CN115065270B - 一种储能变流器及储能系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种储能变流器及储能系统，储能变流器包括：箝位三电平电路和吸收电路；箝位三电平电路将交流电转换为直流电为电池充电，或将电池的直流电转换为交流电；吸收电路连接在箝位三电平电路的输出端，吸收箝位三电平电路输出的直流电中的交流量；箝位三电平电路包括并联的两个桥臂，每个桥臂包括至少四个开关模组；至少两个母线电容，两个母线电容串联后与两个桥臂并联；吸收电路包括桥臂电路和滤波电路；桥臂电路包括依次串联的四个开关模组；滤波电路连接桥臂电路；滤波电路至少包括电感和电容。通过对桥臂电路中的开关模组的状态控制，实现对电感电流的控制，吸收脉动电流，降低或消除进入电池的脉动电流。

Description

一种储能变流器及储能系统
技术领域
本申请涉及新能源技术领域，具体涉及一种储能变流器及储能系统。
背景技术
目前，随着储能电池的不断发展，越来越多的场合使用储能，以配合电网为负载供电。目前电池的容量不断上升，直流侧的电压越来越高，电网电压为交流电，需要储能变流器转换为直流电为电池充电，但是为电池充电的直流电中会携带交流量，交流量会导致电池反复地充放电，长期下去会影响电池的寿命，使电池损坏。
发明内容
为解决上述问题，本申请提供一种储能变流器及储能系统，能够吸收为电池充电的交流量，保护电池的安全。
本申请提供一种储能变流器，包括：箝位三电平电路和吸收电路；
箝位三电平电路，用于将交流电转换为直流电为电池充电，或用于将电池的直流电转换为交流电；
吸收电路连接在箝位三电平电路的输出端，用于吸收箝位三电平电路输出的直流电中的交流量；
箝位三电平电路包括并联的两个桥臂，每个桥臂包括串联的至少四个开关模组；还包括至少两个母线电容，两个母线电容串联后与两个桥臂并联；两个母线电容的公共点为母线中点；
吸收电路包括桥臂电路和滤波电路；
桥臂电路包括依次串联的四个开关模组；滤波电路连接桥臂电路；滤波电路至少包括电感和电容。
优选地，桥臂电路包括依次串联的以下至少四个开关模组：第一开关模组、第二开关模组、第三开关模组和第四开关模组；
第一开关模组的第一端连接箝位三电平电路的正输出端，第一开关模组的第二端连接第二开关模组的第一端，第二开关模组的第二端连接第三开关模组的第一端，第三开关模组的第二端连接第四开关模组的第一端；
滤波电路包括：第一电感、第二电感和第一滤波电容；
第一电感的第一端连接第一开关模组的第二端，第一电感的第二端通过第一滤波电容连接第二电感的第一端，第二电感的第二端连接第三开关模组的第二端。
优选地，电池连接在第一开关模组的第一端和第四开关模组的第二端之间。
优选地，第一电感的感值和第二电感的感值相同。
优选地，第二开关模组的第二端连接母线中点。
优选地，桥臂电路包括依次串联的以下至少四个开关模组：第一开关模组、第二开关模组、第三开关模组和第四开关模组；滤波电路包括：第三电感、第四电感、第二滤波电容和第三滤波电容；
第一开关模组的第一端连接第二滤波电容的第一端，第一开关模组的第二端连接第二开关模组的第一端，第二开关模组的第二端连接第三开关模组的第一端和第三滤波电容的第一端，第三开关模组的第二端连接第四开关模组的第一端；第四开关模组的第二端连接第三滤波电容的第二端；第二滤波电容的第二端连接第三滤波电容的第一端；
第三电感的两端分别连接箝位三电平电路的正输出端和第一开关模组的第二端，第四电感的两端分别连接箝位三电平电路的负输出端和第三开关模组的第二端。
优选地，电池连接在箝位三电平电路的正输出端和负输出端之间。
优选地，第三电感的感值和第四电感的感值相同，第二滤波电容的容值和第三滤波电容的容值相同。
优选地，箝位三电平电路还包括：第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；
箝位三电平电路的两个桥臂包括第一桥臂和第二桥臂；第一桥臂包括依次串联的四个开关模组，第二桥臂包括串联的四个开关模组；
第一二极管的阳极和阴极分别连接母线中点和第一桥臂的上半桥臂中点，第二二极管的阳极和阴极分别连接第一桥臂的下半桥臂中点和母线中点；第三二极管的阳极和阴极分别连接母线中点和第二桥臂的上半桥臂中点，第四二极管的阳极和阴极分别连接第二桥臂的下半桥臂中点和母线中点。
