CN117526382A - 一种多级模块化储能系统及储能柜 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种多级模块化储能系统及储能柜，包括：三相输入接点、中压变压器、N个变流器模块、储能单元和控制模块；三相输入接点用于配置交流电网；控制模块用于控制N个变流器模块；其中，N为2个以上；变流器模块包括三个单相模块，其中，变流器模块的直流端与储能单元一一连接；中压变压器，包括三个磁柱，每个磁柱上绕有一个原边绕组和N个副边绕组，副边绕组的两端与单相模块连接，原边绕组的输入端与三相输入接点连接；控制模块用于控制变流器模块通过中压变压器输出中压交流电。本申请通过中压变压器连接交流电网和储能单元，使得直流端和交流端集成设计，大大提高系统集成度，减少系统安装和调试难度，降低成本。

Description

一种多级模块化储能系统及储能柜
技术领域
本申请涉及储能技术领域，尤其涉及一种多级模块化储能系统及储能柜。
背景技术
由于光伏和风力发电这样的可持续能源具有间歇性弱点，电池储能系统的应用越来越普遍，装机容量也越来越大。大容量电池储能系统大多采用中压10kv到35kv进行并网。目前大多数技术采用储能电池柜，加变流器，加升压变压器的分离式设计，储能电池柜由电芯、插箱、电池管理系统、热交换系统、汇流柜和消防系统组成；变流器由直流母排，电力电子stack，滤波器，热交换系统和变流器控制系统组成；升压变压器包括低压控制柜，变压器，和中压控制柜组成。
采用这种分离式设计的储能系统，其设备内保护子系统和控制子系统存在冗余，设备成本高，施工安装困难，系统集成和调试以及系统认证工作量大；且系统占地面积大，直流电缆需要量大，施工调试周期长。
针对上述现有技术的不足，亟需设计一种能提高系统集成度，减少系统安装调试难度，同时降低设备和项目施工成本的储能系统。
发明内容
本申请提供一种多级模块化储能系统及储能柜，用以解决现有技术中系统、调试难度大及项目施工成本高的问题。
一方面，本申请提供一种多级模块化储能系统，包括：三相输入接点、中压变压器、N个变流器模块、储能单元和控制模块；三相输入接点用于配置交流电网；控制模块用于控制N个变流器模块；其中，N为2个以上；
变流器模块包括三个单相模块，其中，变流器模块的直流端与储能单元一一连接；
中压变压器，包括三个磁柱，每个磁柱上绕有一个原边绕组和N个副边绕组，副边绕组的两端与单相模块连接，原边绕组的输入端与三相输入接点连接；
控制模块用于控制变流器模块通过中压变压器输出中压交流电。
在其中一个实施例中，控制模块用于获取中压变压器原边绕组的电压，并根据中压变压器原边绕组的电压控制变流器模块的锁相及电压控制。
在其中一个实施例中，控制模块用于构建中压变压器原边绕组的电压指令，并根据构建的电压指令控制变流器模块的锁相及电压控制。
在其中一个实施例中，控制模块用于输出第一控制信号，第一控制信号用于控制中压变压器同一磁柱上的单相模块进行移相。
在其中一个实施例中，变流器模块的工作周期为T，变流器模块的PWM移相时间为t＝T/N。
在其中一个实施例中，变流器模块包括第一单相模块、第二单相模块和第三单相模块，第一单相模块、第二单相模块和第三单相模块的直流端并联连接，任两个单相模块的直流端通过共模电感连接储能单元。
在其中一个实施例中，三个单相模块在第一控制信号下相位差为2π/3。
在其中一个实施例中，单相模块包括H桥、直流母线和母线电容，H桥包括并联的第一桥臂和第二桥臂，
第一桥臂的桥臂中点与第二桥臂的桥臂中点分别连接中压变压器的副边绕组的两端，第一桥臂和第二桥臂中的每个桥臂包括串联的上桥臂开关和下桥臂开关，上桥臂开关和下桥臂开关的串联连接点为桥臂中点。
在其中一个实施例中，控制模块还用于获取储能单元的电量状态，并根据储能单元的电量状态控制变流器模块进行充电或放电。
在其中一个实施例中，中压变压器为低频移相变压器、低频多级变压器和高频固态变压器中的一种。
在其中一个实施例中，控制器还用于控制三相中压电网向N个变流器模块的储能单元供电；或
控制N个变流器模块的储能单元均向三相中压电网馈能。
