CN203368042U - 基于iegt的储能系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电子技术领域，具体涉及一种基于增强栅晶体管的储能系统，包括电池和能量转换系统；所述能量转换系统的主回路结构是DC/AC单级式结构，所述电池采用串并联方式形成电池组（1），所述电池组与直流电容（2）并联并接入能量转换系统的DC/AC变流器的直流侧，DC/AC变流器的交流侧依次与交流滤波器（4）和隔离/升压变压器（5）连接，所述DC/AC变流器的全部或部分开关器件（3）采用增强栅晶体管器件。本实用新型通过采用IEGT器件替代现有的能量转换系统中的IGBT器件，提高了单台PCS容量和降低了通态损耗，进而提高了PCS效率。

Description

基于IEGT的储能系统

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，具体涉及一种基于增强栅晶体管（Injection Enhanced Gate Transistor，IEGT）的储能系统。

背景技术

储能系统由电池、能量转换系统（Power Conversion System，PCS）、电池管理系统（Battery Management System，BMS）和监控系统组成。能量转换系统是储能系统并网的核心，实现储能系统和电网间能量双向流动，其直接影响着储能系统作用的发挥。PCS可采取的主回路结构主要有DC/AC单级式结构、DC/DC+DC/AC双级式结构、H桥级联多电平结构等。

目前，国内现有的大容量PCS全部采用绝缘栅双极型晶体管器件（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT），直流侧电压范围约为600~900V，交流侧输出电压380V或315V（当交流侧电压输出电压为315V时，需采用升压变压器），单台PCS最大容量为500kW。

虽然IGBT较MOSFET、晶闸管器件有了很大的进步，在驱动功率、开关速度等方面有了较大的改进，然而其缺点也相对明显：（1）IGBT器件耐压、耐流有限，目前普通IGBT最大耐压可以到1200V/1700V水平，集电极工作电流可达1200A，由于受工作电压、电流的限制，国内能生产的PCS单台容量最大为500kW，难以进一步提高；（2）IGBT通态压降较MOSFET有了显著的降低，但仍然较大，较大的通态压降会增大IGBT器件导通状态下的损耗，从而使得现有的基于IGBT器件的PCS运行效率难以提高到满意值，从目前已有的储能系统运行经验，单级式PCS效率理论最大值约为97%，双级式PCS效率最大约为95%。由于IGBT具有的以上缺点，导致现有的PCS单机容量和运行效率方面难以得到进一步提升。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种提高单台PCS容量、降低通态损耗进而提高PCS效率的基于IEGT的储能系统。基于IEGT的PCS系统，可以克服基于IGBT PCS的上述问题。IEGT是耐压达4kV以上的电力电子器件，通过采取增强注入的结构实现了低通态电压，可以使得使大容量电力电子器件取得了飞跃性的发展。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案如下：

基于IEGT的储能系统，包括电池和能量转换系统；所述能量转换系统的主回路结构是DC/AC单级式结构，所述电池采用串并联方式形成电池组，所述电池组与直流电容并联并接入DC/AC变流器的直流侧，DC/AC变流器的交流侧依次与交流滤波器和隔离/升压变压器连接，隔离/升压变压器另一端连接交流电网，所述DC/AC变流器的全部或部分开关器件采用增强栅晶体管器件。

进一步的，所述能量转换系统的DC/AC变流器为三相全桥变流器或二相全桥变流器。

进一步的，为了方便构建不同功率等级的储能系统，本实用新型的基于IEGT的储能系统，还可以采用如下结构：包括电池和能量转换系统；所述能量转换系统的主回路结构是由多个上述的单级式DC/AC结构并联而成。所需的DC/AC单元并联数量可根据系统所需容量及电池并联要求进行设置。 

本实用新型的基于IEGT的储能系统，其能量转换系统的主回路结构还可以采用DC/DC+DC/AC双级式结构；所述电池采用串并联方式形成电池组，所述电池组根据容量分为N组并分别连接在前级DC/DC模块的各个DC/DC转换器上，各电池组电压经前级DC/DC模块变换后汇入直流母线并作为后级DC/AC模块的输入，DC/AC模块的交流侧依次与交流滤波器和隔离/升压变压器连接，隔离/升压变压器另一端连接交流电网，其中的双级式拓扑结构可采用以下三种方式实现：①DC/DC模块的全部或部分开关器件采用增强栅晶体管器件，DC/AC模块的开关器件采用绝缘栅双极型晶体管器件。②DC/DC模块的开关器件采用绝缘栅双极型晶体管器件，DC/AC模块的全部或部分开关器件采用增强栅晶体管器件。③DC/DC模块的全部或部分开关器件采用增强栅晶体管器件，且DC/AC模块的全部或部分开关器件采用增强栅晶体管器件。

