CN115036907A - 一种电池储能中压直流并网系统及方法 - Google Patents

一种电池储能中压直流并网系统及方法 Download PDF

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Abstract

本公开提出一种电池储能中压直流并网系统及方法，系统包括：中压直流电网；中压多电平全桥逆变器，中压多电平全桥逆变器的直流输入端口与中压直流电网相连；多个变压器支路，变压器支路的交流输入端与中压多电平全桥逆变器的交流输出端口相连，多个变压器支路并联且多个变压器支路共用中压多电平全桥逆变器；变压器支路包括中高频变压器和多个电池支路，每个变压器支路采用多个电池支路并联。本公开通过采用多个变压器支路并联且多个变压器支路共用一个中压多电平全桥逆变器，每个变压器支路又采用多个电池支路并联，解决大容量的中高频变压器难度较大的问题，降低系统成本，并且解决电池组容量较小的问题、避免电池组的直接并联，同时共用一个中压多电平全桥逆变器也能够降低系统成本。

Description

一种电池储能中压直流并网系统及方法
技术领域
本公开涉及电池储能并网系统技术领域，尤其涉及一种电池储能中压直流并网系统及方法。
背景技术
电池储能系统主要由电池和电网接入系统组成，电网接入系统主要实现电池与电网之间能量双向流动。受目前电池技术的限制，储能电池具有单体电压低、功率小等特点，因此随着储能系统规模的扩大，传统集中式电池储能系统需要大量的电池组串并联，安全性差、效率低，已经无法满足储能系统的发展要求。在这个背景下，分布式、模块化的储能系统结构成为未来的发展趋势。
另一方面，直流输配电具有效率高、稳定性强等优点，将风电、光伏、以及储能等直接接入中压直流电网可以提高系统效率和稳定性，随着分布式发电和储能的大规模应用，基于中压直流的配电网或微电网的优势日益突出。这其中的一个重要问题是如何将大规模分布式电池储能接入中压直流电网。目前通常的技术方案是采用多个隔离型双向DC/DC电路直流输出串联的方式接入中压直流电网，其中隔离型DC/DC变换器一般采用双有源全桥(Dual Active Bridge,DAB)电路。其缺点一是难以独立控制所有电池单元的充放电，故障容错困难。比如当一个电池组退出运行后，其余所有单元的输出电压都必须升高；二是系统扩展困难，当需要扩大系统容量增加电池组时，需要对整个系统的软硬件架构进行重新设计，无法实现即插即用式的扩容。
发明内容
本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
本公开第一方面，提出一种电池储能中压直流并网系统，系统包括：
中压直流电网；
中压多电平全桥逆变器，所述中压多电平全桥逆变器的直流输入端口与所述中压直流电网相连；
多个变压器支路，所述变压器支路的交流输入端与所述中压多电平全桥逆变器的交流输出端口相连，所述多个变压器支路并联且所述多个变压器支路共用所述中压多电平全桥逆变器；
所述变压器支路包括中高频变压器和多个电池支路，每个所述变压器支路采用所述多个电池支路并联。
可选的，所述中压多电平全桥逆变器采用模块化多电平变换器MMC，包括：
两相电路，每相电路由一个上桥臂和一个下桥臂构成，所述两相电路的所述上桥臂上端与所述中压直流电网正极相连接，所述两相电路的所述下桥臂下端与所述中压直流电网负极相连接，所述每相上桥臂的下端与下桥臂的上端相连形成MMC全桥逆变器交流输出端；
所述上桥臂包括多个子模块与桥臂电抗器，其中所述多个子模块交流输出端依次串联后再与第一桥臂电抗器串联；
所述下桥臂包括多个子模块与桥臂电抗器，其中所述桥臂电抗器与所述多个子模块交流输出端依次串联。
可选的，所述子模块，包括以下至少一项：
半桥电路；
全桥电路；
半桥电路与全桥电路的混合电路。
可选的，所述中压多电平全桥逆变器采用中点箝位型五电平变换器，包括：
直流母线电容，直流母线电容由四个完全相同的电容依次串联而成，第一电容的正极与中压直流电网的正极相连，第一电容的负极与第二电容的正极相连形成直流母线的第一中性点，第二电容的负极与第三电容的正极相连形成直流母线的第二中性点，第三电容的负极与第四电容的正极相连形成直流母线的第三中性点，第四电容的负极与中压直流电网的负极相连；