另一方面，本申请还提供一种储能柜，包括上述的多级模块化储能系统、消防安全设备、储能系统的温度控制热交换子系统及与三相输入接点连接的环网柜。
本申请提供的一种多级模块化储能系统，包括：三相输入接点、中压变压器、N个变流器模块、储能单元和控制模块；三相输入接点用于配置交流电网；控制模块用于控制N个变流器模块；其中，N为2个以上；变流器模块包括三个单相模块，其中，变流器模块的直流端与储能单元一一连接；中压变压器，包括三个磁柱，每个磁柱上绕有一个原边绕组和N个副边绕组，副边绕组的两端与单相模块连接，原边绕组的输入端与三相输入接点连接；控制模块用于控制变流器模块通过中压变压器输出中压交流电。本申请的有益效果有：1、利用中压变压器的漏感和PWM移相技术，抑制开关频率或单极性倍频调制模式下两倍开关频率的电流波动，降低电磁干扰；2、中压变压器的漏感可以参与到电压和电流调制中，漏感可以降低电流上升和下降的速率(di/dt)，从而减小纹波；3、通过中压变压器连接交流电网和储能单元，使得直流端和交流端集成设计，大大提高系统集成度，减少系统安装和调试难度，降低成本；4、储能单元、变流器模块和中压变压器集成设计，从而可以直接输出中压交流电。
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，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1为本申请一实施例中提供的多级模块化储能系统结构示意图；
图2为本申请另一实施例中提供的多级模块化储能系统结构示意图；
图3为本申请一实施例中变流器模块移相的产生方式；
图4为本申请一实施例没有移相前变流器模块输出的交流电流波形图；
图5为本申请一实施例移相后变流器模块输出的交流电流波形图；
图6为本申请一实施例中提供的多级模块化储能系统结构示意图。
附图标记：
三相输入接点：101；中压变压器：110；N个变流器模块：120；第一个变流器模块：121；第二个变流器模块：122；第N个变流器模块：12N；储能单元：130；磁柱：113；原边绕组：111；副边绕组：112；单相模块：140；共模电感：141。
通过上述附图，已示出本申请明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本申请构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本申请的概念。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
由于光伏发电和风力发电这样的可持续能源具有间歇性弱点，使得电池储能系统的应用越来越普遍，装机容量也越来越大。大容量电池储能系统大多采用中压10kv到35kv进行并网。目前大多数技术采用储能电池柜，加变流器，加升压变压器的分离式设计；储能电池柜由电芯、插箱、电池管理系统、热交换系统、汇流柜和消防系统组成；变流器由直流母排、电力电子stack、滤波器、热交换系统和变流器控制系统组成；升压变压器包括低压控制柜、变压器和中压控制柜组成。
采用这种分离式设计的储能系统，其设备内保护子系统和控制子系统存在冗余，设备成本高，施工安装困难，系统集成和调试以及系统认证工作量大；且系统占地面积大，直流电缆需要量大，施工调试周期长。
针对上述技术问题，本申请提供了一种多级模块化储能系统，包括：三相输入接点、中压变压器、N个变流器模块、储能单元和控制模块；三相输入接点用于配置交流电网；控制模块用于控制N个变流器模块；其中，N为2个以上；
变流器模块包括三个单相模块，其中，变流器模块的直流端与储能单元一一连接；
中压变压器，包括三个磁柱，每个磁柱上绕有一个原边绕组和N个副边绕组，副边绕组的两端与单相模块连接，原边绕组的输入端与三相输入接点连接；
控制模块用于控制变流器模块通过中压变压器输出中压交流电。
本申请利用中压变压器的漏感和PWM移相技术，抑制开关频率或单极性倍频调制模式下两倍开关频率的电流波动，降低电磁干扰；中压变压器的漏感可以参与到电压和电流调制中，漏感可以降低电流上升和下降的速率(di/dt)，从而减小纹波。
