CN219477652U - 一种模块组合结构的全钒液流电池pcs - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种模块组合结构的全钒液流电池PCS，PCS包括第一变流模块、第二变流模块、第一接触器、第二接触器、第三接触器和第四接触器；第一接触器、第二接触器和第四接触器均闭合且第三接触器断开时，第一变流模块和第二变流模块均工作在双向AC/DC模式；第一接触器、第三接触器和第四接触器均闭合且第二接触器断开时，第一变流模块工作在双向AC/DC模式，第二变流模块工作在双向DC/DC模式。在正常充放电时，本实用新型实现的PCS比传统PCS的效率更高，并且只增加少量的成本投入就实现了PCS对全钒液流电池的初充和维护放电功能，此时的充放电电流可达到正常工作时PCS额定充放电电流的二分之一。

Description

一种模块组合结构的全钒液流电池PCS

技术领域

本实用新型属于电力储能变流器技术领域，具体涉及一种模块组合结构的全钒液流电池PCS。

背景技术

为实现“碳达峰”和“碳中和”，全世界都在大力开发和利用可再生新能源，但常用的风光等可再生新能源具有随机性和波动性，是一种劣质能源，需配上储能系统缓冲发电侧瞬时功率和用电侧瞬时功率平衡才能将其变为优质能源。因此，储能系统是实现可再生新能源大量推广应用所不可缺少的配套设备。全钒液流电池因功率和容量分开、安全性高、寿命长等优点一直受到人们的关注，尤其是近年来国内外发生多起锂电池储能系统的燃烧故障，激发了全钒液流储能的应用高潮。此外，储能电池的出口端电压是直流，电网电压是工频交流，在储能电池与电网之间必需配有储能变流器（Power conversion system，简称PCS ）实现直流电和交流电之间的能量转换。

全钒液流电池不同于锂电池和铅酸电池，在电池储存的能量为零时，其电压也为0。全钒液流电池在安装完成后初充时，电池电压为0；全钒液流电池维护时，也要将电池能量全部放出。为了满足全钒液流电池的这一特点，采用如图1所示的“双向AC/DC模块+双向DC/DC模块 ”两级级联变换PCS结构。在电池充电时，双向AC/DC模块先将三相交流电压变换为直流电，再经双向DC/DC模块降压将能量传送到储能电池；电池放电时，过程则正好相反，先由双向DC/DC模块将储能池电压升压至与双向AC/DC模块直流侧匹配的直流电压，再由双向AC/DC模块将能量输送到电网。双向DC/DC模块低压侧接电池，工作电压可以从0到电池的最高电压。这种PCS结构充电和放电均经过了两级功率变换，增加了储能变流器的成本，同时也降低了储能变流器的效率。

有鉴于此，一种改进的全钒液流电池PCS方案亟待提出，以期能够提高全钒液流电池PCS的推广应用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的一项或多项不足，提供一种模块组合结构的全钒液流电池PCS。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种模块组合结构的全钒液流电池PCS，包括第一变流模块、第二变流模块、第一接触器、第二接触器、第三接触器和第四接触器；所述第一接触器的触点第一端和第二接触器的触点第一端连接，第一接触器的触点第一端和第二接触器的触点第一端均用于与外部电网连接，第一接触器的触点第二端与第一变流模块的第一端连接，第一变流模块的第二端分别与第二变流模块的第二端和第四接触器的触点第一端连接，第四接触器的触点第二端用于与外部的全钒液流电池连接，第二接触器的触点第二端分别与第二变流模块的第一端和第三接触器的触点第一端连接，第三接触器的触点第二端与第四接触器的触点第二端连接；

当第一接触器、第二接触器和第四接触器均闭合且第三接触器断开时，所述第一变流模块工作在双向AC/DC模式，第二变流模块工作在双向AC/DC模式；

当第一接触器、第三接触器和第四接触器均闭合且第二接触器断开时，所述第一变流模块工作在双向AC/DC模式，第二变流模块工作在双向DC/DC模式。

优选地，所述第一变流模块包括第一三相逆变桥和第一直流支撑电容；所述第一三相逆变桥的直流侧正极分别与第一直流支撑电容的第一端和第四接触器的触点第一端连接，第一三相逆变桥的直流侧负极与第一直流支撑电容的第二端连接，第二直流支撑电容的第二端还用于与所述全钒液流电池的负极连接，第四接触器的触点第二端用于与全钒液流电池的正极连接，第一三相逆变桥的交流侧与第一接触器的触点第二端连接。