本申请还提供一种储能系统，储能系统为单相系统或三相系统，每相包括N个以上介绍的储能变流器；每相包括N个电池，N个储能变流器和N个电池一一对应；N为大于等于2的整数；N个储能变流器为双向储能变流器；
多个储能变流器的交流输入端依次串联在一起，每个储能变流器的输出端连接对应的电池。
优选地，还包括：控制器；
控制器，用于控制储能变流器工作为电池充电，或将电池输出的电能转换为交流电输出。
由此可见，本申请具有如下有益效果：
本申请为了配合箝位三电平电路，本申请实施例提供的吸收电路也包括四个串联的开关模组，每个开关模组至少包括一个开关管，应该理解，本申请实施例中的开关管为全控开关管，既可以控制其导通又可以控制其关断。本申请提供的储能变换器通过对桥臂电路中的开关模组的状态进行控制，可以实现对电感电流的控制，从而使电感和电容吸收二次脉动电流，即交流量。迫使二次脉动电流流过电感，降低或消除进入电池的脉动电流。本申请实施例提供的吸收电路为有源吸收电路，通过对于开关模组的控制，可以使滤波电路更好地吸收交流量，从而避免交流量进入电池，使电池频繁地充放电，长时间损坏电池。由于本申请实施例采用有源吸收电路，采用电力电子器件和滤波电路来吸收二次脉动电流，可以有效减轻重量，并减小体积。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种三相储能系统的示意图；
图2为图1中U相所示的储能系统的示意图；
图3为本申请实施例提供的一种储能变流器的示意图；
图4为本申请实施例提供的另一种储能变流器的示意图；
图5为本申请实施例提供的又一种储能变流器的示意图；
图6为本申请实施例提供的再一种储能变流器的示意图；
图7为本申请实施例提供的一种储能系统的示意图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请实施例作进一步详细的说明。
在高压级联全桥(CHB，Cascaded H-bridge)储能技术中，直流侧电池的电压运行范围在1100V到1500V，如果采用传统的无源滤波方式，针对二次脉动，直流侧的脉动频率为100Hz，频率很低，为了获得很好的滤波效果，则需要设计很大的LC滤波电感。例如，在480kW的CHB模块中，直流侧的母线电压为1000V，则直流侧的100Hz脉动电流幅值为240A。为阻挡二次脉动频率，则需要将滤波频率设置为30Hz，则需要的10mF的1200V电容和直流工作点在240A时3mH的电感。1200V的10mF电容和240A静态工作点3mH的电感十分笨重和巨大，给整个系统设计带来很大的负担。
采用无源滤波，系统的体积和重量会大幅增加。因此，采取有源滤波，即有源功率解耦的办法，将系统的二次脉动吸收到电容中。但是，针对1500V，在直流侧电压为1500V电池的情况下，需要3300V耐压的IGBT才能可靠运行。但是，3300V耐压的IGBT开关频率很低，损耗很大，不能有效提升系统的响应速度。
因此，为了解决体积较大，损耗较大的技术问题，本申请实施例提供一种储能变流器，可以在电池侧的电压为1500V的等级，电池充电时，有效吸收二次脉动，即有效滤除交流量，保护电池充电时的安全。
为了使本领域技术人员更好地理解本申请实施例提供的储能变流器，下面先结合图1和图2介绍储能变流器的应用场景。
参见图1，该图为本申请实施例提供的一种三相储能系统的示意图。参见图2，该图为图1中U相所示的储能系统的示意图。
以三相为例，分别为U、V和W三相，每相包括串联在一起的多个双向储能变流器，例如U相包括的储能变流器为Ma1、Ma2直至MaN，V相包括的储能变流器为Mb1、Mb2直至MaN，W相包括的储能变流器为Mc1、Mc2直至McN。
每个储能变流器的结构相同，内部包括开关管形成的桥臂，图中仅是示意性了四个开关管，应该理解，实际比四个开关管多。每个储能变流器的输出端连接对应的电池BAT。每个储能变流器的正输入端A和负输入端B，应该理解，对于双向储能变流器，其输入端也可以作为输出端，即可以实现电能的双向变换，可以从交流整流为直流为电池充电，也可以将电池的直流逆变为交流进行输出。
