CN204258322U - 一种储能电压平衡电力电子电能变换系统 - Google Patents

一种储能电压平衡电力电子电能变换系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供一种储能电压平衡电力电子电能变换系统，包括储能模组、电压平衡变换器、电网侧逆变器、电网负荷、储能侧逆变器和独立负荷。通过对高频软开关的电压平衡变换器的控制，实现储能模组的均衡控制、延长储能设备的使用寿命并降低使用成本，同时，为电网侧逆变器提供多路隔离直流电压。通过该电能变换系统对储能模组进行充放电，实现储能模组与电网的电气隔离，并与电网形成互动，实现消峰填谷、谐波治理和无功补偿。本实用新型通过模块化设计实现，具有电网和储能侧电气隔离、控制简单、体积小、效率高和成本低等特点。

Description

一种储能电压平衡电力电子电能变换系统
技术领域
本实用新型涉及一种储能电压平衡电力电子电能变换系统，特别是储能系统中储能单元串联成组后的电压平衡系统及其充放电变换系统，尤其适用于电动车辆、储能系统、不间断电源UPS、通信电源和消费类电子产品中串联储能模组的电压平衡和与电网连接的充放电变换，也可扩展应用于通过储能单元串联实现的直流变换系统。
背景技术
随着清洁环保的二次能源电能的广泛应用，电能的存储变得越来越重要，电能存储不仅可为用电设备提供后备的不间断电能，保障用电设备供电安全，也可调节电网的峰值负荷，实现消峰填谷，保障电力的高效传输和低成本利用。目前，可实现电能存储的方式主要有电容储能（如电解电容和超级电容器等）、化学储能（如锂离子电池、钠流电池、液流电池和燃料电池等）等，因构成储能模块的单个储能单体（ESC－Energy Storage Cell）具有输出电压等级低、容量小等不足，为满足实际应用需要，通过将多个储能单体进行并联形成储能单元(ESU－Energy Storage Unit)，将储能单元（单体）串联形成储能模块（ESM－Energy Storage Module），从而增加储能输出电压等级和存储容量。然而，由于储能单体在材料、生产工艺、使用环境和温度等方面存在差异，并在使用过程中储能单体的老化，导致储能单体的输出电压、内部阻抗和容量等特征参数出现不一致，这直接影响串联成组后储能模块的使用容量、寿命和安全等性能，也限制了储能模块的输出电压等级。因此，为提高储能模块的输出电压等级和使用性能，满足用电负荷的需要，同时实现与电网的高效互动，迫切需要储能单元或储能模块串联后实现其电压平衡和与电网对接实现互动的电力电子电能变换系统。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种储能电压平衡电力电子电能变换系统，实现储能单元串联后的电压平衡，并对储能模组进行充放电，实现储能模组与电网的电气隔离，并与电网形成互动，实现消峰填谷、谐波治理和无功补偿。通过高频软开关电压平衡变换器对储能模组进行均衡控制、延长储能设备的使用寿命并降低使用成本。
为解决以上问题，本实用新型采用如下技术方案，本方案所述功率开关均为功率半导体开关器件，分为二极管、MOSFET、IGBT、IGCT、GTO和晶闸管等，或者上述器件通过串并联复合而成的功率开关器件。
一种储能电压平衡电力电子电能变换系统，包括储能模组、电压平衡变换器、电网侧逆变器、电网负荷、储能侧逆变器和独立负荷，其特征在于：
N个所述储能模组串联后通过导线连接在储能侧逆变器的直流母线上，每个储能模组通过多路导线与电压平衡变换器的多路原边直流端口连接；所述电压平衡变换器，其副边直流端口通过多路导线与电网侧逆变器的多路输入直流端口连接；所述电网侧逆变器，其输出侧通过单相或者三相电力导线，经过开关SW1和开关SW2与电网相连；所述电网负荷连接到开关SW1和开关SW2之间；所述储能侧逆变器，其直流侧通过电力导线直接与串联后的储能模组输出端相联，其通过单相或多相电力导线与独立负荷进行连接。