两相电路，每相电路包括8只开关器件和6只二极管，8只开关器件依次串联，第一开关器件的集电极与直流母线电容的正极相连，第一开关器件的发射极与第二开关器件的集电极相连，第二开关器件的发射极与第三开关器件的集电极相连，以此类推，第七开关器件的发射极与第八开关器件的集电极相连，第八开关器件的发射极与直流母线电容的负极相连，其中第四开关器件的发射极与第五开关器件的集电极相连后作为该相电路的交流输出端。可选的，所述中高频变压器为双绕组变压器，原边作为所述变压器支路的交流输入端与所述中压多电平全桥逆变器的交流输出端口相连，所述中高频变压器的副边与所述电池支路的交流输入端并联。
可选的，所述中高频变压器为多绕组中高频变压器，所述中高频变压器的原边作为所述变压器支路的交流输入端与所述中压多电平全桥逆变器的交流输出端口相连，所述中高频变压器的每一个副边都分别与所述电池支路的交流输入端并联。
可选的，所述电池支路包括至少一个全桥电路、电感和电池组，其中所述电池组与所述全桥电路的直流母线并联，所述全桥电路的交流端与所述电感串联后作为所述电池支路的交流输入端与所述中高频变压器的副边相连。
本公开第二方面，提出一种电池储能中压直流并网方法，包括：
获取中压直流电压；
通过中压多电平全桥逆变器将所述中压直流电压转换为预设频率的中压交流高频准方波电压；
获取所述中压交流高频准方波电压的相位和频率，在每个电池支路生成与所述中压交流高频准方波电压相同频率的方波电压。
通过闭环控制调整每个电池支路输出电压与中压交流高频准方波电压之间的相位差来控制电池的充放电功率。
本公开的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：
通过增加中压多电平全桥逆变器，独立灵活的控制电池组充放电功率，避免了大量电池组的直接并联，增强了系统的故障容错能力与扩容性，降低了控制系统的复杂度。
附图说明
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例提供的一种电池储能中压直流并网系统的整体结构示意图；
图2为本公开实施例提供的变压器支路的示意图；
图3为本公开实施例提供的MMC全桥逆变器示意图；
图4为本公开实施例提供的MMC半桥子模块示意图；
图5为本公开实施例提供的MMC全桥子模块示意图；
图6为本公开实施例提供的基于中点箝位多电平的全桥逆变器示意图；
图7为本公开实施例提供的多绕组变压器结构的示意图；
图8为本公开实施例提供的电池支路示意图；
图9为本公开实施例提供的三相结构的示意图；
图10为本公开实施例提供的一种电池储能中压直流并网方法的流程图；
图11为本公开实施例提供的电池储能中压直流并网系统控制方法的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本公开的实施例，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，旨在用于解释本公开，而不能理解为对本公开的限制。
下面参考附图描述本公开实施例的一种电池储能中压直流并网系统及方法。
图1为本公开实施例提供的一种电池储能中压直流并网系统的整体结构示意图。
中压直流电网；
中压多电平全桥逆变器，中压多电平全桥逆变器的直流输入端口与中压直流电网相连；
多个变压器支路，变压器支路的交流输入端与中压多电平全桥逆变器的交流输出端口相连，多个变压器支路并联且多个变压器支路共用中压多电平全桥逆变器；
变压器支路包括中高频变压器和多个电池支路，每个变压器支路采用多个电池支路并联。
其中变压器支路示意图如图2所示。
可选的，中高频变压器的原边作为变压器支路的交流输入端与中压多电平全桥逆变器的交流输出端口X1和X2相连，中高频变压器的副边与电池支路的交流输入端X3与X4并联。
本公开实施例中，采用多个变压器支路并联且多个变压器支路共用一个中压多电平全桥逆变器，每个变压器支路又采用多个电池支路并联，解决大容量的中高频变压器难度较大的问题，充分发挥中压多电平全桥逆变器容量大的优势，降低系统成本，并且解决电池组容量较小的问题、避免电池组的直接并联，同时共用一个中高频变压器也能够降低系统成本。
图3是本公开实施例提供的中压多电平全桥逆变器采用MMC全桥逆变器的示意图。
如图3所示，MMC全桥逆变器，包括：
一个两相电路，每相电路由一个上桥臂和一个下桥臂构成，两相电路的上桥臂上端与中压直流电网正极相连接，两相电路的下桥臂下端与中压直流电网负极相连接，每相上桥臂的下端与下桥臂的上端相连形成MMC全桥逆变器交流输出端X1和X2；