优选地，所述第二变流模块包括第二三相逆变桥和第二直流支撑电容；所述第二三相逆变桥的直流侧正极分别与第二直流支撑电容的第一端和第四接触器的触点第一端连接，第二三相逆变桥的直流侧负极与第二直流支撑电容的第二端连接，第二直流支撑电容的第二端用于与所述全钒液流电池的负极连接，第二三相逆变桥的交流侧分别与第二接触器的触点第二端和第三接触器的触点第一端连接。

优选地，所述第一变流模块还包括第一交流电感单元，所述第一交流电感单元串接在第一三相逆变桥的交流侧与第一接触器的触点第二端之间。

优选地，所述第二变流模块还包括第二交流电感单元，所述第二交流电感单元串接在第二三相逆变桥的交流侧与第二接触器的触点第二端之间。

优选地，所述第一三相逆变桥为三相IGBT逆变桥。

优选地，所述第二三相逆变桥为三相IGBT逆变桥。

本实用新型具有的有益效果为：

（1）PCS内的第一接触器、第二接触器和第四接触器均闭合且第三接触器断开时，第一变流模块和第二变流模块实现并联，第一变流模块和第二变流模块均工作在双向AC/DC模式，共同给全钒液流电池充电或放电，实现了对全钒液流电池正常工作的充放电，并且对全钒液流电池的充放电过程只存在一级功率变换，同时对全钒液流电池的充电总功率等于第一变流模块和第二变流模块的充电功率之和，对全钒液流电池的放电总功率等于第一变流模块和第二变流模块的放电功率之和，据此本实用新型实现的PCS基于第一变流模块和第二变流模块的组合结构，相较于背景技术中的传统PCS方案而言，效率更高，将其应用于储能系统将使得整个储能系统的效率得到提升；

PCS内的第一接触器、第三接触器和第四接触器均闭合且第二接触器断开时，第一变流模块和第二变流模块级联，第一变流模块工作在双向AC/DC模式，第二变流模块工作在双向DC/DC模式，实现了对全钒液流电池的初充和维护放电，同时，通过第一变流模块和第二变流模块构成的两级变换来给全钒液流电池充电或放电，充放电电流可达到全钒液流电池正常工作时PCS额定充放电电流的二分之一，可见，本实用新型实现的PCS基于第一变流模块和第二变流模块的组合结构，只增加少量的成本投入就实现了PCS对全钒液流电池的初充和维护放电功能，并且初充和维护放电的时间也满足预期要求，达到了对成本、初充及维护放电时间的综合考虑。

附图说明

图1为背景技术中提到的全钒液流电池PCS的主电路原理图；

图2为实施例实现的模块组合结构的全钒液流电池PCS的一种主电路原理图；

图3为全钒液流电池处于正常工作状态时PCS的一种主电路连接图；

图4为全钒液流电池处于初充或维护状态时PCS的一种主电路连接图。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参阅图2-图4，本实施例提供了一种模块组合结构的全钒液流电池PCS，PCS的交流侧用于与外部的电网连接，PCS的直流侧用于与外部的储能电池连接，通过PCS实现储能电池与电网的能量交换。本实施例中的储能电池为全钒液流电池，由PCS和全钒液流电池组成电网侧的储能系统。

具体的，PCS包括第一变流模块和第二变流模块，第二变流模块可为一个或多个，PCS还包括第一接触器KM3、第二接触器KM4、第三接触器KM5和第四接触器KM6。其中，第一接触器KM3的触点第一端和第二接触器KM4的触点第一端用于与电网连接，第一接触器KM3的触点第二端与第一变流模块的第一端连接，第一变流模块的第二端分别与第二变流模块的第二端和第四接触器KM6的触点第一端连接，第四接触器KM6的触点第二端用于与全钒液流电池连接，第二接触器KM4的触点第二端分别与第二变流模块的第一端和第三接触器KM5的触点第一端连接，第三接触器KM5的触点第二端与第四接触器KM6的触点第二端连接。当第一接触器KM3、第二接触器KM4和第四接触器KM6均闭合且第三接触器KM5断开时，PCS对全钒液流电池进行正常工作状态下的充放电，此时第一变流模块工作在双向AC/DC模式，第二变流模块工作在双向AC/DC模式。当第一接触器KM3、第三接触器KM5和第四接触器KM6均闭合且第二接触器KM4断开时，PCS对全钒液流电池进行初充或维护放电，此时第一变流模块工作在双向AC/DC模式，第二变流模块工作在双向DC/DC模式。

