CN203398798U - 大功率储能变流器及其主电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种大功率储能变流器及其主电路，该变流器主电路包括一个双向AC/DC变流模块，该双向AC/DC变流模块由两个三相全桥IGBT功率变换单元并联组成，所述双向AC/DC变流模块的交流侧用于连接电网，直流侧用于连接储能介质。采用一级变换代替传统的两级变换，解决了现有大功率储能变流器采用两级变换的制造成本高、控制复杂、可靠性低的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种大功率储能变流器及其主电路。
背景技术
电源结构和用电特征的变化，使电力系统对储能技术的需求加大，可再生能源发电的分布式发电技术已成为我国能源领域的发展重点，但风能和太阳能等可再生能源发电具有不稳定和不连续的特点，属于不稳定能源，受自然条件、控制系统的影响很大，特别是存在高峰负荷时期新能源电场可能出力很小，而非高峰负荷时期新能源电场可能出力很大的问题。电力系统对用户的电能供应必须时刻处于平衡状态下，用户需要多少电力，电厂和电网就得供给多少电力，既不能多，也不能少，一旦这平衡遭到破坏，轻则电能质量恶化，造成频率和电压不稳，重则引发大规模停电事故。
为了平衡发电和用电之间的偏差就需要平衡功率，储能系统则可以通过在负荷非高峰时期储存能量，而在负荷高峰时期释放能量，使新能源电场系统运行得更加高效经济，大规模分布式储能技术则可以很好的解决风能、太阳能发电功率波动引发的相关问题。作为负荷平衡装置和备用电源，储能系统也是智能电网和分布式能源系统必需的关键技术，用于解决其故障率高、系统容量小、负荷波动大等问题。可以说，储能技术是新能源产业革命的核心，没有储能技术的发展，就不可能有可再生能源的大规模应用和发展。
大功率储能变流器是储能系统的重要组成部分，主要由开关设备、三相高频IGBT换流器、工频变压器（通过变压器升压，直流侧有较宽的直流电压范围，有利于电池成组，并通过改变变压器的变比可适应多种电压等级的电网应用)、控制单元等构成。在储能工作状态下，储能变流器接收站级监控指令控制设备对储能介质充电；在放电工作状态下，储能变流器接收站级监控指令控制设备通过储能介质向电网放电，以实现削峰填谷的功能，同时也可用作局域网的后备应急电源，并网时通过储能变流器对储能介质充电储存能量，离网后储能介质通过储能变流器对局域网络放电提供电源支撑。
大功率储能变流器主要针对于应用在MW级及以上的储能系统上，MW级及以上的储能系统通常采用分布式并网设计方案，以1MW×nh为基本单元，每个单元内部由两套500kW储能变流器及连接的储能介质及其管理系统构成，其中每台500kW储能变流器通过隔离变压器接入0.4kV或10kV交流电网，储能变流器直流侧连接储能介质根据工程需要配置，可构成不同容量的1WM×nh级储能系统。
现有的储能变流器技术中，较多采用光伏逆变器改制而成，存在以下问题：1）光伏逆变器是单向能量变换装置，仅能够实现从光伏（直流源）到电网的能量单向流动；2）逆变器和变流器的控制模式差异较大；3）在运行充电模式时，因光伏逆变器直流侧缺少滤波电路，可能会因直流纹波较大导致储能介质的使用寿命大幅下降。还有部分设计采用的是两级变换的主电路拓扑结构，采用两级变换时，如果单机做到大功率或超大功率时就存在制造成本大幅上升和控制保护更加复杂的问题，可靠性低。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种大功率储能变流器及其主电路，用以解决现有大功率储能变流器采用两级变换的制造成本高、控制复杂、可靠性低的问题。
为实现上述目的，本实用新型的方案是：一种大功率储能变流器主电路，包括一个双向AC/DC变流模块，该双向AC/DC变流模块由至少两个三相全桥IGBT功率变换单元并联组成，所述双向AC/DC变流模块的交流侧用于连接电网，直流侧用于连接储能介质。
各所述三相全桥IGBT功率变换单元的交流侧均连接有LCL滤波器，并联后的直流输出侧连接一个CL滤波器，各所述LCL滤波器共用一组电感和一组电容。
所述双向AC/DC变流模块的交流侧还设有交流EMI滤波器，直流侧设有直流EMI滤波器。
所述三相全桥IGBT功率变换单元的直流侧还连接有直流母线电容。
