CN210490732U - 储能变流器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种储能变流器，其中，储能变流器，包括：直流DC/直流DC变换器，其中，所述DC/DC变换器采用两重化交错式双向Buck‑Boost电路；直流DC/交流AC变换器，其中，所述DC/AC变换器采用T型三电平拓扑结构，采用上述技术方案，解决了相关技术中储能变流器的开关器件功耗较大，运行效率降低，储能变流器的体积较大等问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及通信领域，具体而言，涉及一种储能变流器。
背景技术
随着分布式电源在微电网中的渗透率越来越高，其输出功率的间歇性和不确定性带来的负面影响也日渐突出，需引入储能系统对微电网中的功率波动进行调节。而储能变流器作为储能系统中的关键性设备，对其拓扑结构的合理性设计至关重要。
目前，储能变流器的结构按有无直流降压器(Direct Current，简称为DC)/DC环节可分为单级型和双级型两种。单级型功率变换器是用一级双向DC/(Alternating Current，简称为AC)功率桥实现储能介质与电网的能量交互。当储能系统工作在放电状态时，储能介质通过DC/AC变换器将其储存的电能逆变为交流电回馈至电网；当系统工作在充电状态下时，电网电压通过功率变换器整流为直流电给储能介质充电，即单级型储能功率变换器通过系统的能量调度指令，始终工作在整流和逆变状态，实现能量的双向流动，具体拓扑结构如图1所示。双级型结构的储能变流器(如图2所示)的前级是DC/DC变换器，用于实现直流侧电压大小的调整，这样放宽了储能介质的电压适用范围，DC/DC变换器一般采用电流环来控制电池充、放电电流大小。后级为DC/AC变换器，一般采用双闭环控制使其在单位功率因数下运行用于实现输出电流同步并网，根据工作模式控制方式的不同，也可实现并网下的恒功率充放电控制及离网控制等功能。
对单级型的储能变流器电路拓扑而言，优点在于电路结构简单，元器件少，控制方法简单且功耗较低等，但在实际应用中也存在以下几点的不足之处：
1)储能介质的容量需要根据储能变流器的容量配置，一旦配置定型后便无法做大的改变。
2)一台储能变流器只能连接一路储能介质，若存在多路储能介质并联，需要额外配置相应的储能功率变换器，这样既会增加成本，又会给联合控制增加难度。
3)由变流器的整流特性可知，单级型储能变流器直流输入电压一般较高，因此要求储能介质的电压也不能太低，限值了储能介质的电压范围。
4)储能系统并网状态下，当网侧发生短路故障时，会在直流侧产生巨大的冲击电流，直接对储能介质造成不可挽回的损害。
对于双级型储能变流器的拓扑结构，其前级是DC/DC变换器，后级是DC/AC变换器。而目前工程上应用的双级型储能变流器前级DC/DC和后级DC/AC基本上采用的为单路Buck-Boost电路与传统的三相两电平全桥电路相结合的拓扑结构。这种拓扑虽在一定程度上解决了单级型储能变流器的一些缺陷，但随着电力电子变换器的功率不断提升和对其输出电能质量的要求越来越高，后级DC/AC三相桥式两电平电路的优势已不再明显，比如为使其输出优质的电能必然要提高开关频率，但随之带来的就是功率器件开关损耗的增大，进而使设备的运行效率大幅降低；前级DC/DC采用单路Buck-Boost拓扑电路，虽结构简单，控制方便，但由于存在输入电流纹波较大的问题，必然会采用感值较大的滤波电感，从而使装备的体积相应增大，违背了电力电子设备功率密度最大化的发展需要。
针对相关技术中存在的上述技术问题，尚未提出有效的技术方案。
实用新型内容
本实用新型实施例提供了一种储能变流器，以至少解决相关技术中储能变流器的开关器件功耗较大，运行效率降低，储能变流器的体积较大等问题。
根据本实用新型的一个实施例，提供了一种储能变流器，包括：直流DC/直流DC变换器，其中，所述DC/DC变换器采用两重化交错式双向Buck-Boost电路；直流DC/交流AC变换器，其中，所述DC/AC变换器采用T型三电平拓扑结构。
可选地，所述DC/DC变换器，还用于通过控制所述储能变流器的输入电压和输出电压的占空比，来控制绝缘栅双极型晶体管IGBT管的通断时间，以控制输入电压和输出电压。