例如，对于交流10kV系统来说，U、V和W三相连接三相交流，例如可以直接连接发电厂输出的三相交流电，当晚上负载较少时，储能变流器可以将发电厂输出的交流电为电池充电，当白天负载较多，用电量较大时，可以将电池的电能转换后为负载供电，实现削峰填谷。
电池BAT的电压可以达到1500V，电压较高，因此，本申请实施例提供的储能变流器采用箝位三电平拓扑，可以降低开关管的耐压，选择耐压较低的开关管便可以满足要求，成本较低。下面结合附图介绍本申请实施例提供的储能变流器。
参见图3，该图为本申请实施例提供的一种储能变流器的示意图。
本申请实施例提供的储能变流器，包括：箝位三电平电路和吸收电路100；
箝位三电平电路，用于将交流电转换为直流电为电池充电，或用于将电池的直流电转换为交流电；
吸收电路100连接在箝位三电平电路的输出端，用于吸收箝位三电平电路输出的直流电中的交流量；
箝位三电平电路包括并联的两个桥臂，每个桥臂包括串联的至少四个开关模组；还包括至少两个母线电容，即第一电容C1和第二电容C2；两个母线电容C1和C2串联后与两个桥臂并联；两个母线电容C1和C2的公共点为母线中点；
具体地，如图3所示，箝位三电平电路的两个桥臂包括第一桥臂和第二桥臂；第一桥臂包括依次串联的四个开关模组Q9-Q12，第二桥臂包括串联的四个开关模组Q5-Q8；
Q9的第一端连接箝位三电平电路的正输出端，Q9的第二端连接Q10的第一端，Q10的第二端连接Q11的第一端，Q11的第二端连接Q12的第一端；Q12的第二端连接箝位三电平电路的负输出端。
Q5的第一端连接箝位三电平电路的正输出端，Q5的第二端连接Q6的第一端，Q6的第二端连接Q7的第一端，Q7的第二端连接Q8的第一端；Q8的第二端连接箝位三电平电路的负输出端。
另外，箝位三电平电路还包括以下四个箝位二极管：第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4；
D1-D4的作用是为了保证Q5-Q12的管压降不超过直流母线电压的一半，保证Q5-Q12的安全，从而可以降低Q5-Q12的选型标准，降低成本。
第一二极管D1的阳极和阴极分别连接母线中点和第一桥臂的上半桥臂中点，第一桥臂的上半桥臂中点即Q9的第二端；第二二极管D2的阳极和阴极分别连接第一桥臂的下半桥臂中点和母线中点，第一桥臂的下半桥臂中点即Q11的第二端；第三二极管D3的阳极和阴极分别连接母线中点和第二桥臂的上半桥臂中点，第二桥臂的上半桥臂中点，即Q5的第二端；第四二极管D4的阳极和阴极分别连接第二桥臂的下半桥臂中点和母线中点，第二桥臂的下半桥臂中点，即Q7的第二端。
其中，第一桥臂的中点为A点，第二桥臂的中点为B点，即图1和图2中的A和B。
吸收电路包括桥臂电路101和滤波电路102；
桥臂电路101包括依次串联的四个开关模组；滤波电路102连接桥臂电路101；滤波电路至少包括电感和电容。
为了配合箝位三电平电路，本申请实施例提供的吸收电路也包括四个串联的开关模组，每个开关模组至少包括一个开关管，应该理解，本申请实施例中的开关管为全控开关管，既可以控制其导通又可以控制其关断。
本申请实施例提供的储能变换器通过对桥臂电路中的开关模组的状态进行控制，可以实现对电感电流的控制，从而使电感和电容吸收二次脉动电流，即交流量。迫使二次脉动电流流过电感，降低或消除进入电池的脉动电流。本申请实施例提供的吸收电路为有源吸收电路，通过对于开关模组的控制，可以使滤波电路更好地吸收交流量，从而避免交流量进入电池，使电池频繁地充放电，长时间损坏电池。由于本申请实施例采用有源吸收电路，采用电力电子器件和滤波电路来吸收二次脉动电流，可以有效减轻重量，并减小体积。
本申请实施例不具体限定开关管的类型，例如可以为绝缘栅场效应晶体管（IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor）。当在IGBT的门极和发射极之间施加+15V电压时，IGBT的集电极和发射极导通；在IGBT的门极和发射极之间施加-8V电压时，IGBT的集电极和发射极关断。
应该理解，本申请实施例提供的储能变流器，还可以包括控制器，控制器可以控制桥臂电路中的开关管。
下面结合附图具体介绍两种不同的吸收电路的实现方式。
