控制模块相互级联后，首尾的第一子模块的储能控制模块与阀控单元连接，形成第二环网。
可以理解的是，本领域技术人员可根据每个高压直挂储能换流器的实际需要，在上述连接方式中进行合理的选择。
相应的，本申请实施例还提供了一种高压直挂储能换流器的控制方法，包括储能单元快速均衡模式和旁路子模块处理模式，其中，储能单元快速均衡模式包括：依靠对正极连接单元8和/或负极连接单元10以及功率单元3中功率半导体器件开通关断的控制，实现储能单元6的荷电状态(State of Charge，简称SOC)均衡；旁路子模块处理模式包括：依靠与旁路子模块连接的正极连接单元8和/或负极连接单元10为旁路子模块的储能单元6充电，实现储能单元6共享，并维持高压直挂储能换流器通信的连续，其中，旁路子模块为旁路开关闭4合的子模块。
在一些实施例中，当检测到第一子模块1的旁路开关4闭合时：如果该第一子模块1的相邻子模块为第二子模块2，选择第一子模块1和相邻的第二子模块2之间的正极连接单元8和/或负极连接单元10的可控开关合闸，将第一子模块1的储能单元6切换到相邻的第二子模块2的直流电容5并联；如果第一子模块1的相邻子模块全为第一子模块1，无第二子模块2，选择储能换流阀段中部的正极连接单元8和/或所述负极连接单元10的可控开关合闸；
当检测到第二子模块2的旁路开关4闭合时，选择与该第二子模块2连接的正极连接单元8和/或负极连接单元10的可控开关合闸。
如图13所示，相应的，本申请实施例还提供一种高压直挂储能换流器的参数设计方法，包括以下步骤：
确定储能需求总容量C；
根据高压直挂储能换流器的接入点电压和功率半导体器件耐压水平，确定第一子模块最少个数Nmin；
配置Nmin个储能单元的计算容量Ci，使Nmin×Ci≥C；或者，根据储能单元的实际容量C′i和Nmin×C′i≥C，重新计算Nmin；其中，Ci为根据Nmin和C得到的每个储能单元的计算容量，C′i为每个储能单元的实际容量；
选择N＝(1+k1)×Nmin，k1为储能单元容量冗余系数；
选择M＝k2×N，k2为子模块个数冗余系数；
其中，N为第一子模块的个数，M为第二子模块的个数。
以上对本申请实施例所提供的一种高压直挂储能换流器及其控制方法和参数设计方法进行了详细介绍，其中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的技术方案及其核心思想；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申请各实施例的技术方案的范围。

Claims (21)

1.一种高压直挂储能换流器，其特征在于，包括储能换流阀段，所述储能换流阀段包括至少两个子模块和正极连接单元；
其中，所述至少两个子模块包括：一个第一子模块和一个第二子模块，或者至少两个所述第一子模块和M个所述第二子模块，M为自然数；
所述第一子模块和所述第二子模块均包括功率单元、直流电容和旁路开关，所述功率单元包括交流侧和直流侧，所述直流电容并联在所述直流侧，所述旁路开关并联在所述交流侧；
所述第一子模块还包括储能单元和第一直流开关单元，所述储能单元通过所述第一直流开关单元并联所述直流电容；
所述正极连接单元连接在相邻的所述子模块的正极点之间；所述第一子模块的所述正极点自其储能单元的正极引出，所述第二子模块的所述正极点自其直流电容的正极引出。
2.根据权利要求1所述的高压直挂储能换流器，其特征在于，所述功率单元包括功率半导体器件构成的全桥电路和/或半桥电路。
3.根据权利要求1所述的高压直挂储能换流器，其特征在于，所述储能换流阀段包括负极连接单元；
所述负极连接单元连接在相邻的所述子模块的负极点之间；所述第一子模块的所述负极点自其储能单元的负极引出，所述第二子模块的所述负极点自其直流电容的负极引出。
4.根据权利要求3所述的高压直挂储能换流器，其特征在于，所述第二子模块包括第二直流开关单元；
所述第二直流开关单元连接在所述直流电容与所述正极点之间，和/或，所述第二直流开关单元连接在所述直流电容与所述负极点之间。
5.根据权利要求4所述的高压直挂储能换流器，其特征在于，所述第一直流开关单元和/或所述第二直流开关单元包括：正极开关和/或负极开关。
6.根据权利要求5所述的高压直挂储能换流器，其特征在于，所述正极开关和所述负极开关被配置为独立工作，或者，所述负极开关被配置为闭合状态。
7.根据权利要求1所述的高压直挂储能换流器，其特征在于，所述储能单元包括电池、超级电容、飞轮储能、气体压缩储能中的至少一种。
8.根据权利要求3所述的高压直挂储能换流器，其特征在于，所述正极连接单元和/或所述负极连接单元包括：可控开关、半导体开关、充电二极管中的任意一种或它们的任意串联组合或并联组合。
9.根据权利要求8所述的高压直挂储能换流器，其特征在于，当所述储能换流阀段未设置所述负极连接单元时，在所有的所述正极连接单元中：
选择所述储能换流阀段端部的j个所述正极连接单元采用可控开关，或者采用半导体开关和充电二极管的并联组合，其中M≥j≥1；
其余的所述正极连接单元采用充电二极管。
10.根据权利要求8所述的高压直挂储能换流器，其特征在于，所述充电二极管串联限流电阻、限流电感、滤波器中的至少一种。
11.根据权利要求1所述的高压直挂储能换流器，其特征在于，所述子模块包括级联的N个所述第一子模块和M个所述第二子模块，其中，N≥1且N+M≥2；
