CN109755951B - 一种模块化多电平储能***及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电力电子技术应用领域，特别涉及一种模块化多电平储能***及其控制方法。所述模块化多电平储能拓扑包括第一变换器、第一母线、第二母线、第一母线开关、第二母线开关、第二变换器，其中第一母线开关和第二母线开关的数量可根据具体负荷情况确定。本发明提供的方案，能够实现大规模储能电池的并联运行、储能电池均压、储能电池的故障检修及在线投退。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术应用领域，特别涉及一种模块化多电平储能***及其控制方法。
背景技术
近年来，国家鼓励试验示范100MW级锂离子电池储能***,鼓励应用推广100MW级全钒液流电池储能电站以及高性能铅炭电容电池储能***等。目前商用单台储能变流器的功率一般不大于0.5MW。这个功率级别的变流器建设大功率大容量的储能电站,一般是多台变流器在低压交流侧并联运行,再通过多台升压变压器接入的中高压电力***中。
国家电网公司在张北建设了全国最大的风光储输示范工程,其中的储能***是20MW/95MWh,共使用了46台500kVA的储能变流器(Power Control System--PCS)并联运行。南方电网公司在深圳宝清建设了4MW/16MWh的储能示范工程，整个储能***就包含48台DC-AC变换器。
储能电池具有非线性、不一致性和时变特性,使其在长期充放电过程中由于各单体组间充电接受能力、自放电率和容量衰减速率等的影响,容易造成电池之间离散性加大,性能衰减加剧。储能电池使用过程中会遇到电池组电压不一致问题,直接影响整组电池的性能,严重的情况甚至会发生威胁安全的严重后果。
有鉴于此,提供一种拓扑,实现大规模储能电池的并联运行、储能电池均压、储能电池的故障检修及在线投退,具有非常重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种模块化多电平储能***及其控制方法，实现大规模储能电池的并联运行、储能电池均压、储能电池的故障检修及在线投退。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种模块化多电平储能***，所述模块化多电平储能***包括第一变换器、第一母线、第二母线、第一母线开关、第二母线开关、第二变换器，其中第一母线开关和第二母线开关的数量为N,N为大于等于1的整数；所述第一变换器用于将交流电变为直流电,所述第二变换器用于直流电之间的变换；第一变换器一端连接交流电网，另一端连接第一母线；第二变换器的第一端接第一母线，第二端接第二母线；所述的第一母线开关的一端接第一母线，所述的第二母线开关的一端接第二母线；所述的第一母线开关和第二母线开关的另一端并联后接入电池***。
进一步地，所述第一变换器为AC/DC变换器或变流器；所述第二变换器为DC/DC变换器或变流器。
进一步地，所述的第一变换器的结构采用模块化多电平拓扑、三电平拓扑或者两电平拓扑。
进一步地，所述第一变换器采用模块化多电平拓扑结构时，功率模块为半桥模块，或者全桥模块，或者半桥模块和全桥模块的混合。
进一步地，所述的第一母线开关和第二母线开关的另一端并联之后通过第一电池开关接入电池***。
进一步地，所述的第一母线开关和第二母线开关的另一端并联之后通过第三变换器接入电池***；所述第三变换器为DC/DC变流器或者变换器。
进一步地，所述的第二变换器的第一端经第四开关接第一母线。
进一步地，所述的第二变换器的第二端经第五开关接第二母线。
本发明同时提出了一种模块化多电平储能***的控制方法，当所述模块化多电平储能***启动时，所述控制方法包括如下步骤：
步骤一：分断第一母线开关和第二母线，连接第二变换器与第一母线和第二母线；
步骤二：启动第一变换器，并把第一母线电压控制到预设初始电压值；
步骤三：闭合电池***的第二母线开关；
步骤四：启动第二变换器，把电池***的电压控制到第一母线的当前电压值；
步骤五：停止第二变换器；
步骤六：分断电池***的第二母线开关；
步骤七：闭合电池***的第一母线开关。
本发明同时提出了另一种模块化多电平储能***的控制方法，当模块化多电平储能***正常运行且出现异常电池***时，所述控制方法包括如下步骤：
步骤一：断开异常电池***的第一母线开关；
步骤二：更换异常电池***或者维修异常电池***；
步骤三：闭合第二母线开关；
步骤四：启动第二变流器，并把电池***的电压控制到当前第一母线电压；
步骤五：停止第二变流器；
步骤六：分断第二母线开关；
步骤七：闭合第一母线开关。
本发明的有效效果：
1)现有储能拓扑很少考虑大规模电池直接并联使用，大规模电池并联***的启动及单个电池故障在线投退的控制方法也很少。本发明介绍了一种储能拓扑及其控制方法，采用两组母线和两个变换器，解决了大规模电池并联的启动问题和故障电池的在线投退难题，极大提高了储能***的运行可靠性，为百兆瓦级储能电站的建设提供了一种有效解决方案。
2)现有储能方案均需要通过工频变压器进行并网。工频变压器体积大，造价高，效率低。本发明提供了无需工频变压器，通过模块化多电平直接并网解决方案。该方案成本低，效率高，特别适用于大规模储能电池并网适用。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明一种模块化多电平储能***的一个实施例。
图2为本发明一种模块化多电平储能***的另一个实施例。图3为本发明一种模块化多电平储能***第一变换器的一种实施例。