进一步的，所述DC/AC模块由两个或两个以上的DC/AC变流器并联而成，以适应不同的容量需要。

与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果是：由于增强栅晶体管利用了“电子注入增强效应”，使之兼有IGBT和GTO两者的优点：低饱和压降，宽安全工作区（吸收回路容量仅为GTO的1/10左右），低栅极驱动功率(比GTO低两个数量级)和较高的工作频率。器件采用平板压接式电极引出结构，可靠性高，性能已经达到4.5kV/3kA的水平。因此，本实用新型由于采用了IEGT器件替代现有的IGBT器件，具备了如下优点：（1）本实用新型储能系统采用IEGT器件代替现有的IGBT器件，可以有效提高交流和直流侧电压耐受能力，进而提高了单台PCS容量；（2）相比IGBT器件，IEGT器件具有更低的饱和电压和通态压降，从而降低了通态损耗，可以提高PCS的效率；（3）本实用新型的储能系统可根据需求采用多种不同拓扑结构的能量转换系统来实现，适用范围广。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的基于IEGT的储能系统结构示意图。

图2是本实用新型实施例2的基于IEGT的储能系统结构示意图。

图3是本实用新型实施例3的基于IEGT的储能系统结构示意图。

图4是本实用新型储能系统的PCS并网时DC/AC双环控制框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，为本实用新型的基于IEGT的储能系统的结构示意图，包括电池、能量转换系统、电池管理系统和监控系统。电池、电池管理系统和监控系统为通用技术，不做赘述。本实用新型主要是针对能量转换系统的改进。本实施例中的能量转换系统的主回路结构采用的是DC/AC单级式结构，具体结构为：电池采用串并联方式形成电池组1，电池组1与直流电容2并联并接入DC/AC变流器的直流侧，DC/AC变流器的交流侧依次与交流滤波器4和隔离/升压变压器5连接，隔离/升压变压器5另一端连接交流电网或直接作为负载功能，DC/AC变流器的全部或部分开关器件3采用增强栅晶体管器件。

能量转换系统的DC/AC变流器为三相全桥变流器或二相全桥变流器。本实施例采用的是三相三线制系统，本实用新型可以进一步扩展到三相四线制系统和单相系统中，下面的实施例也是如此。

实施例2

为了方便构建不同功率等级的储能系统，本实用新型的基于IEGT的储能系统，还可采用如下结构：基本结构和实施例1相同，区别只是，本实施例的储能系统的能量转换系统的主回路结构是由多个实施例1的单级式DC/AC结构并联而成。其结构如图2所示。其中所需的DC/AC单元并联数量可根据系统所需容量及电池并联要求进行设置。 

实施例3

本实施例结构与实施例1类似，区别仅在于，能量转换系统的主回路结构采用DC/DC+DC/AC双级式结构；电池采用串并联方式形成电池组，电池组根据容量分为N组并分别连接在前级DC/DC模块的各个DC/DC转换器上，各电池组电压经前级DC/DC模块变换为统一的直流电压后汇入直流母线并作为后级DC/AC模块的输入，DC/AC模块的交流侧依次与交流滤波器4和隔离/升压变压器5连接，隔离/升压变压器5另一端连接交流电网，其中的双级式拓扑结构可采用以下三种方式实现：①DC/DC模块的全部或部分开关器件采用增强栅晶体管器件，DC/AC模块的开关器件采用绝缘栅双极型晶体管器件。②DC/DC模块的开关器件采用绝缘栅双极型晶体管器件，DC/AC模块的全部或部分开关器件采用增强栅晶体管器件。③DC/DC模块的全部或部分开关器件采用增强栅晶体管器件，且DC/AC模块的全部或部分开关器件采用增强栅晶体管器件。

进一步的，DC/AC模块由两个或两个以上的DC/AC变流器并联而成，以适应不同的容量需要。

本实用新型的两种应用方式的控制方式分别为：

一、与交流电网并网。图4是所述能量转换系统与交流电网并网运行时，DC/AC双环控制框图， DC/AC逆变器采用电网电压定向矢量控制，双闭环结构，外环为电压环，内环为电流环，基于dq坐标下实现P、Q解耦控制和直流母线电压控制；采用电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）方法控制DC/AC逆变器开关器件的通断。

