CN202888854U - 一种含z源网络的电池储能功率转换系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种含Z源网络的电池储能功率转换系统，所述功率转换系统包括锂电池系统、Z源网络、双向DC／AC变流器、滤波电路和DSP芯片；所述锂电池系统、Z源网络、双向DC／AC变流器、滤波电路依次连接；锂电池系统的直流输出和输入经过Z源网络调节后通过双向DC／AC变流器转换为三相交流输出；双向DC／AC变流器输出通过滤波电路滤波后连接到电网，采用DSP芯片的SVPWM调制技术控制双向DC／AC变流器。本实用新型提供的方案克服现有功率转换系统在设备复杂、双向功率转换效率低、缺少储能电池系统保护、直流链电压允许波动范围小、逆变桥臂开关管不能直通、并网谐波滤波效果不好等缺点。

Description

一种含Z源网络的电池储能功率转换系统

技术领域

本实用新型属于电力设备设计技术领域，具体涉及一种含Z源网络的电池储能功率转换系统。

背景技术

2011年我国光伏装机为3GW，而国家能源局统计数据指出，光伏并网装机容量仅为2.14GW。这意味着，全国光伏装机中约有29%光伏系统尚未并网。电池储能系统不仅能够提高间歇性能源并网发电能力，而且在电力系统的发电、输电、配电和用电环节中都发挥着积极的作用，可以完成电网的削峰填谷、过负荷冲击调节、频率调节及提高电能质量，达到电网安全性的目的。其中锂电池因其比能量大、循环寿命长、安全性能好、可快速充放电、自放电少和无记忆效应等优点，在间歇性能源并网发电方面有很好的应用前景。

电池储能系统的一个重要组成部分就是能量转换系统（power conversion system，PCS）。通过PCS可以实现电池储能系统直流电池与交流电网之间的双向能量传递，通过控制策略实现对电池系统的充放电管理、对网侧负荷功率的跟踪、对电池储能系统充放电功率的控制、对正常及孤岛运行方式下网侧电压的控制等。PCS装置已在太阳能、风能等分布式发电技术中有较多的应用，并逐渐应用于飞轮储能、超级电容器、电池储能等小容量双向功率传递的储能系统中。近些年来，随着电池技术与电力电子技术的不断进步，使得PCS拓扑结构能够不断改进。新型PCS拓扑结构正向着具有更小装置整体损耗、更高可靠性以及形成更加方便和高效的模块化结构方向发展。

申请号为201110193855.7，名称为“基于锂电池和超级电容的储能并网电路及其控制方法”，提出储能并网电路及其控制思路。但在系统结构方面，其使用DC／DC设备，增加设备数量且功率很难做大，并使双向能量转换环节效率降低；在控制策略方面，没有考虑对电池系统进行保护，不利于电池系统长期安全稳定运行。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种含Z源网络的电池储能功率转换系统，本实用新型提供的方案克服现有功率转换系统在设备复杂、双向功率转换效率低、缺少储能电池系统保护、直流链电压允许波动范围小、逆变桥臂开关管不能直通、并网谐波滤波效果不好等缺点。

本实用新型的目的是采用下述技术方案实现的：

一种含Z源网络的电池储能功率转换系统，其改进之处在于，所述功率转换系统包括锂电池系统、Z源网络、双向DC／AC变流器、滤波电路和DSP芯片；所述锂电池系统、Z源网络、双向DC／AC变流器、滤波电路依次连接；

所述锂电池系统的直流输出和输入经过Z源网络调节后通过双向DC／AC变流器转换为三相交流输出；所述双向DC／AC变流器输出通过滤波电路滤波后连接到电网，采用DSP芯片的SVPWM调制技术控制双向DC／AC变流器。

其中，所述锂电池系统通过Z源网络连接到双向DC／AC变流器的直流端；所述双向DC／AC变流器的交流端连接滤波电路；所述DSP芯片通过隔离驱动电路连接到双向DC／AC变流器的电子开关器件。

其中，所述隔离驱动电路包括隔离器和驱动器。

其中，所述锂电池系统由锂电池单体串并联组成。

其中，在所述锂电池系统和Z源网络之间设有IGBT模块S₇。

其中，所述Z源网络的拓扑为升降压拓扑，所述Z源网络包括两个等值电感和两个等值电容；所述两个等值电容呈X形放置，所述两个等值电容之间不连接；每个等值电容一端均连接一个等值电感，每个等值电容另一端均连接另一等值电感。