如上所述的储能电压平衡电力电子电能变换系统，其特征在于，所述电压平衡变换器由N路相同配置的独立电压平衡变换器并联构成，N路独立电压平衡变换器的每路原边直流端口一对一并联并形成M路原边直流端口，N路独立电压平衡变换器的每路副边直流端口一对一并联并形成L路副边直流端口。
如上所述的储能电压平衡电力电子电能变换系统，其特征在于，所述独立电压平衡变换器，包括原边M路串联的半桥或全桥电路，副边L路相互之间隔离的半桥或全桥电路，多绕组高频变压器Tx，以及变压器Tx原副边高频电感Lsx；半桥或全桥电路将直流变换成高频交流，通过高频变压器传输到另一路半桥或全桥电路，经整流将高频交流转换成直流；高频变压器Tx原副边所有绕组绕制在一个磁芯，并共用一个磁路。
如上所述的储能电压平衡电力电子电能变换系统，其特征在于：
所述原边或副边的半桥电路的电路结构为电容C 1x和电容C 2x串联后与直流滤波电容C dc并联，并与直流侧并联，功率开关SHB1和功率开关SHB2串联后与直流侧并联，电容串联的中点N与功率开关串联的中点P作为交流侧输出端；
所述原边或副边的全桥电路的电路结构为直流侧并入直流滤波电容C dc，功率开关SFB1和功率开关SFB2、以及功率开关SFB3和功率开关SFB4分别串联后并入直流母线，电容C rs一端串联功率开关SFB3和功率开关SFB4串接的中点O，另一端形成交流侧输出端P，功率开关SFB1和功率开关SFB2串接的中点N作为交流侧另一输出端。
如上所述的储能电压平衡电力电子电能变换系统，其特征在于，所述储能模组，由多个储能子模组串联构成；储能子模组分为储能单元、储能模块和自平衡储能模块三种；储能单元由多个储能单体并联构成；储能模块由多个储能单元串联构成。
如上所述的储能电压平衡电力电子电能变换系统，其特征在于，所述自平衡储能模块由n个储能子模块和n个自平衡储能模块电压平衡变换器构成；自平衡储能模块电压平衡变换器的原边和副边采用半桥电路；每个储能子模块由m个储能单元串联，并与带有m组原边直流端口的自平衡储能模块电压平衡变换器直接并联；n个自平衡储能模块电压平衡变换器副边的一路电压平衡端口直接并联，并为自平衡储能模块的内部负载提供直流电，内部负载包括冷却装置、控制器、显示器和传感器。
如上所述的储能电压平衡电力电子电能变换系统，其特征在于，所述电网侧逆变器，包括直流侧电压配置模块和逆变器模块；直流侧电压配置模块的特征在于，M组电压平衡变换器的所有直流输出通过电气互连，形成满足电网侧逆变器要求的直流配置端口；逆变器模块为两电平逆变器，三电平逆变器和级联逆变器；两电平逆变器的特征在于，多个半桥电路并联在带电容Cdc的直流母线上，每个半桥输出端经由低通滤波与电网相连；三电平逆变器的特征在于，多个三电平桥式电路并联在由电容Cdc1x和电容Cdc2x串联的直流母线上，电容Cdc1x和电容Cdc2x的连接点N直接并联，每个三电平桥式电路输出端经由低通滤波与电网相连，电容的一端与直流母线中点连接点N相连；级联逆变器由多个单相级联逆变器共用端子Nn构成。