本实用新型还提供一种大功率储能变流器，包括储能变流器主电路和储能控制器，所述储能控制器设有用于控制IGBT阀的光纤触发及检测端口、用于连接储能介质管理系统的通讯端口和用于连接站级监控的通讯端口，所述储能变流器主电路包括一个双向AC/DC变流模块，该双向AC/DC变流模块由两个三相全桥IGBT功率变换单元并联组成，所述双向AC/DC变流模块的交流侧用于连接电网，直流侧用于连接储能介质，所述光线触发与检测端口与所述双向AC/DC模块连接。
各所述三相全桥IGBT功率变换单元的交流侧均连接有LCL滤波器，并联后的直流输出侧连接一个CL滤波器，各所述LCL滤波器共用一组电感和一组电容。
所述双向AC/DC变流模块的交流侧还设有交流EMI滤波器，直流侧设有直流EMI滤波器。
在所述三相全桥IGBT功率变换单元的直流侧还连接有直流母线电容。
本实用新型达到的有益效果：本实用新型的变流器主电路包括一个双向AC/DC变换模块，由两个三相全桥IGBT功率变换单元并联组成，实现了大功率的能量转换，同时，本实用新型采用一级变换代替两级变换，降低了制造成本，而且只需要控制AC/DC变流模块的IGBT触发导通实现充放电功能，控制过程更加简单，也更易于工程实现。
本实用新型的变流器主电路在双向AC/DC变换模块的交流侧设有LCL滤波器，直流侧设有CL滤波器，交流侧LCL滤波器可以大大降低交流侧高频谐波电流，同时还可以减小电网参数对装置的影响，提高装置的可靠性；直流侧CL滤波器可以滤除直流电流中的高频成分，减小输出电流和电压的纹波，提高储能介质的使用寿命。因此，LCL滤波器和CL滤波器的综合应用，不仅实现了交流侧的电能质量指标和功率输出，还取得了直流侧低纹波性能指标。
本实用新型的变流器主电路在双向AC/DC变换模块的交流侧和直流侧分别设有EMI滤波器，交流侧EMI滤波器不仅可以抑制电网中的高频干扰对装置的影响，还可以抑制装置对电网的干扰；直流侧EMI滤波器可以减小直流侧的共模干扰，提高装置的稳定性。
附图说明
图1是本实用新型储能变流器主电路拓扑结构图；
图2是本实用新型储能系统结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。
变流器主电路实施例：
本实用新型的变流器主电路包括一个双向AC/DC变流模块，该双向AC/DC变流模块由两个三相全桥IGBT功率变换单元并联组成，所述双向AC/DC变流模块的交流侧用于连接电网，直流侧用于连接储能介质。
如图1所示，本实用新型的储能变流器主电路包括交流侧LCL滤波器、两个并联的IGBT功率变换单元、直流侧CL滤波器、交流EMI滤波器以及直流EMI滤波器，储能变流器交流侧用于通过隔离变压器接入0.4kV或10kV交流电网，储能变流器直流侧用于连接储能介质。当储能介质充电时，IGBT功率变换单元将网侧交流电整流成直流电给储能介质充电；当储能介质放电时，IGBT功率变换单元则将直流电逆变成交流回馈到电网，充电和放电之间的转换可在200ms内实现。
三只半桥IGBT桥臂中点依次串联电抗器1HLa、1HLb、1HLc后，组成一个三相全桥电路，与另一个相同的三相全桥电路进行并联，在每个IGBT功率单元的直流侧均安装有直流母线电容，本实施例中，采用叠层平面母线连接IGBT和直流母线电容，各IGBT分别对应安装在一个散热器上，IGBT驱动板选用Concept驱动板2SP0320x2Ax-FF1400R12IP4，该驱动板集驱动、隔离、保护于一体，可直接安装在IGBT，IGBT驱动板通过光纤与储能变流器的控制器进行联络，PWM光触发信号直接送至IGBT驱动板，IGBT反馈的故障信号亦通过光纤直接反馈给相应的控制器以实现快速闭锁；电抗器1HLa、1HLb、1HLc以及2HLa、2HLb、2HLc可有效改善均流效果并具有环流抑制和滤波的双重作用，考虑到电抗器1.2倍过载可长期运行，三相逆变桥直流输出侧电抗器HLdc选用550A的电抗器，交流侧电抗器1HLa、1HLb、1HLc以及2HLa、2HLb、2HLc采用1100A的三相电抗器。
交流侧LCL滤波器可以大大降低交流侧高频谐波电流，同时还可以减小电网参数对装置的影响，提高装置的可靠性；交流侧EMI滤波器不仅可以抑制电网中的高频干扰对装置的影响，还可以抑制装置对电网的干扰；直流侧CL滤波器可以滤除直流电流中的高频成分，减小输出电流和电压的纹波，提高储能介质的使用寿命；直流侧EMI滤波器可以减小直流侧的共模干扰，提高装置的稳定性。
LCL滤波器的设计依据：
（1）要保证滤波电容对高频纹波电流的旁路效果，容抗XC必须小于网侧电感感抗的20%；
（2）LCL滤波器总的电感所产生阻抗压降小于正常额定工作情况下电网电压10%；
（3）为了不使LCL滤波器谐振点出现在高频或者低频段，所以设计LCL滤波器的谐振频率应该大于电网频率的10倍，小于开关频率的1/2。