二、独立带载运行。所述储能双向换流器脱离交流电网，独立带负载运行时， DC/AC 逆变器为交流母线提供恒定的电压和频率参考，采用电压的有效值闭环控制来实现DC/AC逆变器出口经滤波器后的端电压幅值和频率保持恒定。

本实用新型的DC/AC变流器具备完备的保护功能，满足各种故障情况下设备自身的安全。在接收到蓄电池过充、过放及过温等告警信息时，将降低电池充放电电流或停止充放电，保护电池组的安全。各蓄电池支路控制功能与保护功能完全独立配置，保证系统的最大可用性。

本实用新型的储能系统，在高压大容量PCS实现方案中，还可采用多电平拓扑结构，包括H桥级联型、二极管箝位型、飞跨电容型等结构。而并不限于上述实施例中的DC/AC单级式结构、DC/DC+DC/AC双级式结构和多个单级式DC/AC模块并联结构。本实用新型的核心思想是使用采用IEGT器件代替现有技术中的IGBT器件，并运用于储能系统中多种不同的能量转换系统中，进而形成多种不同电路结构的储能系统。

本实用新型结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本实用新型保护范围的限制，相反，任何基于本实用新型的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于IEGT的储能系统，包括电池和能量转换系统；所述能量转换系统的主回路结构是DC/AC单级式结构，所述电池采用串并联方式形成电池组（1），所述电池组与直流电容（2）并联并接入能量转换系统的DC/AC变流器的直流侧，DC/AC变流器的交流侧依次与交流滤波器（4）和隔离/升压变压器（5）连接，其特征在于，所述DC/AC变流器的全部或部分开关器件（3）采用增强栅晶体管器件。

2.根据权利要求1所述的基于IEGT的储能系统，其特征在于，所述能量转换系统的DC/AC变流器为三相全桥变流器或二相全桥变流器。

3.基于IEGT的储能系统，包括电池和能量转换系统；所述能量转换系统的主回路结构是DC/DC+DC/AC双级式结构；所述电池采用串并联方式形成电池组（1），所述电池组根据容量分为N组并分别连接在前级DC/DC模块的各个DC/DC转换器上，各电池组（1）电压经前级DC/DC模块变换后汇入直流母线并作为后级DC/AC模块的输入，DC/AC模块的交流侧依次与交流滤波器（4）和隔离/升压变压器（5）连接，其特征在于，DC/DC模块的全部或部分开关器件采用增强栅晶体管器件，DC/AC模块的开关器件采用绝缘栅双极型晶体管器件。

4.根据权利要求3所述的基于IEGT的储能系统，其特征在于，所述DC/AC模块由两个或两个以上的DC/AC变流器并联而成。

5.基于IEGT的储能系统，包括电池和能量转换系统；所述能量转换系统的主回路结构是DC/DC+DC/AC双级式结构；所述电池采用串并联方式形成电池组（1），所述电池组根据容量分为N组并分别连接在前级DC/DC模块的各个DC/DC转换器上，各电池组（1）电压经前级DC/DC模块变换后汇入直流母线并作为后级DC/AC模块的输入，DC/AC模块的交流侧依次与交流滤波器（4）和隔离/升压变压器（5）连接，其特征在于，DC/DC模块的开关器件采用绝缘栅双极型晶体管器件，DC/AC模块的全部或部分开关器件采用增强栅晶体管器件。

6.根据权利要求5所述的基于IEGT的储能系统，其特征在于，所述DC/AC模块由两个或两个以上的DC/AC变流器并联而成。

7.基于IEGT的储能系统，包括电池和能量转换系统；所述能量转换系统的主回路结构是DC/DC+DC/AC双级式结构；所述电池采用串并联方式形成电池组（1），所述电池组根据容量分为N组并分别连接在前级DC/DC模块的各个DC/DC转换器上，各电池组（1）电压经前级DC/DC模块变换后汇入直流母线并作为后级DC/AC模块的输入，DC/AC模块的交流侧依次与交流滤波器（4）和隔离/升压变压器（5）连接，其特征在于，DC/DC模块的全部或部分开关器件采用增强栅晶体管器件，且DC/AC模块的全部或部分开关器件采用增强栅晶体管器件。

8.根据权利要求7所述的基于IEGT的储能系统，其特征在于，所述DC/AC模块由两个或两个以上的DC/AC变流器并联而成。

9.基于IEGT的储能系统，包括电池和能量转换系统；所述能量转换系统的主回路结构是由多个权利要求1所述的单级式DC/AC结构并联而成。

10.根据权利要求9所述的基于IEGT的储能系统，其特征在于，所述能量转换系统的DC/AC变流器为三相全桥变流器或二相全桥变流器。

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