CN207459728U - 一种储能型多端口电力电子变压器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种储能型多端口电力电子变压器，包括一模块化多电平变换器、一分散式隔离储能环节和一输出稳压环节；模块化多电平变换器包括三个上桥臂、三个下桥臂和三个并网电抗器；上桥臂由功率单元1至n(n为正整数)的交流输出端依次串联后再与桥臂电抗器串联构成，下桥臂由桥臂电抗器与功率单元n+1至2n的交流输出端依次串联构成；本实用新型具备高压交流母线、高压直流母线以及低压直流母线三个功率端口，同时集成了隔离储能环节，兼具电力电子变压器和储能功能，能够实现三个不同电压等级的交、直流电网之间的电能变换。

Description

一种储能型多端口电力电子变压器

技术领域

本实用新型涉及电力电子变压器领域，尤其涉及一种储能型多端口电力电子变压器。

背景技术

随着分布式电源和储能的广泛使用以及微网的快速发展，未来配电系统的架构及格局将发生重大变化，为了更好地融合多种能源形式和不同电压等级的交直流电能形式，能源互联网一经提出就得到了广泛的关注和重视。电力电子变压器作为能源互联网的核心设备，是一种新型的电能变换装置，采用高频电力电子开关器件及高频隔离变压器实现不同电压幅值的交、直流电能之间的变换，与传统的工频变压器相比具有效率高、控制灵活、而且能够直流变压等突出优点。目前使用最多的两端口电力电子变压器拓扑结构，其缺点之一是高压侧电容电压存在低频波动，需要较大的直流稳压电容。

能源互联网中另一个不可或缺的环节就是储能，能够起到平抑分布式发电功率波动、提高系统稳定性和供电可靠性的作用。常用的储能电池单体电压比较低，在常规大规模储能系统中都需要大量的电池单体直接串并联，主要存在以下几个问题：1)由于电池单体之间的差异性，大量电池单体直接并联会产生严重的内部环流，降低系统效率和电池寿命；2)大量电池单体直接串联导致电池单体之间剩余容量(SOC)均衡问题，需要额外配置电池能量管理系统(BMS)对电池组进行SOC均衡控制；3)可靠性差，当串并联电池组中一个电池单体发生故障时，整个电池组都必须退出运行；4)对于电池一致性要求高，不能混用不同规格不同新旧程度的电池。目前最常用的储能变换装置是两电平结构，一般用于380V电压等级，无法直接并入较高电压等级的电网。为了能够直接并入中高压电网，基于H桥级联多电平变换器和模块化多电平变换器的模块化储能系统得到了广泛的重视。其优点是避免了大量电池的直接串并联，所有电池的充放电可以独立控制，可以通过控制算法实现电池之间的SOC均衡，可以使用不同规格不同新旧程度的电池，实现废旧电池的梯次利用，且不需要额外配置电池能量管理系统；同时通过大量功率单元的串联提高了输出电压等级，可以不需要变压器直接并入中高压电网。其主要缺点是：1)所有电池之间不隔离，电池承受较高的绝缘电压，存在安全隐患；2)每个功率单元输出功率存在低频波动，造成电池充放电电流也存在低频波动，需要较大的直流稳压电容进行平抑。