如上所述的储能电压平衡电力电子电能变换系统，其特征在于，所述单相级联逆变器由n个全桥逆变器级联构成，与电网连接侧串联的电感L grid和抑制谐振的电阻R；每个全桥逆变器包括功率开关SFB1、功率开关SFB2、功率开关SFB3和功率开关SFB4，滤波电感L a和滤波电容C；功率开关SFB1和功率开关SFB2，功率开关SFB3和功率开关SFB4分别串联后并联接入直流侧，高频滤波电容Cdc也并联接入直流侧；四个功率开关的连接中点O和连接中点Q与滤波电感L a的两端相连，滤波电感L a的另两端连接到端子P和端子N，滤波电容C也与端子P、端子N连接；滤波电感L a分为两个绕组，且同名端相反，并绕制在一个磁路上；多个全桥逆变模块的交流输出侧的端子Px和端子Nx形成级联，实现多模块交流侧串联；抑制谐振电阻R与电感L grid串联后一端与端子P1相连，另一端与端子PGrid连接，端子PGrid与端子Nn一同接入电网。
如上所述的储能电压平衡电力电子电能变换系统，其特征在于，所述储能侧逆变器为两电平逆变器和三电平逆变器；所述独立负荷为交直流负载和交直流电源。
本实用新型的有益效果是：储能电压平衡电力电子电能变换系统，不仅实现串联储能模组的电压平衡，而且可与电网形成互动，通过对储能模组的充电和放电，实现消峰填谷、谐波治理和无功补偿，并为电网关键负荷提供后备电源；通过电压平衡变换器实现了储能模组与电网侧的电气隔离，系统具有电能转换效率高，控制简便等特点。电压平衡变换器可实现高频软开关，具有转换效率高、可靠性好、体积小、重量轻和成本低等特点，可快速实现各个储能模组的电压平衡，具有高稳定的静态电压平衡性能和快速的动态电压平衡性能。当串联的某一个或多个储能模组故障，与电压平衡变换器断开后，电压平衡变换器仍能正常工作，并维持系统工作状态不变。电压平衡变换器，通过N路并联的独立电压平衡变换器的移相控制，减小电压平衡变换器的输入输出电流纹波；电压平衡变换器可提高系统的可靠性，实现故障的独立电压平衡变换器在线更换，实现即插即用；同时，根据运行状态，优化投入运行的并联独立电压平衡变换器数量，提高系统运行效率。通过对电压平衡变换器的副边直流侧进行并联连接，可实现多个串联储能模组之间的电压平衡，同时提供副边其它隔离直流侧的电压平衡，为电网侧逆变器提供隔离直流和平衡电压。
附图说明
图1是本实用新型所示的储能电压平衡电力电子电能变换系统结构图。
图2是本实用新型所示的储能模组与电压平衡变换器连接结构图。
图3是本实用新型所示的独立电压平衡变换器电路结构图。
图4是本实用新型所示的独立电压平衡变换器中的半桥电路结构图。
图5是本实用新型所示的独立电压平衡变换器中的全桥电路结构图。
图6是本实用新型所示的电压平衡变换器结构图。
图7是本实用新型所示的自平衡储能模块结构图。
图8是本实用新型所示的电网侧逆变器结构图。
图9是本实用新型所示的两电平逆变器结构图。
图10是本实用新型所示的三电平逆变器结构图。
图11是本实用新型所示的级联逆变器结构图。
图12是本实用新型所示的单相级联逆变器结构图。
图13是本实用新型所示的单相级联逆变器的全桥逆变器结构图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式，结合附图对本实用新型作进一步说明。
参见图1，本实施例中，一种储能电压平衡电力电子电能变换系统，基于模块化设计，包括储能模组、电压平衡变换器、电网侧逆变器、电网负荷、储能侧逆变器和独立负荷。N个储能模组串联后满足储能侧逆变器的直流电压要求，每个储能模组通过多路导线与电压平衡变换器的多路原边直流端口连接；电压平衡变换器的副边直流端口通过多路导线与电网侧逆变器的多路输入直流端口连接；电网侧逆变器的输出侧通过单相或者三相电力导线，经过开关SW1和开关SW2与电网相连；电网负荷连接到开关SW1和开关SW2之间；当两个开关全开通时，电网侧逆变器可向电网输送电能，亦可通过电网向储能模组充电。当电网故障时，开关SW2断开，开关SW1闭合，储能系统向电网负荷供电，提供后备电源支撑。储能侧逆变器直流侧直接与串联后的储能模组并联，并通过单相或多相电力导线与独立负荷进行连接。