当M＝N时：所述第一子模块和所述第二子模块交替间隔排布，或者，
所述第一子模块和所述第二子模块一一对应，且对应的所述第一子模块和所述第二子模块集成于一个容器中；
当M＜N时：所述第二子模块设置于所述第一子模块之间，且相邻的两个所述第一子模块之间至多设置一个所述第二子模块，或者，
所述第二子模块与所述第一子模块一一对应的集成于一个容器中，且相邻的两个所述第一子模块中，至多有一个所述第一子模块与所述第二子模块集成于一个容器中。
12.根据权利要求1所述的高压直挂储能换流器，其特征在于，还包括阀控单元，所述子模块与所述阀控单元通信。
13.根据权利要求12所述的高压直挂储能换流器，其特征在于，所述第一子模块包括储能控制模块和功率控制模块，所述储能控制模块和所述功率控制模块通信，所述储能控制模块和/或所述功率控制模块与所述阀控单元通信；
所述第二子模块包括功率控制模块，所述功率控制模块和所述阀控单元通信。
14.根据权利要求13所述的高压直挂储能换流器，其特征在于，所述阀控单元包括至少一个阀控制器，所述子模块与所述阀控制器通信。
15.根据权利要求14所述的高压直挂储能换流器，其特征在于，所述阀控单元包括两个所述阀控制器，分别为第一阀控制器和第二阀控制器，所述功率控制模块与所述第一阀控制器通信，所述储能控制模块与所述第二阀控制器通信。
16.根据权利要求15所述的高压直挂储能换流器，其特征在于，所述第一阀控制器和所述第二阀控制器通信；和/或
所述第一阀控制器和所述第二阀控制器为设置于同一个装置内的不同插件，或者所述第一阀控制器和所述第二阀控制器设置于不同的装置中；和/或
所述第一阀控制器配置在线切换的双系统；和/或
所述第二阀控制器配置在线切换的双系统。
17.根据权利要求13所述的高压直挂储能换流器，其特征在于，所述子模块还包括至少一个取能电源；
所述取能电源与所述直流电容和/或所述储能单元连接；
所述取能电源为其所在的子模块或者相邻的子模块的所述功率控制模块和/或所述储能控制模块供电。
18.根据权利要求13所述的高压直挂储能换流器，其特征在于，所述子模块与所述阀控单元通信的方式包括：点对点连接、环网连接、分组连接、双环网连接或它们的任意组合；
所述点对点连接是：各所述子模块的所述储能控制模块和/或所述功率控制模块与所述阀控单元连接；
所述环网连接是：相邻的所述子模块的所述储能控制模块和/或所述功率控制模块相互级联后，位于首尾两端的所述子模块的所述储能控制模块和/或所述功率控制模块与所述阀控单元连接；
所述分组连接是：将所述储能换流阀段中所有的所述子模块分组，在每一组中，相邻的所述子模块的所述储能控制模块和/或所述功率控制模块相互级联后，位于首尾两端的所述子模块的所述储能控制模块和/或所述功率控制模块与所述阀控单元连接；
所述双环网连接是：相邻的所述子模块的所述功率控制模块相互级联后，位于首尾的所述子模块的所述功率控制模块与所述阀控单元连接，形成第一环网；相邻的所述第一子模块的所述储能控制模块相互级联后，首尾的所述第一子模块的所述储能控制模块与所述阀控单元连接，形成第二环网。
19.一种权利要求1-18所述的高压直挂储能换流器的控制方法，其特征在于，包括储能单元快速均衡模式和旁路子模块处理模式，其中，
所述储能单元快速均衡模式包括：依靠对正极连接单元和/或负极连接单元以及功率单元中功率半导体器件开通关断的控制，实现储能单元的荷电状态均衡；
所述旁路子模块处理模式包括：依靠与旁路子模块连接的正极连接单元和/或负极连接单元为旁路子模块的储能单元充电，实现储能单元共享，并维持高压直挂储能换流器通信的连续，其中，旁路子模块为旁路开关闭合的所述子模块。
20.一种根据权利要求19所述的高压直挂储能换流器的控制方法，其特征在于，当检测到所述第一子模块的所述旁路开关闭合时：如果所述第一子模块的相邻子模块为第二子模块，选择所述第一子模块和相邻的所述第二子模块之间的所述正极连接单元和/或所述负极连接单元的可控开关合闸，将所述第一子模块的所述储能单元切换到相邻的所述第二子模块的所述直流电容并联；如果所述第一子模块的相邻子模块中无所述第二子模块，选择所述储能换流阀段中部的所述正极连接单元和/或所述负极连接单元的可控开关合闸；
当检测到所述第二子模块的所述旁路开关闭合时，选择与所述第二子模块连接的所述正极连接单元和/或所述负极连接单元的可控开关合闸。
21.一种权利要求1-18所述的高压直挂储能换流器的参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定储能需求总容量C；
根据高压直挂储能换流器的接入点电压和功率半导体器件耐压水平，确定所述第一子模块最少个数Nmin；
配置Nmin个所述储能单元的计算容量Ci，使Nmin×Ci≥C；或者，根据所述储能单元的实际容量C′i和Nmin×C′i≥C，重新计算Nmin；其中，Ci为根据Nmin和C得到的每个所述储能单元的计算容量，C′i为每个所述储能单元的实际容量；
选择N＝(1+k1)×Nmin，k1为所述储能单元容量冗余系数；
选择M＝k2×N，k2为所述子模块个数冗余系数；
其中，N为所述第一子模块的个数，M为所述第二子模块的个数。
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