随着电力电子技术的快速发展、器件成本的降低以及控制性能的提高，各种新型电力电子拓扑结构和先进控制技术在电力系统中得到了越来越多的应用，为解决上述问题提供了新的思路。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种能够实现三个不同电压等级的交、直流电网之间的电能变换，供电可靠性更高；具有可向任意功率端口输送或吸收电能效果的分散式储能环节，起到调节三个端口之间的功率流、平抑功率波动的作用，既满足了电力电子变压器的隔离和变压需求，同时实现了储能电池与高压电网之间的隔离，采用一套设备复用的方式以降低系统成本，可大幅减小模块化多电平变换器功率单元的电容容值，同时使得储能电池端口的充放电电流为稳定直流，能够平抑储能电池充放电电流的低频波动的储能型多端口电力电子变压器。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种储能型多端口电力电子变压器，包括一模块化多电平变换器、一分散式隔离储能环节和一输出稳压环节，其特征在于：所述模块化多电平变换器包括三个上桥臂、三个下桥臂和三个并网电抗器；所述上桥臂由功率单元1至n(n为正整数)的交流输出端依次串联后再与桥臂电抗器串联构成，所述下桥臂由桥臂电抗器与功率单元n+1至2n的交流输出端依次串联构成；所述三个上桥臂功率单元1的X1端分别与高压直流电网正极相连，所述三个下桥臂的功率单元n的X2端分别与高压直流电网负极相连，所述三个上桥臂下端与三个下桥臂上端分别相连形成三个公共连接点，所述三个公共连接点分别与三个并网电抗器相连，所述三个并网电抗器的另一端分别接三相高压交流电网的三个线路。

优选地，所述模块化多电平变换器的功率单元采用半桥变换器或全桥变换器或混合使用半桥和全桥变换器。所述每个功率单元采用全控型功率开关器件。

优选地，所述分散式隔离储能环节包括2n个四端口隔离DC/DC变换器与2n个储能电池，所述每个四端口隔离DC/DC变换器的一个端口X4+与X4-分别与每个储能电池的正负极相连，所述另外三个端口X1+与X1-、X2+与X2-、X3+与X3-分别接上述模块化多电平变换器的三相上桥臂或下桥臂的功率单元i(i＝1,2,……2n)的直流输出端X3和X4。

优选地，所述四端口隔离DC/DC变换器采用基于多绕组变压器的四端口隔离DC/DC变换器或基于三个双有源全桥变换器输出并联的四端口隔离DC/DC变换器。

优选地，所述基于多绕组变压器的四端口隔离DC/DC变换器包括一个共铁芯的四绕组变压器和四个全桥变换器；所述每个全桥变换器的交流端子接共铁芯的四绕组变压器的一个绕组。

优选地，所述双有源全桥变换器包括一个双绕组变压器和两个全桥变换器；所述每个全桥变换器的交流端子接双绕组变压器的一个绕组。

优选地，所述输出稳压环节包括2n个非隔离DC/DC变换器，所述每个非隔离DC/DC变换器的输入侧分别接分散式隔离储能环节的储能电池，所述每个非隔离DC/DC变换器的输出侧直接并联接低压直流电网。

优选地，所述非隔离DC/DC变换器采用降压型buck变换器或升压型boost变换器。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：图4是目前使用最多的两端口电力电子变压器拓扑结构。其缺点之一是高压侧电容电压存在低频波动，需要较大的直流稳压电容。能源互联网中另一个不可或缺的环节就是储能，能够起到平抑分布式发电功率波动、提高系统稳定性和供电可靠性的作用。常用的储能电池单体电压比较低，在常规大规模储能系统中都需要大量的电池单体直接串并联，主要存在以下几个问题：1)由于电池单体之间的差异性，大量电池单体直接并联会产生严重的内部环流，降低系统效率和电池寿命；2)大量电池单体直接串联导致电池单体之间剩余容量(SOC)均衡问题，需要额外配置电池能量管理系统(BMS)对电池组进行SOC均衡控制；3)可靠性差，当串并联电池组中一个电池单体发生故障时，整个电池组都必须退出运行；4)对于电池一致性要求高，不能混用不同规格不同新旧程度的电池。目前最常用的储能变换装置是两电平结构，一般用于380V电压等级，无法直接并入较高电压等级的电网。为了能够直接并入中高压电网，基于H桥级联多电平变换器和模块化多电平变换器的模块化储能系统得到了广泛的重视，其基本结构如图2和图3所示。其优点是避免了大量电池的直接串并联，所有电池的充放电可以独立控制，可以通过控制算法实现电池之间的SOC均衡，可以使用不同规格不同新旧程度的电池，实现废旧电池的梯次利用，且不需要额外配置电池能量管理系统；同时通过大量功率单元的串联提高了输出电压等级，可以不需要变压器直接并入中高压电网。其主要缺点是：1)所有电池之间不隔离，电池承受较高的绝缘电压，存在安全隐患；2)每个功率单元输出功率存在低频波动，造成电池充放电电流也存在低频波动，需要较大的直流稳压电容进行平抑。