参见图2，本实施例中，储能模组与电压平衡变换器连接结构，储能模组由M个储能子模组串联构成；电压平衡变换器采用一路独立电压平衡变换器，其原边M个直流端口分别与M个储能子模组的直流端口直接并联；电压平衡变换器的所有L路副边输出直流端口为电网侧逆变器提供隔离直流。储能子模组分为储能单元、储能模块和自平衡储能模块三种；储能单元由多个储能单体并联构成；储能模块由多个储能单元串联构成。
参见图3，本实施例中，独立电压平衡变换器包括原边M路相互之间隔离的半桥或全桥电路，副边L路相互之间隔离的半桥或全桥电路，多绕组高频变压器Tx，以及变压器Tx原副边高频电感Lsx；半桥或全桥电路将直流变换成高频交流，通过高频变压器传输到另一路半桥或全桥电路，经整流将高频交流转换成直流；高频变压器Tx原副边M+L个绕组绕制在一个磁芯，并共用一个磁路。原边各绕组变比为根据储能模块的电压变比进行设置，副边各绕组变比可根据实际需要选择升压或降压。高频电感Lsx用来调整原副边电路阻抗，保证原边或副边任意两路交流端口之间的阻抗相同。高频电感在满足电感值精度的情况下可直接利用变压器的漏感，也可采用外接分立电感。
参见图4，本实施例中，独立电压平衡变换器中原边或副边的半桥电路，其电路结构为电容C 1x和电容C 2x串联后与直流滤波电容C dc并联，并与直流侧并联，功率开关SHB1和功率开关SHB2串联后与直流侧并联，电容串联的中点N与功率开关串联的中点P作为交流侧输出端。
参见图5，本实施例中，独立电压平衡变换器中原边或副边的全桥电路，其电路结构为直流侧并入直流滤波电容C dc，功率开关SFB1和功率开关SFB2、以及功率开关SFB3和功率开关SFB4分别串联后并入直流母线，电容C rs一端串联功率开关SFB3和功率开关SFB4串接的中点O，另一端形成交流侧输出端P，功率开关SFB1和功率开关SFB2串接的中点N作为交流侧另一输出端。
参见图6，本实施例中，电压平衡变换器由N路相同配置的独立电压平衡变换器并联构成，N路独立电压平衡变换器的每路原边直流端口一对一并联并形成M路原边直流端口，N路独立电压平衡变换器的每路副边直流端口一对一并联并形成L路副边直流端口。通过并联提高电压平衡变换器传输功率等级，减少其输入输出电流的纹波，同时减小其高频滤波电容的容值与体积。通过并联实现电压平衡变换器的冗余备份，提高系统的可靠性，同时当某一路并联的独立电压平衡变换器出现故障后，可实现在线运行更换，并即插即用。根据传输功率的大小，通过封锁独立电压平衡变换器的驱动信号，在线调整实际投入运行的独立电压平衡变换器数量，提高电压平衡变换器的运行效率。当电压平衡变换器有n个独立电压平衡变换器投入运行时，每个运行的独立电压平衡变换器的驱动信号相互移相π/n，从而减小电压平衡变换器的输出电流纹波。
参见图7，本实施例中，自平衡储能模块由n个储能子模块和n个自平衡储能模块电压平衡变换器构成；自平衡储能模块电压平衡变换器的原边和副边采用半桥电路；每个储能子模块由m个储能单元串联，并与带有m组原边直流端口的自平衡储能模块电压平衡变换器直接并联；n个自平衡储能模块电压平衡变换器副边的一路电压平衡端口直接并联，并为自平衡储能模块的内部负载提供直流电，内部负载包括冷却装置、控制器、显示器和传感器。