参见图4，该图为本申请实施例提供的另一种储能变流器的示意图。
桥臂电路包括依次串联的以下至少四个开关模组：第一开关模组Q1、第二开关模组Q2、第三开关模组Q3和第四开关模组Q4；
第一开关模组Q1的第一端连接箝位三电平电路的正输出端，第一开关模组Q1的第二端连接第二开关模组Q2的第一端，第二开关模组Q2的第二端连接第三开关模组Q3的第一端，第三开关模组Q3的第二端连接第四开关模组Q4的第一端；
滤波电路包括：第一电感L1、第二电感L2和第一滤波电容C3；
第一电感L1的第一端连接第一开关模组Q1的第二端，第一电感L1的第二端通过第一滤波电容C3连接第二电感L2的第一端，第二电感L2的第二端连接第三开关模组Q3的第二端。
电池BAT1连接在第一开关模组Q1的第一端和第四开关模组Q4的第二端之间。
为了实现对称，实现更好地滤波，第一电感L1的感值和第二电感：L2的感值可以相同。
另外，为了实现桥臂电路的电压箝位，第二开关模组Q2的第二端可以连接母线中点，即C1和C2的公共点。这样可以实现桥臂电路中的Q1-Q4承受的电压较低，保护Q1-Q4的安全，例如BAT1的电压为1500V，则Q1-Q4选用1200V左右的开关管即可，选型容易，可以降低开关管的成本。
应该理解，图4中是以滤波电路包括两个电感和一个电容为例进行的介绍，另外，滤波电路也可以仅包括一个电感，例如图5所示，可以包括第一电感L1和第一滤波电容C3。图5所示的滤波电路结构更加简单，成本低，体积小。
图4和图5所示的吸收电容为降低电路的拓扑，另外，吸收电路还可以为升压电路的拓扑，下面结合附图进行详细介绍。本申请实施例不具体限定吸收电路为升压拓扑还是降压拓扑。其中升压拓扑相比降压拓扑可以更好地吸收脉动电流。
参见图6，该图为本申请实施例提供的再一种储能变流器的示意图。
本申请实施例提供的储能变流器，桥臂电路包括依次串联的以下至少四个开关模组：第一开关模组Q1、第二开关模组Q2、第三开关模组Q3和第四开关模组Q4；滤波电路包括：第三电感L3、第四电感L4、第二滤波电容C4和第三滤波电容C5；
第一开关模组Q1的第一端连接第二滤波电容C4的第一端，第一开关模组Q1的第二端连接第二开关模组Q2的第一端，第二开关模组Q2的第二端连接第三开关模组Q3的第一端和第三滤波电容C5的第一端，第三开关模组Q3的第二端连接第四开关模组Q4的第一端；第四开关模组Q4的第二端连接第三滤波电容C5的第二端；第二滤波电容C4的第二端连接第三滤波电容C5的第一端；
第三电感L3的两端分别连接箝位三电平电路的正输出端和第一开关模组Q1的第二端，第四电感L4的两端分别连接箝位三电平电路的负输出端和第三开关模组Q3的第二端。
电池BAT1连接在箝位三电平电路的正输出端和负输出端之间。
为了实现较好的滤波效率，可以采取对称的参数设计，即第三电感L3的感值和第四电感L4的感值相同，第二滤波电容C4的容值和第三滤波电容C5的容值相同。由于该拓扑为升压结构，因此，C4和C5相对于图5中的C3需要承受更大的电压。
基于以上实施例提供的一种储能变流器，本申请实施例还提供一种储能系统，下面结合附图进行详细介绍。
参见图7，该图为本申请实施例提供的一种储能系统的示意图。
本实施例提供的储能系统，每相包括N个以上介绍的储能变流器；每相包括N个电池，N个储能变流器和N个电池一一对应；N为大于等于2的整数；N个储能变流器为双向储能变流器；
多个储能变流器的交流输入端依次串联在一起，每个储能变流器的输出端连接对应的电池。即M1连接电池BAT1，Mn连接电池BATn。M1至Mn依次串联在一起。
本实施例提供的储能系统，还包括：控制器；
控制器，用于控制储能变流器工作为电池充电，或将电池输出的电能转换为交流电输出。
本申请实施例具体不限定储能系统应用于三相系统，还是单相系统。
由于本申请实施例提供的储能系统包括N个储能变流器，因此，当每个储能变流器的体积缩小，重量减轻以后，该储能系统的体积和重量被减小的更加明显，对于储能系统来说，具有显著的有益效果，并且可以降低成本。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种储能变流器，其特征在于，包括：箝位三电平电路和吸收电路；