可选地，所述两重化交错式双向Buck-Boost电路采用并联结构，其中，所述两重化交错式双向Buck-Boost电路的一端连接至直流母线的电容的正负极，所述两重化交错式双向Buck-Boost电路的另一端连接至所述储能变流器的储能介质的正负极。
可选地，所述两重化交错式双向Buck-Boost电路采用并联结构与所述储能介质连接的一侧的每一路均并联一个电容。
可选地，所述直流母线的电容采用多电容串联后，以并联的方式连接至所述直流母线上。
可选地，所述两重化交错式双向Buck-Boost电路中每一路的相位差180°。
可选地，所述DC/AC变换器，采用三个单相的T型三电平功率桥模块组合为三相T型桥。
可选地，所述三相T型桥的一端连接至直流母线的电容的中点处，所述三相T型桥的另一端连接至三相电感的一端，所述三相电感的另一端分别连接至隔离变压器的低压侧。
可选地，所述隔离变压器的低压侧和所述三相电感之间并联一组三相接电容，所述隔离变压器的高压侧连接至电网。
可选地，所述DC/DC变换器和所述DC/AC变换器串联连接。
通过本实用新型，储能变流器通过两重化交错式双向Buck-Boost电路的直流DC/直流DC变换器，以及采用T型三电平拓扑结构的直流DC/交流AC变换器，采用上述技术方案，解决了相关技术中，储能变流器的开关器件功耗较大，运行效率降低，储能变流器的体积较大等问题，进而减少了开关器件的功耗，提高了运行效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1为相关技术中单级型储能功率变换器的结构框图；
图2为相关技术中双级型储能功率变换器的结构框图；
图3为根据本发明实施例的储能变流器的结构框图；
图4为根据本发明实施例的双向Buck-Boost拓扑示意图；
图5为根据本发明实施例的互补模式电感电流示意图；
图6为根据本发明实施例的储能变流器的拓扑结构图；
图7为根据本发明实施例的a相桥臂的六种工作状态示意图(一)；
图8为根据本发明实施例的a相桥臂的六种工作状态示意图(二)；
图9为根据本发明实施例的a相桥臂的六种工作状态示意图(三)；
图10为根据本发明实施例的a相桥臂的六种工作状态示意图(四)；
图11为根据本发明实施例的a相桥臂的六种工作状态示意图(五)；
图12为根据本发明实施例的a相桥臂的六种工作状态示意图(六)；
图13为根据本发明实施例的储能变流器的整体结构示意图。
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
本实用新型以下实施例针对于单级型储能变流器的直流侧输入电压和储能介质容量的限制，以及传统的双级型储能变流器输出电能质量低和开关损耗大的缺陷，提出了一种双级型T型三电平储能变流器。
图3为根据本发明实施例的储能变流器的结构框图，如图1所示，包括：直流DC/直流DC变换器30，其中，所述DC/DC变换器采用两重化交错式双向Buck-Boost电路；直流DC/交流AC变换器32，其中，所述DC/AC变换器采用T型三电平拓扑结构。
通过上述技术方案，储能变流器通过两重化交错式双向Buck-Boost电路的直流DC/直流DC变换器，以及采用T型三电平拓扑结构的直流DC/交流AC变换器，采用上述技术方案，解决了相关技术中，储能变流器的开关器件功耗较大，运行效率降低，储能变流器的体积较大等问题，进而减少了开关器件的功耗，提高了运行效率。
在本发明一可选实施例中，所述DC/DC变换器，还用于通过控制所述储能变流器的输入电压和输出电压的占空比，来控制绝缘栅双极型晶体管IGBT管的通断时间，以控制输入电压和输出电压，所述两重化交错式双向Buck-Boost电路采用并联结构，其中，所述两重化交错式双向Buck-Boost电路的一端连接至直流母线的电容的正负极，所述两重化交错式双向Buck-Boost电路的另一端连接至所述储能变流器的储能介质的正负极，所述两重化交错式双向Buck-Boost电路采用并联结构与所述储能介质连接的一侧的每一路均并联一个电容，所述两重化交错式双向Buck-Boost电路中每一路的相位差180度，所述直流母线的电容采用多电容串联后，以并联的方式连接至所述直流母线上。