其次，中压交流电可以直接并入中压电网，将变流器模块把储能单元的直流电转换为低压交流电，再通过中压变压器转换为中压交流电这样的两级系统集成设计，从而提高了系统集成度，尤其在储能柜的结构设计上，本申请在一个储能柜中集成储能单元，变流器模块和中压变压器，直接把电池直流低压一步转换为电网交流中压。通过中压变压器连接交流电网和储能单元，使得直流端和交流端集成设计，大大提高系统集成度，减少系统安装和调试难度，降低成本，其次，储能单元、变流器模块和中压变压器的集成设计，可以直接输出中压交流电。
如图1所示，图1为本申请一实施例中提供的多级模块化储能系统，包括三相输入接点101、中压变压器110、N个变流器模块120、储能单元130和控制模块(图中未示出)；三相输入接点101用于配置交流电网；控制模块用于控制N个变流器模块120；其中，N为2个以上；变流器模块120包括三个单相模块140，其中，变流器模块120的直流端与储能单元130一一连接；中压变压器110，包括三个磁柱113，每个磁柱上绕有一个原边绕组111和N个副边绕组112，副边绕组112的两端与单相模块140连接，原边绕组111的输入端与三相输入接点101连接。
在其中一个实施例中，如图1所示，单相模块140包括H桥、直流母线和母线电容，其中母线电容与H桥并联连接，母线电容与储能单元130连接。H桥包括并联的第一桥臂和第二桥臂，第一桥臂的桥臂中点与第二桥臂的桥臂中点分别连接中压变压器110的副边绕组112的两端，第一桥臂和第二桥臂中的每个桥臂包括串联的上桥臂开关和下桥臂开关，上桥臂开关和下桥臂开关的串联连接点为桥臂中点。
可选地，N个变流器模块120可以包括：第一个变流器模块121，第二个变流器模块122，……，第N个变流器模块12N。其中，第一个变流器模块121的输入端还可以用于与储能单元连接，第N个变流器模块121的输入端还可以用于与第N个储能单元连接，N个变流器模块是并联结构。
可选地，储能单元130可以为储能电池，既可以充电以存储能量，也可以取电作电源使用；且储能电池为最小的存电单元，可以串联或并联，使得该集成储能系统可拓展性高。储能单元130优选为锂离子电池组。
可选地，高压绕组和低压绕组的匝数比可以根据实际情况确定，本申请不进行限定。
本实施例通过中压变压器连接交流电网和储能单元，使得直流端和交流端集成设计，大大提高系统集成度，减少系统安装和调试难度，降低成本，其次，储能单元、变流器模块和中压变压器的集成设计，可以直接输出中压交流电。
在其中一个实施例中，中压变压器为低频移相变压器、低频多级变压器和高频固态变压器中的一种。
如图2所示，图2为本申请另一实施例提供的多级模块化储能系统，单相模块140包括H桥、直流母线、共模电感141和母线电容，其中母线电容与H桥并联连接，母线电容与共模电感141并联，共模电感141与储能单元130连接。
H桥包括并联的第一桥臂和第二桥臂，第一桥臂的桥臂中点与第二桥臂的桥臂中点分别连接中压变压器110的副边绕组112的两端，第一桥臂和第二桥臂中的每个桥臂包括串联的上桥臂开关和下桥臂开关，上桥臂开关和下桥臂开关的串联连接点为桥臂中点。
可选地，第一桥臂和第二桥臂由四个IGBT或MOSFET组成，MOSFET可以是硅器件，也可以是碳化硅或氮化镓器件，本申请中的实施例以IGBT为例。
在其中一个实施例中，控制模块用于获取中压变压器原边绕组的电压，构建中压变压器原边绕组的电压指令，并根据中压变压器原边绕组的电压指令控制变流器模块的锁相及电压控制。
具体地，控制模块通过获取中压变压器原边绕组的电压，即交流电网的电压，并对其进行信号分析，从而获取电网的频率和相位，然后根据该相位信号去调整变流器模块的输出频率和相位以达到同步，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，从而可以稳定输出。
在其中一个实施例中，控制模块用于输出第一控制信号；第一控制信号用于控制变流器模块中的单相模块进行移相。
在其中一个实施例中，变流器模块的工作周期为T，变流器模块的PWM移相时间为t＝T/N。