在全钒液流电池的不同工作状态下，第一变流模块始终工作在双向AC/DC模式，第二变流模块根据全钒液流电池的不同工作状态选择工作在双向AC/DC模式或双向DC/DC模式。通过第一变流模块和第二变流模块的组合结构变化，使得PCS实现对全钒液流电池正常工作状态的充放电、对全钒液流电池接入储能系统后的初始充电（初充）以及对全钒液流电池维护状态的放电。与此同时，PCS对全钒液流电池进行正常工作状态下的充放电时，只经过了一级功率变换，相比背景技术中提出的传统PCS结构而言，PCS的效率得到了提升。此外，PCS对全钒液流电池进行初充或维护放电时，PCS的成本和充放电时间也得到了综合考虑。

作为一种改进，第一变流模块包括第一三相逆变桥和第一直流支撑电容Cd2，第一三相逆变桥的直流侧正极分别与第一直流支撑电容Cd2的第一端和第四接触器KM6的触点第一端连接，第一三相逆变桥的直流侧负极与第一直流支撑电容Cd2的第二端连接，第二直流支撑电容Cd2的第二端还用于与全钒液流电池的负极连接，第四接触器KM6的触点第二端用于与全钒液流电池的正极连接，第一三相逆变桥的交流侧与第一接触器KM3的触点第二端连接。第一三相逆变桥优选为三相IGBT逆变桥。

如图2所示，三相50Hz电网自上而下分别为A相输出（A相线）、B相输出（B相线）和C相输出（C相线）。PCS包括一个第一变流模块和一个第二变流模块。

具体的，第一三相逆变桥包括第一IGBT功率开关T9、第二IGBT功率开关T10、第三IGBT功率开关T11、第四IGBT功率开关T12、第五IGBT功率开关T13和第六IGBT功率开关T14。第一接触器KM3为包含多个触点的接触器。本实施例中第一接触器KM3包括第一A相触点（自上而下第一个触点）、第一B相触点（自上而下第二个触点）和第一C相触点（自上而下第三个触点）。第一IGBT功率开关T9的发射极分别与第二IGBT功率开关T10的集电极和第一A相触点的第二端连接，第一IGBT功率开关T9的集电极分别与第三IGBT功率开关T11的集电极、第五IGBT功率开关T13的集电极、第一直流支撑电容Cd2的第一端和第四接触器KM6的触点第一端连接，第三IGBT功率开关T11的发射级分别与第四IGBT功率开关T12的集电极和第一B相触点的第二端连接，第五IGBT功率开关T13的发射级分别与第六IGBT功率开关T14的集电极和第一C相触点的第二端连接，第二IGBT功率开关T10的发射极、第四IGBT功率开关T12的发射极、第六IGBT功率开关T14的发射极和第一直流支撑电容Cd2的第二端均用于与全钒液流电池的负极连接，第四接触器KM6的触点第二端用于经直流断路器QF4与全钒液流电池的正极连接，第一A相触点的第一端用于经第一交流断路器单元QF3内的第一交流断路器与电网的A相线连接，第一B相触点的第一端用于经第一交流断路器单元QF3内的第二交流断路器与电网的B相线连接，第一C相触点的第一端用于经第一交流断路器单元QF3内的第三交流断路器与电网的C相线连接。

作为另一种改进，上述第一变流模块还包括第一交流电感单元L3。第一交流电感单元L3串接在第一三相逆变桥的交流侧与第一接触器的触点第二端之间。

具体的，第一交流电感单元L3内的第一电感（自上而下的第一个电感）的第一端与第一IGBT功率开关T9的发射极连接，第一交流电感单元L3内的第二电感（自上而下的第二个电感）的第一端与第三IGBT功率开关T11的发射极连接，第一交流电感单元L3内的第三电感（自上而下的第三个电感）的第一端与第五IGBT功率开关T13的发射极连接，第一交流电感单元L3内的第一电感的第二端与第一A相触点的第二端连接，第一交流电感单元L3内的第二电感的第二端与第一B相触点的第二端连接，第一交流电感单元L3内的第三电感的第二端与第一C相触点的第二端连接。通过第一交流电感单元L3，滤除PCS交流侧引入的各种谐波干扰。