在本发明一可选实施例中，所述DC/AC变换器，采用三个单相的T型三电平功率桥模块组合为三相T型桥，所述三相T型桥的一端连接至直流母线的电容的中点处，所述三相T型桥的另一端连接至三相电感的一端，所述三相电感的另一端分别连接至隔离变压器的低压侧，所述隔离变压器的低压侧和所述三相电感之间并联一组三相接电容，所述隔离变压器的高压侧连接至电网，所述DC/DC变换器和所述DC/AC变换器串联连接。
以下结合本实用新型优选实施例对上述技术方案进行说明，但不用于限定本实用新型实施例的技术方案。
为了拓宽储能变流器直流输入电压的范围，降低直流电流的纹波，通过控制来配置其容量的输出，DC/DC侧采用的两重化交错式双向Buck-Boost拓扑结构；而为了提高输出电能质量，减小传统的二极管钳位三电平拓扑的开关损耗，DC/AC侧采用T型三电平拓扑结构。
本实用新型前级的DC/DC变换器采用两重化交错式双向Buck-Boost拓扑结构，本质上是通过控制每一路输入输出电压的占空比来实现控制输入电压的值，从而可以实现扩大直流侧电池范围的目的，当储能变流器的额定电流值一定时，进而间接的可以实现输出容量控制的目的；由于DC/DC侧采用的是两重化双向Buck-Boost电路，则只要控制两路的电流相位相差180°，使得每一支路上电流纹波相互抵消即可得到直流侧总电流，从而使直流电流纹波大大减小。以单路Buck-Boost拓扑为例如图4、图5所示，说明其工作原理：
电感电流I1有正有负，能量可以双向流动，一个周期内电感电流积分大于0，则能量从电池传输给电网；反之，则能量从电网传到电池。在0-ton期间T1管导通，但T1仅在t1-ton期间有电流通过，在0-t1期间电感电流为负，实际上是二极管D1的续流作用。ton时刻，T2管导通，T1关断，在ton-t2期间实际上是二极管D2在续流，直到t2时刻，I1＝0后才有电流流过T2，I1反向增大。到T时刻，T2截止，进入下一个周期。
对于互补工作模式，由于T1和T2管互补导通，电感电流I1不会出现电流断续的情况，始终为三角波，所以当能量从电网向电池流动时的电压关系为
U1＝U2·DT2 (4-1)；
当能量从电池向电网流动时的电压关系为
U2＝U1/(1-DT1) (4-2)；
由(4-1)式和(4-2)式可以看出，在T1、T2管交错互补导通时，其电压关系分别与电流连续情况下Buck状态和Boost状态下的关系式一致，并且由以上两式可得
DT1+DT2＝1 (4-3)；
由此可以得出在双向Buck-Boost电路中，若采用互补PWM控制两功率管的开通和关断，可以实现能量的自主双向流动。
本实用新型的后级AC/DC采用T型的三电平拓扑结构，因为其输出电平数量相对于两电平而言有所增加，使得波形更趋近于正弦波，谐波含量也大大减小，系统效率也得以提升；但对于传统的二极管钳位三电平拓扑，由于T型三电平没有每相桥路上的钳位二极管，故减少了相应二极管的损耗，且节省了成本。其具体拓扑如图6所示，下面以T型三电平变换器的a相为例说明其工作原理：
取逆变电流方向为正方向，如图7-12给出了a相桥臂的六种工作状态图。每种工作状态均代表不同开关管的通断状态，其中，Ta1和Ta2的PWM驱动信号互补，Ta3和Ta4的PWM驱动信号互补，且由硬件电路的连接关系可知，垂直桥臂的Ta1和Ta4两管必为互补驱动信号。由于IGBT在实际情况下开通和关断都需要一定的时间，所以为防止出现短路，需给互补的两个PWM驱动信号加入相应的死区时间。
(a)P状态：Ua＝Udc/2；ia>0(b)0状态：Ua＝0；ia>0(c)N状态：Ua＝-Udc/2；ia>0；
(d)P状态：Ua＝Udc/2；ia<0(e)0状态：Ua＝0；ia<0(f)N状态：Ua＝-Udc/2；ia<0；
根据储能变流器的充放电模式不同，T型三电平变换器可处于整流或逆变状态。当储能系统处于放电模式时，即T型三电平变换器处于逆变状态，在图7中，Ta1和Ta3导通，Ta2和Ta4关断时，a点电位被箝位在+Udc/2，此时桥臂输出高电平，称该状态为P状态；在图8中，Ta2和Ta3导通，Ta1和Ta4关断时，a点电位被箝在0，此时桥臂输出0电平，称此状态为0状态；在图9中，Ta2和Ta4导通，Ta1和Ta3截止时，a点被箝位在-Udc/2，此时桥臂输出为低电平，称此状态位N状态。b相、c相同理可以输出三个电平。