如图3所示，图3为变流器模块移相的产生方式。控制模块输出第一控制信号，用于控制变流器模块中的单相模块进行移相。可选地，第一控制信号包括多个PWM波形。本申请采用的是载波移相调制法。载波移相SPWM(Carrier Phase Shifting SPWM，CPS-SPWM)调制法是一种特别适合于级联多电平变流器模块的SPWM方法，对于由n个H桥单元(单相模块)组成的级联多电平变流器，每个H桥单元都采用低开关频率的SPWM调制方法，各单元的正弦调制波相同，如图3的上半部分的波形，用n组三角载波分别进行调制，各三角载波具有相同的频率和幅值，但相位依次相差固定的角度，从而使每个H桥单元输出的SPWM脉冲也错开一定的角度，大大增加了等效开关频率，经过叠加后，变流器模块最终输出的波形是一个多电平的阶梯波，如图3下半部分的波形所示，通过选择合适的移相角度可以使输出电压的谐波相互抵消，从而使中压端电压的谐波含量大幅度减少。如图4所示，图4为没有移相前变流器模块输出的交流电流波形图，该波形中的谐波含量很大，电流的纹波幅值和PWM的脉冲宽度有关。PWM的脉冲宽度越宽，纹波幅值越大，每次纹波出现的上升沿和下降沿，和PWM的载波时间一一对应。而对PWM的载波进行移相，可以使每个变流器模块纹波出现的上升沿和下降沿错开，从而在变流器模块并联时，使由PWM造成的纹波在时间轴上相加时互相抵消。图5为移相后变流器模块输出的交流电流波形图，该波形谐波分量基本抵消。
可选地，N个变流器模块中包括3N个单相模块，控制模块输出的第一控制信号还用于控制3N个单相模块进行移相控制，从而减少变流器模块输出电压的谐波含量，省去滤波电感，降低电磁干扰，以稳定变流器模块的输出电压和输出电流。
本实施例还利用中压变压器的漏感和PWM移相技术，抑制开关频率或单极性倍频调制模式下两倍开关频率的电流波动，降低电磁干扰；中压变压器的漏感可以参与到电压和电流调制中，漏感可以降低电流上升和下降的速率(di/dt)，从而减小纹波。通过合适设计中压变压器的漏感，省去了滤波电感，降低多级模块化储能系统成本，且节省空间从而提高系统集成度；由于集成变流器模块、中压变压器和储能单元的集成设计，大大减少储能系统施工的成本和施工时间。
在其中一个实施例中，变流器模块包括第一单相模块、第二单相模块和第三单相模块，第一单相模块、第二单相模块和第三单相模块并联连接，任两个单相模块通过共模电感连接储能单元。三个单相模块121和储能单元130的正极、负极连接点为同一点，三个单相模块121相互之间的上述正极连接点直接相连、上述负极连接点直接相连。可选地，三个单相模块在第一控制信号下相位差为2π/3。
在其中一个实施例中，控制模块还用于获取储能单元的电量状态，并根据储能单元的电量状态控制变流器模块进行充电或放电。
在其中一个实施例中，控制器还用于控制三相中压电网向N个变流器模块的储能单元供电；或
控制N个变流器模块的储能单元均向三相中压电网馈能。
具体地，多级模块化储能系统可将储能单元的直流转换成交流，利用中压变压器使得储能系统可以直接进行并网运行；三相输入接点直接接入电网或风力发电站或光伏发电站，直接给储能单元进行充电，用于储存电能，以备不时之需。
如图6所示，图6为本申请一实施例中提供的多级模块化储能系统。本实施例提供的多级模块化储能系统以5兆瓦时为例，包括三相输入接点、中压变压器、24个变流器模块、储能单元和控制模块；三相输入接点用于配置交流电网；控制模块用于控制24个变流器模块。
其中中压变压器的原边绕组的额定电压为35kV，副边绕组的额定电压为150V，原边绕组和副边绕组的绕组匝数比例为700:3。中压变压器有三个磁柱，每个磁柱上有一个原边绕组和24个副边绕组，每个副边绕组连接有单相模块，原边绕组分为A相、B相和C相，与原边绕组对应耦合的副边绕组一共有72个，与72个副边绕组连接单相模块有72个，单相模块包括H桥。72个H桥结合储能单元组成24个变流器模块。可选地，每个变流器模块可包含4个电池包，其中两个H桥分别通过共模电感连接两个串联电池包，3个H桥通过电容两端并联在一起。
在其中一个实施例中，在两个串联电池包的输入端安装有有固态开关和熔丝保护。