本实用新型具备高压交流母线、高压直流母线以及低压直流母线三个功率端口，同时集成了隔离储能环节，兼具电力电子变压器和储能功能，能够实现三个不同电压等级的交、直流电网之间的电能变换。与传统两端口电力电子变压器相比，供电可靠性更高，任意一个端口的电网掉电，其余两端口和储能环节均不受影响可正常工作，适用于直流配网或微网。本实用新型内置分散式储能环节，可向任意功率端口输送或吸收电能，起到调节三个端口之间的功率流、平抑功率波动的作用。本实用新型中的每个储能电池都可以独立控制其充放电电流，通过控制算法可实现储能电池之间的SOC均衡，可以使用不同规格不同新旧程度的电池，实现废旧电池的梯次利用，且不需要配置额外的电池能量管理系统；本实用新型采用四端口隔离DC/DC变换器，既满足了电力电子变压器的隔离和变压需求，同时实现了储能电池与高压电网之间的隔离，采用一套设备复用的方式降低了系统成本。本实用新型中的四端口隔离DC/DC变换器与模块化多电平变换器功率单元相连的三个端口的功率低频波动可相互抵消，可大幅减小模块化多电平变换器功率单元的电容容值，同时使得储能电池端口的充放电电流为稳定直流，能够平抑储能电池充放电电流的低频波动。

附图说明

图1为本实用新型拓扑结构图；

图2为基于H桥级联多电平变换器的储能系统；

图3为基于模块化多电平变换器的储能系统；

图4为传统两端口电力电子变压器；

图5为本实用新型中模块化多电平变换器功率单元结构之一：半桥变换器；

图6为本实用新型中模块化多电平变换器功率单元结构之一：全桥变换器；

图7为本实用新型中四端口隔离DC/DC变换器结构之一：基于多绕组变压器的四端口隔离DC/DC变换器；

图8为本实用新型中四端口隔离DC/DC变换器结构之一：基于三个双有源全桥变换器输出并联的四端口隔离DC/DC变换器；

图9为本实用新型中双有源全桥结构；

图10为本实用新型中非隔离DC/DC变换器结构。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

如图1所示，一种储能型多端口电力电子变压器，包括一模块化多电平变换器、一分散式隔离储能环节和一输出稳压环节；模块化多电平变换器包括三个上桥臂、三个下桥臂和三个并网电抗器；上桥臂由功率单元1至n(n为正整数)的交流输出端依次串联后再与桥臂电抗器串联构成，下桥臂由桥臂电抗器与功率单元n+1至2n的交流输出端依次串联构成；三个上桥臂功率单元1的X1端分别与高压直流电网正极相连，三个下桥臂的功率单元n的X2端分别与高压直流电网负极相连，三个上桥臂下端与三个下桥臂上端分别相连形成三个公共连接点，三个公共连接点分别与三个并网电抗器相连，三个并网电抗器的另一端分别接三相高压交流电网的三个线路。

模块化多电平变换器的功率单元既可以采用图5所示的半桥变换器，也可以采用图6所示的全桥变换器，也可以混合使用半桥和全桥变换器。其中X1、X2为半桥变换器或全桥变换器的交流端子，X3、X4为半桥变换器或全桥变换器的直流端子；每个功率单元采用全控型功率开关器件，根据输出电压等级的不同选用相应等级的功率半导体开关元件,如IGBT或MOSFET等。

如图7所示，分散式隔离储能环节包括2n个四端口隔离DC/DC变换器与2n个储能电池，每个四端口隔离DC/DC变换器的一个端口X4+与X4-分别与每个储能电池的正负极相连，另外三个端口X1+与X1-、X2+与X2-、X3+与X3-分别接上述模块化多电平变换器的三相上桥臂或下桥臂的功率单元i(i＝1,2,……2n)的直流输出端X3和X4。