其中，所述两个等值电感分别用L₁和L₂表示；所述两个等值电容分别用C₁和C₂表示。

其中，所述滤波电路为LCL滤波器；所述LCL滤波器包括三组串联电感组和三个电容；所述三组串联电感组并联；每组串联电感组包括串联的两个电感；

所述三组串联电感组的三端分别连接双向DC／AC变流器三相的交流输出端；所述串联电感组的另外三端连接电网；

所述三个电容并联；每个电容的一端分别与另两个电容的一端相互连接形成公共端；每个电容的另一端分别连接三组串联电感组的公共端。

其中，所述双向DC／AC变流器包括三相六桥臂；每个桥臂由IGBT模块组成；所述IGBT模块由反并联的IGBT芯片和二极管组成。

其中，每相上下两个桥臂的IGBT模块或同时导通。

其中，所述三相六桥臂均与隔离驱动电路连接；所述IGBT模块S₇与隔离驱动电路连接。

与现有技术比，本实用新型达到的有益效果是：

1、本实用新型提供的含Z源网络的电池储能功率转换系统，克服现有功率转换系统在设备复杂、双向功率转换效率低、缺少储能电池系统保护、直流链电压允许波动范围小、逆变桥臂IGBT模块（开关管）不能直通、并网谐波滤波效果不好等缺点。

2、本实用新型的锂电池系统采用锂电池单体串联和并联组成，通过锂电池单体串并联来满足系统对电压、电流及功率的需求。采用Z源网络，允许双向DC／AC变流器同一桥臂上的IGBT模块（开关管）同时导通时，不用像传统变流器那样加入死区时间，提高了网侧正弦波电流的波形品质；在输入电压范围比较宽泛时，仍可输出稳定的直流电压。因此，含Z源网络的电池储能功率转换系统具有波形质量好、结构简单、转换效率高的特点。

3、本实用新型采用LCL滤波器，与传统L滤波器相比，增强功率转换系统稳定性，提高滤波效果，同时节约总的电感磁芯材料。

4、本实用新型还加入锂电池系统保护控制策略，避免锂电池系统出现过度充电或者过度放电状态，延长储能电池组工作寿命，减少综合使用成本。

5、本实用新型采用DSP 芯片的SVPWM调制技术，每次开关切换只涉及一个器件，开关损耗小；利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简单；变流器输出线电压基波最大值为直流侧电压，比一般的SPWM变流器输出电压高15%。

6、本实用新型采用DSP芯片的SVPWM调制技术，通过监测电感电流来确定逆变桥是单相直通、两相直通，还是三相直通，可以有效降低开关次数，减少开关损耗，同时避免电力开关管承受过大的电流应力而损坏。

附图说明

图1是本实用新型提供的实施例含Z源网络的锂电池储能功率转换系统拓扑结构图；

图2是本实用新型提供的实施例含Z源网络的锂电池储能功率转换系统控制流程图；

图3是本实用新型提供的锂电池系统保护控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的详细说明。

图1为含Z源网络的锂电池储能功率转换系统拓扑结构。功率转换系统包括锂电池系统、Z源网络、双向DC／AC变流器、滤波电路和DSP芯片；所述的锂电池系统、Z源网络、双向DC／AC变流器、滤波电路依次连接；具体的：

锂电池系统通过Z源网络连接到双向DC／AC变流器的直流端，双向DC／AC变流器的交流端连接到滤波电路，DSP芯片连接到双向DC／AC变流器的开关器件，用以输出控制电压。

锂电池系统是由锂电池单体经串并联后组成，用以满足系统对电压、电流和功率的需求；Z源网络由2个等值电感和2个等值电容组成，2个等值电容呈X形放置，但不连接，每个等值电容一端都连接一等值电感L₁，其另一端连接另一等值电感L₂；所述的滤波电路为LCL滤波器，由3组串联电感组和3个电容组成，等值电感两两串联为一电感组，3组电感组的三端分别连接双向DC／AC变流器三相交流输出端，3个电感组的另外三端分别连接电网；3个电容的一端相互连接形成公共端，3个电容的另一端分别连接3组串联电感的公共端。另个等值电容分别用C₁和C₂表示；两个等值电感分别用L₁和L₂表示。

锂电池系统和Z源网络之间设有IGBT模块S₇。双向DC／AC变流器包括三相六桥臂；每个桥臂由IGBT模块组成；所述IGBT模块由反并联的IGBT芯片和二极管组成。每相上下两个桥臂的IGBT模块可以同时导通。三相六桥臂均与隔离驱动电路连接；所述IGBT模块S₇与隔离驱动电路连接。