参见图8，本实施例中，电网侧逆变器包括直流侧电压配置模块和逆变器模块。直流侧电压配置模块将N组电压平衡变换器的所有副边直流端口通过电气互连，形成满足逆变器模块要求的直流端口。N组电压平衡变换器中至少有一路副边直流端口直接进行并联，实现N组储能模组的电压平衡；或者，通过逆变器模块的电压调节，实现N组电压平衡变换器副边直流端口的电压平衡，从而实现N组储能模组的电压平衡。N组电压平衡变换器的所有副边直流端口可并联成一个直流端口，或者所有副边直流端口分组串联再并联，满足两电平逆变器直流母线对直流端口的配置要求。为满足三电平逆变器直流母线对直流端口的配置要求，将电压平衡变换器的所有副边直流端口分两组并联后再串联，形成两个串联直流端口。为满足级联逆变器直流母线对直流端口的配置要求，分组并联成m路隔离直流端口。逆变器模块分为两电平逆变器，三电平逆变器和级联逆变器。两电平逆变器结构如图9所示，多个半桥电路并联在带电容Cdc的直流母线上，每个半桥电路输出端经由L－C－R－L低通滤波与电网相连。三电平逆变器结构如图10所示，多个三电平桥式电路并联在由电容Cdc1x和电容Cdc2x串联的直流母线上，电容Cdc1x和电容Cdc2x的连接点N直接并联，每个三电平桥式电路输出端经由L－C－R－L低通滤波与电网相连，低通滤波的公共端与连接点N相连。级联逆变器结构如图11所示，级联逆变器由N个单相级联逆变器共用端子Nn构成。
参见图12，本实施例中，单相级联逆变器由n个全桥逆变器级联构成，与电网连接侧串联电感L grid和抑制谐振的电阻R。单相级联逆变器中的全桥逆变器结构，如图13所示，每个全桥逆变器包括功率开关SFB1、功率开关SFB2、功率开关SFB3和功率开关SFB4，滤波电感L a和滤波电容C，功率开关SFB1和功率开关SFB2、功率开关SFB3和功率开关SFB4分别串联后并联接入直流侧，高频滤波电容Cdc也并联接入直流侧。四个功率开关的连接中点O和连接中点Q与滤波电感L a的两端相连，滤波电感L a的另两端连接到端子P和端子N，电容C也与端子P、端子N连接。滤波电感L a分为两个绕组，且同名端相反，并绕制在一个磁路上，可同时实现共模抑制和差模滤波。多个全桥逆变模块的交流输出侧端子Px和端子Nx形成级联，实现多模块交流侧串联。抑制谐振电阻R与电感L grid串联后一端与端子P1相连，另一端与端子PGrid连接，端子PGrid与端子Nn一同接入电网，抑制谐振电阻R与电感L grid可利用电网线路自身阻抗。
参见图9，本实施例中，储能侧逆变器采用两电平逆变器；参见图10，本实施例中，储能侧逆变器采用三电平逆变器。独立负荷为交直流负载和交直流电源，如三相交流电动机或三相交流发电机。

Claims (9)

1.一种储能电压平衡电力电子电能变换系统，包括储能模组、电压平衡变换器、电网侧逆变器、电网负荷、储能侧逆变器和独立负荷，其特征在于：
N个所述储能模组串联后通过导线连接在储能侧逆变器的直流母线上，每个储能模组通过多路导线与电压平衡变换器的多路原边直流端口连接；所述电压平衡变换器，其副边直流端口通过多路导线与电网侧逆变器的多路输入直流端口连接；所述电网侧逆变器，其输出侧通过单相或者三相电力导线，经过开关SW1和开关SW2与电网相连；所述电网负荷连接到开关SW1和开关SW2之间；所述储能侧逆变器，其直流侧通过电力导线直接与串联后的储能模组输出端相联，其通过单相或多相电力导线与独立负荷进行连接。
2.根据权利要求1所述的储能电压平衡电力电子电能变换系统，其特征在于，所述电压平衡变换器由N路相同配置的独立电压平衡变换器并联构成，N路独立电压平衡变换器的每路原边直流端口一对一并联并形成M路原边直流端口，N路独立电压平衡变换器的每路副边直流端口一对一并联并形成L路副边直流端口。
3.根据权利要求2所述的储能电压平衡电力电子电能变换系统，其特征在于，所述独立电压平衡变换器包括原边M路串联的半桥或全桥电路，副边L路相互之间隔离的半桥或全桥电路，多绕组高频变压器Tx，以及变压器Tx原副边高频电感Lsx；半桥或全桥电路将直流变换成高频交流，通过高频变压器传输到另一路半桥或全桥电路，经整流将高频交流转换成直流；高频变压器Tx原副边所有绕组绕制在一个磁芯，并共用一个磁路。