上桥臂包括多个子模块与桥臂电抗器，其中多个子模块交流输出端依次串联后再与桥臂电抗器串联；
下桥臂包括多个子模块与桥臂电抗器，其中桥臂电抗器与多个子模块交流输出端依次串联。
可选的，子模块，包括以下至少一项：
半桥电路；
全桥电路；
半桥电路与全桥电路的混合电路。
子模块可采用如图4所示半桥电路或图5所示全桥电路或混合使用半桥和全桥电路。
其中，中压多电平全桥逆变器也可以采用如图6所示的中点箝位型五电平变换器，包括：
直流母线电容，直流母线电容由四个完全相同的电容依次串联而成，第一电容的正极与中压直流电网的正极相连，第一电容的负极与第二电容的正极相连形成直流母线的第一中性点，第二电容的负极与第三电容的正极相连形成直流母线的第二中性点，第三电容的负极与第四电容的正极相连形成直流母线的第三中性点，第四电容的负极与中压直流电网的负极相连；
两相电路，每相电路包括8只开关器件和6只二极管，8只开关器件依次串联，第一开关器件的集电极与直流母线电容的正极相连，第一开关器件的发射极与第二开关器件的集电极相连，第二开关器件的发射极与第三开关器件的集电极相连，以此类推，第七开关器件的发射极与第八开关器件的集电极相连，第八开关器件的发射极与直流母线电容的负极相连，其中第四开关器件的发射极与第五开关器件的集电极相连后作为该相电路的交流输出端X1和X2。
本公开实施例中，第一二极管的阴极与第一开关器件的发射极相连，第二二极管的阳极与第五开关器件的发射极相连，第一二极管的阳极与第二二极管的阴极相连后与直流母线的第一中性点相连；第三二极管的阴极与第二开关器件的发射极相连，第四二极管的阳极与第六开关器件的发射极相连，第三二极管的阳极与第四二极管的阴极连接后与直流母线的第二中性点相连；第五二极管的阴极与第三开关器件的发射极相连，第六二极管的阳极与第七开关器件的发射极相连，第五二极管的阳极与第六二极管的阴极连接后与直流母线的第三中性点相连。
本公开实施例中，通过共用中压多电平全桥逆变器就可以独立控制电池支路，不需要统一的上层控制系统，降低了控制系统的复杂度。
图7为本公开实施例提供的多绕组变压器结构的示意图。
如图7所示，中高频变压器为多绕组中高频变压器，包括一个原边绕组和多个副边绕组，中高频变压器的原边作为变压器支路的交流输入端与中压多电平全桥逆变器的交流输出端口X1和X2相连，中高频变压器的每一个副边分别与电池支路的交流输入端X3和X4并联。
本公开实施例中，改变中高频变压器的结构，使得每个变压器支路内部的电池支路都相互隔离。
图8是本公开实施例提供的电池支路示意图。
如图8所示，电池支路包括至少一个全桥电路、电感和电池组，其中电池组与全桥电路的直流母线并联，全桥电路的交流端与电感串联后作为电池支路的交流输入端X3与X4与中高频变压器的副边相连。
图9是本公开实施例提供的三相结构的示意图。
如图9所示，若将图1所示结构中的MMC全桥逆变器改为MMC三相逆变器、中高频变压器改为三相中高频变压器、电池支路的全桥变换器改为三相变换器即可。
图10是本公开实施例提供的一种电池储能中压直流并网方法的流程图，包括以下步骤：
步骤101，获取中压直流电压；
步骤102，通过中压多电平全桥逆变器将中压直流电压转换为预设频率的中压交流高频准方波电压；
步骤103，获取中压交流高频准方波电压的相位和频率，在每个电池支路生成与中压交流高频准方波电压相同频率的方波电压。
步骤104，通过闭环控制调整每个电池支路输出电压与中压交流高频准方波电压之间的相位差来控制电池的充放电功率。
本公开实施例中，中压多电平全桥逆变器开环工作在准两电平工作模式，发出固定频率、固定占空比的准方波信号，如图11所示，其作用是将中压直流电网电压逆变成固定频率的中压交流高频准方波电压。所有n个电池支路的全桥电路检测中压多电平全桥逆变器的输出电压相位和频率，并输出与之同频率的方波电压，与传统并网逆变器不同，此处检测中压多电平全桥逆变器输出的准方波电压不需要高精度的电压传感器并实时采样电压信号，而只是将其当做一个方波数字信号，通过电压比较器获取准方波电压的相位和频率即可，成本低、容易实现。每个电池支路通过闭环控制调整全桥电路的输出电压与中压多电平全桥逆变器的输出电压之间的相位差θk来控制该支路电池的充放电功率，k是电池支路编号，k＝1,2,…n。
本公开实施例中，可以使得中压多电平全桥逆变器以及所有的电池支路都可以独立控制，不需要统一的上层控制系统，降低了控制系统的复杂度。