所述箝位三电平电路，用于将交流电转换为直流电为电池充电，或用于将电池的直流电转换为交流电；
所述吸收电路连接在所述箝位三电平电路的输出端，用于吸收所述箝位三电平电路输出的直流电中的交流量；
所述箝位三电平电路包括并联的两个桥臂，每个桥臂包括串联的至少四个开关模组；还包括至少两个母线电容，所述两个母线电容串联后与所述两个桥臂并联；所述两个母线电容的公共点为母线中点；
所述吸收电路包括桥臂电路和滤波电路；
所述桥臂电路包括依次串联的四个开关模组；所述滤波电路连接所述桥臂电路；所述滤波电路至少包括电感和电容。
2.根据权利要求1所述的储能变流器，其特征在于，所述桥臂电路包括依次串联的以下至少四个开关模组：第一开关模组、第二开关模组、第三开关模组和第四开关模组；
所述第一开关模组的第一端连接所述箝位三电平电路的正输出端，所述第一开关模组的第二端连接所述第二开关模组的第一端，所述第二开关模组的第二端连接所述第三开关模组的第一端，所述第三开关模组的第二端连接所述第四开关模组的第一端；
所述滤波电路包括：第一电感、第二电感和第一滤波电容；
所述第一电感的第一端连接所述第一开关模组的第二端，所述第一电感的第二端通过所述第一滤波电容连接所述第二电感的第一端，所述第二电感的第二端连接所述第三开关模组的第二端。
3.根据权利要求2所述的储能变流器，其特征在于，所述电池连接在所述第一开关模组的第一端和所述第四开关模组的第二端之间。
4.根据权利要求2或3所述的储能变流器，其特征在于，所述第一电感的感值和所述第二电感的感值相同。
5.根据权利要求2或3所述的储能变流器，其特征在于，所述第二开关模组的第二端连接所述母线中点。
6.根据权利要求1所述的储能变流器，其特征在于，所述桥臂电路包括依次串联的以下至少四个开关模组：第一开关模组、第二开关模组、第三开关模组和第四开关模组；所述滤波电路包括：第三电感、第四电感、第二滤波电容和第三滤波电容；
所述第一开关模组的第一端连接所述第二滤波电容的第一端，所述第一开关模组的第二端连接所述第二开关模组的第一端，所述第二开关模组的第二端连接所述第三开关模组的第一端和所述第三滤波电容的第一端，所述第三开关模组的第二端连接所述第四开关模组的第一端；所述第四开关模组的第二端连接所述第三滤波电容的第二端；所述第二滤波电容的第二端连接所述第三滤波电容的第一端；
所述第三电感的两端分别连接所述箝位三电平电路的正输出端和所述第一开关模组的第二端，所述第四电感的两端分别连接所述箝位三电平电路的负输出端和所述第三开关模组的第二端。
7.根据权利要求6所述的储能变流器，其特征在于，所述电池连接在所述箝位三电平电路的正输出端和负输出端之间。
8.根据权利要求6或7所述的储能变流器，其特征在于，所述第三电感的感值和所述第四电感的感值相同，所述第二滤波电容的容值和所述第三滤波电容的容值相同。
9.根据权利要求2或6所述的储能变流器，其特征在于，所述箝位三电平电路还包括：第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；
所述箝位三电平电路的两个桥臂包括第一桥臂和第二桥臂；所述第一桥臂包括依次串联的四个开关模组，所述第二桥臂包括串联的四个开关模组；
所述第一二极管的阳极和阴极分别连接所述母线中点和所述第一桥臂的上半桥臂中点，所述第二二极管的阳极和阴极分别连接所述第一桥臂的下半桥臂中点和所述母线中点；所述第三二极管的阳极和阴极分别连接所述母线中点和所述第二桥臂的上半桥臂中点，所述第四二极管的阳极和阴极分别连接所述第二桥臂的下半桥臂中点和所述母线中点。
10.一种储能系统，其特征在于，每相包括N个权利要求1-9任一项所述的储能变流器；每相包括N个电池，N个储能变流器和所述N个电池一一对应；所述N为大于等于2的整数；所述N个储能变流器为双向储能变流器；
多个所述储能变流器的交流输入端依次串联在一起，每个所述储能变流器的输出端连接对应的电池。
11.根据权利要求10所述的储能系统，其特征在于，还包括：控制器；
所述控制器，用于控制所述储能变流器工作为所述电池充电，或将电池输出的电能转换为交流电输出。
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