直流侧滤波器设计依据：
（1）根据充放电转换时间：由于交流侧电流环动态特性远大于CL滤波器时间常数，因此充放电转换时间主要取决于CL滤波器时间常数，根据CL滤波器时间常数的计算公式
其中，Ldc为直流电感值，Cdc为直流母线电容，由于Cdc已知，因此可以求解出直流电感值Ldc；
（2）根据电池电流纹波：由于直流母线电压波动产生电池电流纹波，
其中，Dudc为直流母线电压值，Dibat为直流母线电流值，由此可以求出直流电感值。
储能变流器实施例：
本实用新型的储能变流器包括储能变流器主电路和储能控制器，所述储能控制器设有用于控制IGBT阀的光纤触发及检测端口、用于连接储能介质管理系统的通讯端口和用于连接站级监控的通讯端口，所述储能变流器主电路包括一个双向AC/DC变流模块，该双向AC/DC变流模块由两个三相全桥IGBT功率变换单元并联组成，所述双向AC/DC变流模块的交流侧用于连接电网，直流侧用于连接储能介质，所述光线触发与检测端口与所述双向AC/DC模块连接。
如图2所示，储能控制器通过LAN通讯接口接收后台控制指令，根据功率指令的符号及大小控制IGBT功率变换单元对储能介质进行充电或放电，实现对电网有功功率及无功功率的调节；储能控制器通过CAN接口与储能介质管理系统通讯，获取储能介质状态信息，可实现对储能介质的保护性充放电，确保储能介质运行安全。人机单元通过以太网对储能介质进行就地监控通讯，完成储能介质的标定、均衡等功能，储能变流器也可采集电网信息，参与电网的电压/无功控制，实现防孤岛保护，或作为应急电源使用等功能。
储能变流器主电路具体实施过程与上述储能变流器主电路实施例相同，在此不再赘述。
Claims (8)
1.一种大功率储能变流器主电路，其特征在于，包括一个双向AC/DC变流模块，该双向AC/DC变流模块由至少两个三相全桥IGBT功率变换单元并联组成，所述双向AC/DC变流模块的交流侧用于连接电网，直流侧用于连接储能介质。
2.根据权利要求1所述的大功率储能变流器主电路，其特征在于，各所述三相全桥IGBT功率变换单元的交流侧均连接有LCL滤波器，并联后的直流输出侧连接一个CL滤波器，各所述LCL滤波器共用一组电感和一组电容。
3.根据权利要求1所述的大功率储能变流器主电路，其特征在于，所述双向AC/DC变流模块的交流侧还设有交流EMI滤波器，直流侧设有直流EMI滤波器。
4.根据权利要求1所述的大功率储能变流器主电路，其特征在于，所述三相全桥IGBT功率变换单元的直流侧还连接有直流母线电容。
5.一种大功率储能变流器，包括储能变流器主电路和储能控制器，所述储能控制器设有用于控制IGBT阀的光纤触发及检测端口、用于连接储能介质管理系统的通讯端口和用于连接站级监控的通讯端口，其特征在于，所述储能变流器主电路包括一个双向AC/DC变流模块，该双向AC/DC变流模块由两个三相全桥IGBT功率变换单元并联组成，所述双向AC/DC变流模块的交流侧用于连接电网，直流侧用于连接储能介质，所述光线触发与检测端口与所述双向AC/DC模块连接。
6.根据权利要求5所述的大功率储能变流器，其特征在于，各所述三相全桥IGBT功率变换单元的交流侧均连接有LCL滤波器，并联后的直流输出侧连接一个CL滤波器，各所述LCL滤波器共用一组电感和一组电容。
7.根据权利要求5所述的大功率储能变流器，其特征在于，所述双向AC/DC变流模块的交流侧还设有交流EMI滤波器，直流侧设有直流EMI滤波器。
8.根据权利要求5所述的大功率储能变流器，其特征在于，在所述三相全桥IGBT功率变换单元的直流侧还连接有直流母线电容。
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| CN201320372744.7U CN203398798U (zh) | 2013-06-26 | 2013-06-26 | 大功率储能变流器及其主电路 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN103812378A (zh) * | 2014-02-14 | 2014-05-21 | 福州开发区星云电子自动化有限公司 | 一种多通道能量双向型电池测试设备 |
| CN104333242A (zh) * | 2014-10-09 | 2015-02-04 | 许继电气股份有限公司 | 一种光伏并网逆变器测试用大功率直流源 |
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