作为另一种改进，第二变流模块包括第二三相逆变桥和第二直流支撑电容Cd3；所述第二三相逆变桥的直流侧正极分别与第二直流支撑电容Cd3的第一端和第四接触器KM6的触点第一端连接，第二三相逆变桥的直流侧负极与第二直流支撑电容Cd3的第二端连接，第二直流支撑电容Cd3的第二端用于与全钒液流电池的负极连接，第二三相逆变桥的交流侧分别与第二接触器KM4的触点第二端和第三接触器KM5的触点第一端连接。第二三相逆变桥优选为三相IGBT逆变桥。

具体的，第二三相逆变桥包括第七IGBT功率开关T15、第八IGBT功率开关T16、第九IGBT功率开关T17、第十IGBT功率开关T18、第十一IGBT功率开关T19和第十二IGBT功率开关T20。第二接触器KM4为包含多个触点的接触器。本实施例中第二接触器KM4包括第二A相触点（自上而下第三个触点）、第二B相触点（自上而下第二个触点）和第二C相触点（自上而下第一个触点）。第三接触器KM5为包含多个触点的接触器。本实施例中第三接触器KM5包括第一直流触点（自上而下第一个触点）、第二直流触点（自上而下第二个触点）和第三直流触点（自上而下第三个触点）。第七IGBT功率开关T15的发射极分别与第八IGBT功率开关T16的集电极和第二C相触点的第二端连接，第九IGBT功率开关T17的发射极分别与第十IGBT功率开关T18的集电极和第二B相触点的第二端连接，第十一IGBT功率开关T19的发射极分别与第十二IGBT功率开关T20的集电极和第二A相触点的第二端连接，第七IGBT功率开关T15的集电极分别与第九IGBT功率开关T17的集电极、第十一IGBT功率开关T19的集电极、第二直流支撑电容Cd3的第一端和第四接触器KM6的触点第一端连接，第八IGBT功率开关T16的发射极、第十IGBT功率开关T18的发射极、第十二IGBT功率开关T20的发射极和第二直流支撑电容Cd3的第二端均用于与全钒液流电池的负极连接，第二A相触点的第一端用于与电网的A相线连接，第二B相触点的第一端用于与电网的B相线连接，第二C相触点的第一端用于与电网的C相线连接，第一直流触点的第一端与第二C相触点的第二端连接，第二直流触点的第一端与第二B相触点的第二端连接，第三直流触点的第一端与第二A相触点的第二端连接，第一直流触点的第二端、第二直流触点的第二端和第三直流触点的第二端均连接至第四接触器KM6的触点第二端。

作为另一种改进，上述第二变流模块还包括第二交流电感单元L4，第二交流电感单元L4串接在第二三相逆变桥的交流侧与第二接触器KM4的触点第二端之间。

具体的，第二交流电感单元L4内的第一电感（自上而下的第一个电感）的第一端与第七IGBT功率开关T15的发射极连接，第二交流电感单元L4内的第二电感（自上而下的第二个电感）的第一端与第九IGBT功率开关T17的发射极连接，第二交流电感单元L4内的第三电感（自上而下的第三个电感）的第一端与第十一IGBT功率开关T19的发射极连接，第二交流电感单元L4内的第一电感的第二端与第二C相触点的第二端连接，第二交流电感单元L4内的第二电感的第二端与第二B相触点的第二端连接，第二交流电感单元L4内的第三电感的第二端与第二A相触点的第二端连接。通过第二交流电感单元L4，滤除PCS交流侧引入的各种谐波干扰。此外，第二交流电感单元L4内的各个电感优选为相互独立的三个单相电感，或第二交流电感单元L4优选为三相四柱或三相五柱电感，防止在流过第二交流电感单元L4的电流为直流电时所出现的电感饱和。

作为另一种改进，PCS还包括第一预充电接触器KMc3、第一预充电电阻Rc1、第二预充电电阻Rc2、第三预充电电阻Rc3、第一交流滤波电容C1、第二交流滤波电容C2和第三交流滤波电容C3。在PCS接至交流侧电网后，先接通第一预充电接触器KMc3进行预充电，预充电完成后断开第一预充电接触器KMc3，而后在接通第一接触器KM3时，避免了启动过冲现象，进而提高了PCS的可靠性。