四端口隔离DC/DC变换器既可以采用图7所示的基于多绕组变压器的四端口隔离DC/DC变换器，也可以采用图8所示的基于三个双有源全桥变换器输出并联的四端口隔离DC/DC变换器。

如图6所示，基于多绕组变压器的四端口隔离DC/DC变换器包括一个共铁芯的四绕组变压器和四个全桥变换器。每个全桥变换器的交流端子接共铁芯的四绕组变压器的一个绕组。

双有源全桥变换器如图9所示，包括一个双绕组变压器和两个全桥变换器。每个全桥变换器的交流端子接双绕组变压器的一个绕组。

输出稳压环节包括2n个非隔离DC/DC变换器，每个非隔离DC/DC变换器的输入侧分别接分散式隔离储能环节的储能电池，其输出侧直接并联接低压直流电网。

非隔离DC/DC变换器根据储能电池电压和低压直流电网电压等级，既可以采用如图10(a)所示的降压型buck变换器，也可以采用如图10(b)所示的升压型boost变换器。

随着分布式电源和储能的广泛使用以及微网的快速发展，未来配电系统的架构及格局将发生重大变化，为了更好地融合多种能源形式和不同电压等级的交直流电能形式，能源互联网一经提出就得到了广泛的关注和重视。电力电子变压器作为能源互联网的核心设备，是一种新型的电能变换装置，采用高频电力电子开关器件及高频隔离变压器实现不同电压幅值的交、直流电能之间的变换，与传统的工频变压器相比具有效率高、控制灵活、而且能够直流变压等突出优点。图1是目前使用最多的两端口电力电子变压器拓扑结构。其缺点之一是高压侧电容电压存在低频波动，需要较大的直流稳压电容。

能源互联网中另一个不可或缺的环节就是储能，能够起到平抑分布式发电功率波动、提高系统稳定性和供电可靠性的作用。常用的储能电池单体电压比较低，在常规大规模储能系统中都需要大量的电池单体直接串并联，主要存在以下几个问题：1)由于电池单体之间的差异性，大量电池单体直接并联会产生严重的内部环流，降低系统效率和电池寿命；2)大量电池单体直接串联导致电池单体之间剩余容量(SOC)均衡问题，需要额外配置电池能量管理系统(BMS)对电池组进行SOC均衡控制；3)可靠性差，当串并联电池组中一个电池单体发生故障时，整个电池组都必须退出运行；4)对于电池一致性要求高，不能混用不同规格不同新旧程度的电池。目前最常用的储能变换装置是两电平结构，一般用于380V电压等级，无法直接并入较高电压等级的电网。为了能够直接并入中高压电网，基于H桥级联多电平变换器和模块化多电平变换器的模块化储能系统得到了广泛的重视，其基本结构如图2和图3所示。其优点是避免了大量电池的直接串并联，所有电池的充放电可以独立控制，可以通过控制算法实现电池之间的SOC均衡，可以使用不同规格不同新旧程度的电池，实现废旧电池的梯次利用，且不需要额外配置电池能量管理系统；同时通过大量功率单元的串联提高了输出电压等级，可以不需要变压器直接并入中高压电网。其主要缺点是：1)所有电池之间不隔离，电池承受较高的绝缘电压，存在安全隐患；2)每个功率单元输出功率存在低频波动，造成电池充放电电流也存在低频波动，需要较大的直流稳压电容进行平抑。

随着电力电子技术的快速发展、器件成本的降低以及控制性能的提高，各种新型电力电子拓扑结构和先进控制技术在电力系统中得到了越来越多的应用，为解决上述问题提供了新的思路。