图13为整个装置的拓扑结构图，前级两重化双向Buck-Boost电路采用并联结构，其中一端接直流母线电容的正负极，另一端接至储能介质的正负极；在双向Buck-Boost电路的储能介质侧，每一路均并联一个电容，用于平滑电压。直流母线电容采用多电容串联再并联的方式接至直流母线上。后级采用三个单相的T型三电平功率桥模块组合为三相T型桥，其中三相桥的一端接至直流母线电容的中点处，另一端分别接至三相电感的一端，而后三相电感的另一端分别连接至隔离变压器的低压侧，在变压器低压侧和电感之间并联一组三相星接电容，最后隔离变压器的高压侧接至电网。
对于单级型储能变流器的直流侧输入电压和储能介质容量的限制，本实用新型采用前级DC/DC双重化双向Buck-Boost拓扑结构，通过控制输入输出电压的占空比，来控制IGBT管的通断时间而达到控制输入、输出电压的目的，扩大了储能介质的电压选择范围；而在装置的元件参数允许的范围内，当装置的额定电流一定时，通过输入电压的不同一定程度上了扩大了储能介质容量的范围；并且由于两支路的电流纹波相位互差180°，通过叠加抵消后，直流侧总电流纹波减小。由于多重化设计在拓扑结构上使得输出电流纹波及谐波含量大大减小，从而可以适当减小滤波器参数，使得设备体积和重量也得到减小。
传统的双级型储能变流器输出电能质量低和开关损耗大的缺陷，本实用新型采用双级型T型三电平结构，使得储能变流器的输出电平数增加，输出波形更平滑，谐波含量也随之减小，系统效率得以提升；并且对于器件耐压来说，三电平中功率器件承受电压为直流母线电压一半，两电平则为全部母线电压，器件选型上可以节约一定的成本；相较于二极管箝位型的DC/AC拓扑而言，减少了每相箝位二极管的个数，使变换器的损耗减小，输出效率进一步提高；并且T型三电平结构的开关器件损耗功率分布较为均匀，便于设备的散热设计。
需要说明的是，上述实施例1-实施例2的技术方案可以结合使用，也可以单独使用，本实用新型实施例对此不作限定。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种储能变流器，其特征在于，包括：
直流DC/直流DC变换器，其中，所述DC/DC变换器采用两重化交错式双向Buck-Boost电路；
直流DC/交流AC变换器，其中，所述DC/AC变换器采用T型三电平拓扑结构；
所述两重化交错式双向Buck-Boost电路采用并联结构，其中，所述两重化交错式双向Buck-Boost电路的一端连接至直流母线的电容的正负极，所述两重化交错式双向Buck-Boost电路的另一端连接至所述储能变流器的储能介质的正负极。
2.根据权利要求1所述的储能变流器，其特征在于，所述DC/DC变换器，还用于通过控制所述储能变流器的输入电压和输出电压的占空比，来控制绝缘栅双极型晶体管IGBT管的通断时间，以控制输入电压和输出电压。
3.根据权利要求1所述的储能变流器，其特征在于，所述两重化交错式双向Buck-Boost电路采用并联结构与所述储能介质连接的一侧的每一路均并联一个电容。
4.根据权利要求1所述的储能变流器，其特征在于，所述直流母线的电容采用多电容串联后，以并联的方式连接至所述直流母线上。
5.根据权利要求1所述的储能变流器，其特征在于，所述两重化交错式双向Buck-Boost电路中每一路的相位差180度。
6.根据权利要求1所述的储能变流器，其特征在于，所述DC/AC变换器，采用三个单相的T型三电平功率桥模块组合为三相T型桥。
7.根据权利要求6所述的储能变流器，其特征在于，所述三相T型桥的一端连接至直流母线的电容的中点处，所述三相T型桥的另一端连接至三相电感的一端，所述三相电感的另一端分别连接至隔离变压器的低压侧。
8.根据权利要求7所述的储能变流器，其特征在于，所述隔离变压器的低压侧和所述三相电感之间并联一组三相接电容，所述隔离变压器的高压侧连接至电网。
9.根据权利要求1至8任一项所述的储能变流器，其特征在于，所述DC/DC变换器和所述DC/AC变换器串联连接。
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