4.根据权利要求3所述的储能电压平衡电力电子电能变换系统，其特征在于：
所述原边或副边的半桥电路的电路结构为电容C 1x和电容C 2x串联后与直流滤波电容C dc并联，并与直流侧并联，功率开关SHB1和功率开关SHB2串联后与直流侧并联，电容串联的中点N与功率开关串联的中点P作为交流侧输出端；
所述原边或副边的全桥电路的电路结构为直流侧并入直流滤波电容C dc，功率开关SFB1和功率开关SFB2、以及功率开关SFB3和功率开关SFB4分别串联后并入直流母线，电容C rs一端串联功率开关SFB3和功率开关SFB4串接的中点O，另一端形成交流侧输出端P，功率开关SFB1和功率开关SFB2串接的中点N作为交流侧另一输出端。
5.根据权利要求1所述的储能电压平衡电力电子电能变换系统，其特征在于，所述储能模组，由多个储能子模组串联构成；储能子模组分为储能单元、储能模块和自平衡储能模块三种；储能单元由多个储能单体并联构成；储能模块由多个储能单元串联构成。
6. 根据权利要求5所述的储能电压平衡电力电子电能变换系统，其特征在于，所述自平衡储能模块由n个储能子模块和n个自平衡储能模块电压平衡变换器构成；自平衡储能模块电压平衡变换器的原边和副边采用半桥电路；每个储能子模块由m个储能单元串联，并与带有m组原边直流端口的自平衡储能模块电压平衡变换器直接并联；n个自平衡储能模块电压平衡变换器副边的一路电压平衡端口直接并联，并为自平衡储能模块的内部负载提供直流电，内部负载包括冷却装置、控制器、显示器和传感器。
7.根据权利要求1所述的储能电压平衡电力电子电能变换系统，其特征在于，所述电网侧逆变器，包括直流侧电压配置模块和逆变器模块；直流侧电压配置模块的特征在于，M组电压平衡变换器的所有直流输出通过电气互连，形成满足电网侧逆变器要求的直流配置端口；逆变器模块为两电平逆变器，三电平逆变器和级联逆变器；两电平逆变器的特征在于，多个半桥电路并联在带电容Cdc的直流母线上，每个半桥输出端经由低通滤波与电网相连；三电平逆变器的特征在于，多个三电平桥式电路并联在由电容Cdc1x和电容Cdc2x串联的直流母线上，电容Cdc1x和电容Cdc2x的连接点N直接并联，每个三电平桥式电路输出端经由低通滤波与电网相连，电容的一端与直流母线中点连接点N相连；级联逆变器由多个单相级联逆变器共用端子Nn构成。
8.根据权利要求7所述的储能电压平衡电力电子电能变换系统，其特征在于，所述单相级联逆变器由n个全桥逆变器级联构成，与电网连接侧串联的电感L grid和抑制谐振的电阻R；每个全桥逆变器包括功率开关SFB1、功率开关SFB2、功率开关SFB3和功率开关SFB4，滤波电感L a和滤波电容C；功率开关SFB1和功率开关SFB2，功率开关SFB3和功率开关SFB4分别串联后并联接入直流侧，高频滤波电容Cdc也并联接入直流侧；四个功率开关的连接中点O和连接中点Q与滤波电感L a的两端相连，滤波电感L a的另两端连接到端子P和端子N，滤波电容C也与端子P、端子N连接；滤波电感L a分为两个绕组，且同名端相反，并绕制在一个磁路上；多个全桥逆变模块的交流输出侧的端子Px和端子Nx形成级联，实现多模块交流侧串联；抑制谐振电阻R与电感L grid串联后一端与端子P1相连，另一端与端子PGrid连接，端子PGrid与端子Nn一同接入电网。
9. 根据权利要求1所述的储能电压平衡电力电子电能变换系统，其特征在于，所述储能侧逆变器为两电平逆变器和三电平逆变器；所述独立负荷为交直流负载和交直流电源。
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