其中，第一预充电接触器KMc3为包含有多个触点的接触器。本实施例中第一预充电接触器KMc3包括第三A相触点（自上而下的第一个触点）、第三B相触点（自上而下的第二个触点）和第三C相触点（自上而下的第三个触点）。第一A相触点的第一端与第三A相触点的第一端连接，第一B相触点的第一端与第三B相触点的第一端连接，第一C相触点的第一端与第三C相触点的第一端连接，第三A相触点的第二端与第一预充电电阻Rc1的第一端连接，第三B相触点的第二端与第二预充电电阻Rc2的第一端连接，第三C相触点的第二端与第三预充电电阻Rc3的第一端连接，第一预充电电阻Rc1的第二端分别与第三交流滤波电容C3的第一端、第二交流滤波电容C2的第二端和第一A相触点的第二端连接，第二预充电电阻Rc2的第二端分别与第二交流滤波电容C2的第一端、第一交流滤波电容C1的第二端和第一B相触点的第二端连接，第三预充电电阻Rc3的第二端分别与第一交流滤波电容C1的第一端、第三交流滤波电容C3的第二端和第一C相触点的第二端连接。

作为另一种改进，PCS还包括第二预充电接触器KMc4和第四预充电电阻Rc4。本实施例中，第二预充电接触器KMc4为包含一个触点的接触器。在PCS接至直流侧全钒液流电池后，先接通第二预充电接触器KMc4进行预充电，预充电完成后断开第二预充电接触器KMc4，而后在接通第四接触器KM6时，避免了启动过冲现象，进而提高了PCS的可靠性。

其中，第二预充电接触器KMc4的触点第一端与第一直流支撑电容Cd2的第一端连接，第二预充电接触器KMc4的触点第二端与第四预充电电阻Rc4的第一端连接，第四预充电电阻Rc4的第二端与第四接触器KM6的触点第二端连接。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当理解本实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本实用新型的精神和范围，则都应在本实用新型所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种模块组合结构的全钒液流电池PCS，其特征在于，包括第一变流模块、第二变流模块、第一接触器、第二接触器、第三接触器和第四接触器；所述第一接触器的触点第一端和第二接触器的触点第一端连接，第一接触器的触点第一端和第二接触器的触点第一端均用于与外部电网连接，第一接触器的触点第二端与第一变流模块的第一端连接，第一变流模块的第二端分别与第二变流模块的第二端和第四接触器的触点第一端连接，第四接触器的触点第二端用于与外部的全钒液流电池连接，第二接触器的触点第二端分别与第二变流模块的第一端和第三接触器的触点第一端连接，第三接触器的触点第二端与第四接触器的触点第二端连接；

当第一接触器、第二接触器和第四接触器均闭合且第三接触器断开时，所述第一变流模块工作在双向AC/DC模式，第二变流模块工作在双向AC/DC模式；

当第一接触器、第三接触器和第四接触器均闭合且第二接触器断开时，所述第一变流模块工作在双向AC/DC模式，第二变流模块工作在双向DC/DC模式。

2.根据权利要求1所述的一种模块组合结构的全钒液流电池PCS，其特征在于，所述第一变流模块包括第一三相逆变桥和第一直流支撑电容；所述第一三相逆变桥的直流侧正极分别与第一直流支撑电容的第一端和第四接触器的触点第一端连接，第一三相逆变桥的直流侧负极与第一直流支撑电容的第二端连接，第二直流支撑电容的第二端还用于与所述全钒液流电池的负极连接，第四接触器的触点第二端用于与全钒液流电池的正极连接，第一三相逆变桥的交流侧与第一接触器的触点第二端连接。

3.根据权利要求2所述的一种模块组合结构的全钒液流电池PCS，其特征在于，所述第二变流模块包括第二三相逆变桥和第二直流支撑电容；所述第二三相逆变桥的直流侧正极分别与第二直流支撑电容的第一端和第四接触器的触点第一端连接，第二三相逆变桥的直流侧负极与第二直流支撑电容的第二端连接，第二直流支撑电容的第二端用于与所述全钒液流电池的负极连接，第二三相逆变桥的交流侧分别与第二接触器的触点第二端和第三接触器的触点第一端连接。

4.根据权利要求2所述的一种模块组合结构的全钒液流电池PCS，其特征在于，所述第一变流模块还包括第一交流电感单元，所述第一交流电感单元串接在第一三相逆变桥的交流侧与第一接触器的触点第二端之间。

5.根据权利要求3所述的一种模块组合结构的全钒液流电池PCS，其特征在于，所述第二变流模块还包括第二交流电感单元，所述第二交流电感单元串接在第二三相逆变桥的交流侧与第二接触器的触点第二端之间。

6.根据权利要求2所述的一种模块组合结构的全钒液流电池PCS，其特征在于，所述第一三相逆变桥为三相IGBT逆变桥。

7.根据权利要求3所述的一种模块组合结构的全钒液流电池PCS，其特征在于，所述第二三相逆变桥为三相IGBT逆变桥。