在该实施例中，变流器模块的工作周期为T，则变流器模块的PWM移相时间为t＝T/N。例如，变流器模块的PWM工作频率为5kHz，工作周期200us，变流器模块的PWM移相时间为8.3us，200/24≈8.3us。每个变流器模块的电网电压采样来自三相变压器高压线圈上的电压采样。本实施例可通过利用中压变压器的漏感和PWM移相技术，抑制开关频率或单极性倍频调制模式下两倍开关频率的电流波动，降低电磁干扰；同时由于省去了滤波电感，降低多级模块化储能系统成本，且节省空间从而提高系统集成度；由于集成变流器模块、中压变压器和储能单元的集成设计，大大减少储能系统施工的成本和施工时间。
另一方面，本申请还提供一种储能柜，包括上述的多级模块化储能系统、消防安全设备、储能系统的温度控制热交换子系统及与三相输入接点连接的环网柜。
具体地，该储能柜可直接连接中压电网，并且储能柜在结构设计上直流和交流动力电缆分开。其中直流电缆按垂直连接布局，交流电缆按水平方向连接布局。
本实施例提供的储能柜通过集成中压变压器、变流器模块和环网柜，大大减少储能系统的施工时间和施工成本。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。
应当理解的是，本申请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。本申请的范围仅由所附的权利要求书来限制。

Claims (11)

1.一种多级模块化储能系统，其特征在于，包括：三相输入接点、中压变压器、N个变流器模块、储能单元和控制模块；所述三相输入接点用于配置交流电网；所述控制模块用于控制所述N个变流器模块；其中，N为2个以上；
所述变流器模块包括三个单相模块，其中，所述变流器模块的直流端与所述储能单元一一连接；
所述中压变压器，包括三个磁柱，每个所述磁柱上绕有一个原边绕组和N个副边绕组，所述副边绕组的两端与所述单相模块连接，所述原边绕组的输入端与所述三相输入接点连接；
所述控制模块用于控制所述变流器模块通过所述中压变压器输出中压交流电。
2.根据权利要求1所述的多级模块化储能系统，其特征在于，所述控制模块用于构建中压变压器原边绕组的电压指令，并根据所述构建的中压变压器原边绕组的电压指令控制所述变流器模块的锁相及电压控制。
3.根据权利要求2所述的多级模块化储能系统，其特征在于，
所述控制模块用于输出第一控制信号，所述第一控制信号用于控制所述中压变压器同一磁柱上的单相模块进行移相。
4.根据权利要求3所述的多级模块化储能系统，其特征在于，变流器模块的工作周期为T，所述变流器模块的PWM移相时间为t＝T/N。
5.根据权利要求3所述的多级模块化储能系统，其特征在于，所述变流器模块包括第一单相模块、第二单相模块和第三单相模块，所述第一单相模块、所述第二单相模块和所述第三单相模块的直流端并联连接，
任两个所述单相模块的直流端通过共模电感连接所述储能单元。
6.根据权利要求3所述的多级模块化储能系统，其特征在于，
所述三个单相模块在所述第一控制信号下相位差为2π/3。
7.根据权利要求5所述的多级模块化储能系统，其特征在于，所述单相模块包括H桥、直流母线和母线电容，所述H桥包括并联的第一桥臂和第二桥臂，
所述第一桥臂的桥臂中点与所述第二桥臂的桥臂中点分别连接所述中压变压器的副边绕组的两端，所述第一桥臂和所述第二桥臂中的每个桥臂包括串联的上桥臂开关和下桥臂开关，所述上桥臂开关和所述下桥臂开关的串联连接点为桥臂中点。
8.根据权利要求1所述的多级模块化储能系统，其特征在于，所述控制模块还用于获取所述储能单元的电量状态，并根据所述储能单元的电量状态控制所述变流器模块进行充电或放电。
9.根据权利要求1所述的多级模块化储能系统，其特征在于，所述中压变压器为低频移相变压器、低频多级变压器和高频固态变压器中的一种。
10.根据权利要求1所述的多级模块化储能系统，其特征在于，所述控制器还用于控制所述三相中压电网向所述N个变流器模块的储能单元供电；或
控制所述N个变流器模块的储能单元均向所述三相中压电网馈能。
11.一种储能柜，其特征在于，包括如权利要求1-10所述的多级模块化储能系统、消防安全设备、储能系统的温度控制热交换子系统及与所述三相输入接点连接的环网柜。
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