以上实施例仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的专利范围。凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或变换，或直接、间接运用在其它相关的技术领域，均同理应包括在本发明的专利应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种电池储能中压直流并网系统，系统包括：
中压直流电网；
中压多电平全桥逆变器，所述中压多电平全桥逆变器的直流输入端口与所述中压直流电网相连；
多个变压器支路，所述变压器支路的交流输入端与所述中压多电平全桥逆变器的交流输出端口相连，多个变压器支路并联且所述多个变压器支路共用所述中压多电平全桥逆变器；
所述变压器支路包括中高频变压器和多个电池支路，每个所述变压器支路采用所述多个电池支路并联。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中压多电平全桥逆变器采用模块化多电平变换器MMC，包括：
两相电路，每相电路由一个上桥臂和一个下桥臂构成，所述两相电路的所述上桥臂上端与所述中压直流电网正极相连接，所述两相电路的所述下桥臂下端与所述中压直流电网负极相连接，所述每相上桥臂的下端与下桥臂的上端相连形成MMC全桥逆变器交流输出端；
所述上桥臂包括多个子模块与桥臂电抗器，其中所述多个子模块交流输出端依次串联后再与桥臂电抗器串联；
所述下桥臂包括多个子模块与桥臂电抗器，其中所述桥臂电抗器与所述多个子模块交流输出端依次串联。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述子模块，包括以下至少一项：
半桥电路；
全桥电路；
半桥电路与全桥电路的混合电路。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中压多电平全桥逆变器采用中点箝位型五电平变换器，包括：
直流母线电容，直流母线电容由四个完全相同的电容依次串联而成，第一电容的正极与中压直流电网的正极相连，第一电容的负极与第二电容的正极相连形成直流母线的第一中性点，第二电容的负极与第三电容的正极相连形成直流母线的第二中性点，第三电容的负极与第四电容的正极相连形成直流母线的第三中性点，第四电容的负极与中压直流电网的负极相连；
两相电路，每相电路包括8只开关器件和6只二极管，8只开关器件依次串联，第一开关器件的集电极与直流母线电容的正极相连，第一开关器件的发射极与第二开关器件的集电极相连，第二开关器件的发射极与第三开关器件的集电极相连，以此类推，第七开关器件的发射极与第八开关器件的集电极相连，第八开关器件的发射极与直流母线电容的负极相连，其中第四开关器件的发射极与第五开关器件的集电极相连后作为该相电路的交流输出端。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中高频变压器为双绕组变压器，原边作为所述变压器支路的交流输入端与所述中压多电平全桥逆变器的交流输出端口相连，所述中高频变压器的副边与所述电池支路的交流输入端并联。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中高频变压器为多绕组中高频变压器，所述中高频变压器的原边作为所述变压器支路的交流输入端与所述中压多电平全桥逆变器的交流输出端口相连，所述中高频变压器的每一个副边分别与所述电池支路的交流输入端并联。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电池支路包括至少一个全桥电路、电感和电池组，其中所述电池组与所述全桥电路的直流母线并联，所述全桥电路的交流端与所述电感串联后作为所述电池支路的交流输入端与所述中高频变压器的副边相连。
8.一种电池储能中压直流并网方法，其特征在于：
获取中压直流电压；
通过中压多电平全桥逆变器将所述中压直流电压转换为预设频率的中压交流高频准方波电压；获取所述中压交流高频准方波电压的相位和频率，在每个电池支路生成与所述中压交流高频准方波电压相同频率的方波电压；
通过闭环控制调整每个电池支路输出电压与中压交流高频准方波电压之间的相位差来控制电池的充放电功率。
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