本实用新型还提供了一种含Z源网络的电池储能功率转换系统的控制方法，图2是含Z源网络的锂电池储能功率转换系统控制流程图，DSP芯片监测变流器电网侧三相电流i_abc、电网侧三相电压u_abc。电网侧三相电压u_abc经过PLL锁相环，得到相角θ，所述的相角θ用于参与Park变换和Park反变换。电网侧三相电流i_abc、电网侧三相电压u_abc分别经过Clarke变换和Park变换，得到dq轴分量i_q、i_d、u_q、u_d。其中i_q与给定有功电流i*_q做差后，经过一个PI环节，与直流轴电压补偿分量i_dωL做差后，再与u_q做差，得到双向DC／AC变流器给定电压v_q。i_d与给定无功电流i*_d做差后，经过一个PI环节，与交流轴电压补偿分量i_qωL做差后，再与u_d做差，得到双向DC／AC变流器给定电压v_d。再分别经过Clarke反变换，得到控制电压定子静止坐标系分量v_α、v_β，经过DSP 芯片输出双向DC／AC变流器IGBT模块（开关管）控制电压信号。

DSP 芯片监测Z源网络电容C₁的电压V_C1和Z源网络等值电感L₂电流I_L2。V_C1与给定直流链电压V*_dc做差，经过一个PI环节，再与等值电感电流I_L2做差，得到直通时间D₀，作为SVPWM调制技术的控制电压信号参考。

DSP芯片监测锂电池系统的荷电状态SOC、充电电流I_C、充电电压V_C、放电电流I_D、放电电压V_D，判断各监测量是否越限，当有任意一个监测量越限时，DSP输出控制电压，关闭变流器开关管。具体判断方法是：仅当锂电池系统荷电状态SOC＜推荐SOC使用窗口上限b，充电电压V_C＜充电上限电压V_Cmax，充电电流I_C≤最大充电电流I_Cmax，三个条件同时满足时，锂电池系统可以响应电网侧功率吸收的需求，进行充电；仅当锂电池系统荷电状态SOC＞推荐SOC使用窗口下限a，放电电压V_D＞放电终止电压V_Dmin，放电电流I_D≤最大放电电流I_Dmax，三个条件同时满足时，锂电池系统可以响应电网侧功率补偿的需求，进行放电；其余情况下，为保证锂电池系统安全运行、延长锂电池寿命，DSP输出控制电压，关闭双向DC／AC变流器IGBT模块（开关管），锂电池系统不动作。

含Z源网络的电池储能功率转换系统的控制方法包括下述步骤：

（1）所述DSP芯片实时监测锂电池系统并控制其充放电：

图3是锂电池系统保护控制流程图。DSP芯片实时监测锂电池系统的荷电状态SOC、充电电流I_C、充电电压V_C、放电电流I_D、放电电压V_D，判断各监测量是否越限，当有任意一个监测量越限时，DSP输出控制电压，关闭双向DC／AC变流器IGBt模块（开关管）。具体判断方法是：仅当锂电池系统荷电状态SOC＜推荐SOC使用窗口上限b，充电电压V_C＜充电上限电压V_Cmax，充电电流I_C≤最大充电电流I_Cmax，三个条件同时满足时，锂电池系统可以响应电网侧功率吸收的需求，进行充电；仅当锂电池系统荷电状态SOC＞推荐SOC使用窗口下限a，放电电压V_D＞放电终止电压V_Dmin，放电电流I_D≤最大放电电流I_Dmax，三个条件同时满足时，锂电池系统可以响应电网侧功率补偿的需求，进行放电；其余情况下，为保证锂电池系统安全运行、延长锂电池寿命，DSP输出控制电压，关闭双向DC／AC变流器IGBT模块（开关管），储能系统不动作。

（2）所述DSP芯片监测Z源网络：

DSP芯片监测Z源网络电容C₁的电压V_C1和Z源网络电感L₂电流I_L2。V_C1与给定直流链电压V*_dc做差，经过一个PI环节，在与电感电流I_L2做差，得到直通时间D₀，作为SVPWM控制电压信号参考。

（3）所述DSP芯片监测双向DC／AC变流器：

DSP芯片监测双向DC／AC变流器电网侧三相电流i_abc、电网侧三相电压u_abc。电网侧三相电压u_abc经过PLL锁相环，得到相角θ；相角θ用于参与Park变换和Park反变换。

电网侧三相电流i_abc、电网侧三相电压u_abc分别经过Clarke变换和Park变换，得到dq轴分量i_q、i_d、u_q、u_d。

其中i_q与给定有功电流i*_q做差后，经过一个PI环节，与直流轴电压补偿分量i_dωL做差后，再与u_q做差，得到双向DC／AC变流器给定电压v_q。i_d与给定无功电流i*_d做差后，经过一个PI环节，与交流轴电压补偿分量i_qωL做差后，再与u_d做差，得到双向DC／AC变流器给定电压v_d。再分别经过Clarke反变换，得到控制电压定子静止坐标系分量v_α和v_β，经过DSP芯片输出双向DC／AC变流器开关管控制电压信号。