本实用新型具备高压交流母线、高压直流母线以及低压直流母线三个功率端口，同时集成了隔离储能环节，兼具电力电子变压器和储能功能，能够实现三个不同电压等级的交、直流电网之间的电能变换。与传统两端口电力电子变压器相比，供电可靠性更高，任意一个端口的电网掉电，其余两端口和储能环节均不受影响可正常工作，适用于直流配网或微网。本实用新型内置分散式储能环节，可向任意功率端口输送或吸收电能，起到调节三个端口之间的功率流、平抑功率波动的作用。本实用新型中的每个储能电池都可以独立控制其充放电电流，通过控制算法可实现储能电池之间的SOC均衡，可以使用不同规格不同新旧程度的电池，实现废旧电池的梯次利用，且不需要配置额外的电池能量管理系统；本实用新型采用四端口隔离DC/DC变换器，既满足了电力电子变压器的隔离和变压需求，同时实现了储能电池与高压电网之间的隔离，采用一套设备复用的方式降低了系统成本。本实用新型中的四端口隔离DC/DC变换器与模块化多电平变换器功率单元相连的三个端口的功率低频波动可相互抵消，可大幅减小模块化多电平变换器功率单元的电容容值，同时使得储能电池端口的充放电电流为稳定直流，能够平抑储能电池充放电电流的低频波动。

最后应说明的是：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；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神与范围。

Claims (8)

1.一种储能型多端口电力电子变压器，包括一模块化多电平变换器、一分散式隔离储能环节和一输出稳压环节，其特征在于：所述模块化多电平变换器包括三个上桥臂、三个下桥臂和三个并网电抗器；所述上桥臂由功率单元1至n的交流输出端依次串联后再与桥臂电抗器串联构成，所述下桥臂由桥臂电抗器与功率单元n+1至2n的交流输出端依次串联构成，n为正整数；所述三个上桥臂功率单元1的X1端分别与高压直流电网正极相连，所述三个下桥臂的功率单元n的X2端分别与高压直流电网负极相连，所述三个上桥臂下端与三个下桥臂上端分别相连形成三个公共连接点，所述三个公共连接点分别与三个并网电抗器相连，所述三个并网电抗器的另一端分别接三相高压交流电网的三个线路。

2.根据权利要求1所述的一种储能型多端口电力电子变压器，其特征在于：所述模块化多电平变换器的功率单元采用半桥变换器或全桥变换器或混合使用半桥和全桥变换器，所述每个功率单元采用全控型功率开关器件。

3.根据权利要求1所述的一种储能型多端口电力电子变压器，其特征在于：所述分散式隔离储能环节包括2n个四端口隔离DC/DC变换器与2n个储能电池，所述每个四端口隔离DC/DC变换器的一个端口X4+与X4-分别与每个储能电池的正负极相连，所述另外三个端口X1+与X1-、X2+与X2-、X3+与X3-分别接上述模块化多电平变换器的三相上桥臂或下桥臂的功率单元i的直流输出端X3和X，i＝1,2,……2n。

4.根据权利要求3所述的一种储能型多端口电力电子变压器，其特征在于：所述四端口隔离DC/DC变换器采用基于多绕组变压器的四端口隔离DC/DC变换器或基于三个双有源全桥变换器输出并联的四端口隔离DC/DC变换器。

5.根据权利要求4所述的一种储能型多端口电力电子变压器，其特征在于：所述基于多绕组变压器的四端口隔离DC/DC变换器包括一个共铁芯的四绕组变压器和四个全桥变换器；所述每个全桥变换器的交流端子接共铁芯的四绕组变压器的一个绕组。

6.根据权利要求4所述的一种储能型多端口电力电子变压器，其特征在于：所述双有源全桥变换器包括一个双绕组变压器和两个全桥变换器；所述每个全桥变换器的交流端子接双绕组变压器的一个绕组。

7.根据权利要求1所述的一种储能型多端口电力电子变压器，其特征在于：所述输出稳压环节包括2n个非隔离DC/DC变换器，所述每个非隔离DC/DC变换器的输入侧分别接分散式隔离储能环节的储能电池，所述每个非隔离DC/DC变换器的输出侧直接并联接低压直流电网。

8.根据权利要求7所述的一种储能型多端口电力电子变压器，其特征在于：所述非隔离DC/DC变换器采用降压型buck变换器或升压型boost变换器。