采用SVPWM调制技术控制变流器。SVPWM利用变流器三相桥输出的8个电压矢量来合成指令电压矢量。8个电压矢量是间断的，而参考电压矢量是连续的，但是如果开关频率足够高，则可以以一个开关周期的平均值为标准来进行等效。传统三相电压型桥式变流电路，采用180°导通方式，共有8种工作状态，用“1”表示每相上桥臂IGBT模块导通，用“0”表示下桥臂IGBT模块导通，则上述8种工作状态可依次表示为100、110、010、011、001、101以及111和000。在传统变流器SVPWM调制方法的基础上，将零矢量的部分作用时间由直通零矢量代替，同时，有效矢量作用时间和传统变流器相同。通过监测电感电流来确定逆变桥是单相直通、两相直通，还是三相直通，可以有效降低开关次数，减少开关损耗，同时避免电力开关管承受过大的电流应力而损坏。

本实用新型提供的含Z源网络的电池储能功率转换系统，克服现有功率转换系统在设备复杂、双向功率转换效率低、缺少储能电池系统保护、直流链电压允许波动范围小、逆变桥臂开关管不能直通、并网谐波滤波效果不好等缺点。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (11)

1.一种含Z源网络的电池储能功率转换系统，其特征在于，所述功率转换系统包括锂电池系统、Z源网络、双向DC／AC变流器、滤波电路和DSP芯片；所述锂电池系统、Z源网络、双向DC／AC变流器、滤波电路依次连接；

所述锂电池系统的直流输出和输入经过Z源网络调节后通过双向DC／AC变流器转换为三相交流输出；所述双向DC／AC变流器输出通过滤波电路滤波后连接到电网，采用DSP芯片的SVPWM调制技术控制双向DC／AC变流器。

2.如权利要求1所述的含Z源网络的电池储能功率转换系统，其特征在于，所述锂电池系统通过Z源网络连接到双向DC／AC变流器的直流端；所述双向DC／AC变流器的交流端连接滤波电路；所述DSP芯片通过隔离驱动电路连接到双向DC／AC变流器的电子开关器件。

3.如权利要求2所述的含Z源网络的电池储能功率转换系统，其特征在于，所述隔离驱动电路包括隔离器和驱动器。

4.如权利要求1所述的含Z源网络的电池储能功率转换系统，其特征在于，所述锂电池系统由锂电池单体串并联组成。

5.如权利要求4所述的含Z源网络的电池储能功率转换系统，其特征在于，在所述锂电池系统和Z源网络之间设有IGBT模块S₇。

6.如权利要求1所述的含Z源网络的电池储能功率转换系统，其特征在于，所述Z源网络的拓扑为升降压拓扑，所述Z源网络包括两个等值电感和两个等值电容；所述两个等值电容呈X形放置，所述两个等值电容之间不连接；每个等值电容一端均连接一个等值电感，每个等值电容另一端均连接另一等值电感。

7.如权利要求6所述的含Z源网络的电池储能功率转换系统，其特征在于，所述两个等值电感分别用L₁和L₂表示；所述两个等值电容分别用C₁和C₂表示。

8.如权利要求1所述的含Z源网络的电池储能功率转换系统，其特征在于，所述滤波电路为LCL滤波器；所述LCL滤波器包括三组串联电感组和三个电容；所述三组串联电感组并联；每组串联电感组包括串联的两个电感；

所述三组串联电感组的三端分别连接双向DC／AC变流器三相的交流输出端；所述串联电感组的另外三端连接电网；

所述三个电容并联；每个电容的一端分别与另两个电容的一端相互连接形成公共端；每个电容的另一端分别连接三组串联电感组的公共端。

9.如权利要求1所述的含Z源网络的电池储能功率转换系统，其特征在于，所述双向DC／AC变流器包括三相六桥臂；每个桥臂由IGBT模块组成；所述IGBT模块由反并联的IGBT芯片和二极管组成。

10.如权利要求9所述的含Z源网络的电池储能功率转换系统，其特征在于，每相上下两个桥臂的IGBT模块或同时导通。

11.如权利要求9中任一项所述的含Z源网络的电池储能功率转换系统，其特征在于，所述三相六桥臂均与隔离驱动电路连接；所述IGBT模块S₇与隔离驱动电路连接。

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