图4为本发明一种模块化多电平储能***第一变换器的功率模块第一实施例。
图5为本发明一种模块化多电平储能***第一变换器的功率模块第二实施例。
图6为本发明一种模块化多电平储能***的第三实施例。
图7为本发明一种模块化多电平储能***的第四实施例。
图中标号名称：1、第一母线正极；2、第一母线负极；3、第二母线正极；4、第二母线负极；5、第一母线开关；6、第二母线开关；7、第一电池开关；8、第四开关；9、第五开关；21、第一变换器；31、第二变换器；71、第三变换器。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，为本发明的一种模块化多电平储能***的一个实施例，所述模块化多电平储能拓扑包括第一变换器21、第一母线、第二母线、第一母线开关5、第二母线开关6、第二变换器31；其中1为第一母线正极、2为第一母线负极，3为第二母线正极，4为第二母线负极；第一母线开关和第二母线开关的数量可根据具体负荷数量的多少情况确定。所述第一变换器用于将交流电变为直流电,所述第二变换器用于直流电之间的变换；第一变换器一端连接交流电网，另一端连接第一母线；第二变换器的第一端接第一母线，第二端接第二母线；所述的第一母线开关的一端接第一母线，所述的第二母线开关的一端接第二母线。所述的第一母线开关和第二母线开关的另一端并联后接入电池***。本实施例中，第一变换器为AC/DC变换器或变流器；第二变换器为DC/DC变换器或变流器。
如图2所示的另一个实施例中第二变换器的第一端经第四开关8接第一母线。第二变换器的第二端经第五开关9接第二母线。在其他实施例中，第四开关8可以不要，第二变换器直接接第一母线。第五开关9也可以不要，第二变换器直接接第二母线。
在优选的实施例中，第一变换器的结构采用模块化多电平拓扑、三电平拓扑或者两电平拓扑。如图3所示，为第一变换器采用模块化多电平拓扑的示意图。所述的模块化多电平拓扑的功率模块可以是半桥模块，如图4所示。所述的模块化多电平拓扑的功率模块也可以是全桥模块，如图5所示。所述的模块化多电平拓扑的功率模块也可以是一定数量半桥模块和一定数量的全桥混合。
如图6所示的另一个实施例中第一母线开关和第二母线开关的另一端并联之后通过第一电池开关7接电池***。
如图7所示的又一个实施例中所述的第一母线开关和第二母线开关的另一端并联之后接第三变换器71，所述第三变换器另一端接电池。所述第三变换器为DC/DC变流器或者变换器。
本发明的模块化多电平储能***的启动控制方法的实施例，用于当***启动时，所述控制方法具体包括如下步骤：
S101：分断第一母线开关和第二母线开关，连接第二变换器与第一母线和第二母线。
S102：启动第一变换器，并把第一母线电压控制到预设初始电压值。
S103：闭合电池***的第二母线开关。
S104：启动第二变换器，把电池***的电压控制到第一母线的当前电压值。
S105：停止第二变换器。
S106：分断电池***的第二母线开关。
S107：闭合电池***的第一母线开关。
本发明的一种模块化多电平储能***的控制方法另一个实施例,用于当模块化多电平储能***正常运行且出现异常电池***时,具体步骤包括:
所述储能拓扑的异常电池***控制方法，其特征在于：当***正常运行且出现异常电池***时，所述控制方法包括如下步骤：
S201：断开异常电池***的第一母线开关。
S202：更换异常电池***或者维修异常电池***。
S203：闭合第二母线开关
S204：启动第二变流器，并把电池***的电压控制到当前第一母线电压。
S205：停止第二变流器。
S206：分断第二母线开关。
S207：闭合第一母线开关。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围。所属技术领域的普通技术人员应当理解到：对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明提出的技术思想和范围的任何修改或者等同替换均应涵盖在本发明权利要求的范围当中。
Claims (9)
1.一种模块化多电平储能***，用于大规模储能电池的并联运行，其特征在于：所述模块化多电平储能***包括第一变换器、第一母线、第二母线、第一母线开关、第二母线开关、第二变换器，其中第一母线开关和第二母线开关的数量为N,N为大于等于1的整数；所述第一变换器为AC/DC变换器或变流器，所述第一变换器用于将交流电变为直流电,所述第二变换器为DC/DC变换器或变流器，所述第二变换器用于直流电之间的变换；第一变换器一端连接交流电网，另一端连接第一母线；第二变换器的第一端接第一母线，第二端接第二母线；所述的第一母线开关的一端接第一母线，所述的第二母线开关的一端接第二母线；所述的第一母线开关和第二母线开关的另一端并联后接入电池***。
2.如权利要求1所述的模块化多电平储能***，其特征在于：所述的第一变换器的结构采用模块化多电平拓扑、三电平拓扑或者两电平拓扑。
3.如权利要求1所述的模块化多电平储能***，其特征在于：所述第一变换器采用模块化多电平拓扑结构时，功率模块为半桥模块，或者全桥模块，或者半桥模块和全桥模块的混合。
4.如权利要求1所述的模块化多电平储能***，其特征在于：所述的第一母线开关和第二母线开关的另一端并联之后通过第一电池开关接入电池***。
5.如权利要求1所述的模块化多电平储能***，其特征在于：所述的第一母线开关和第二母线开关的另一端并联之后通过第三变换器接入电池***；所述第三变换器为DC/DC变流器或者变换器。
6.如权利要求1所述的模块化多电平储能***，其特征在于：所述的第二变换器的第一端经第四开关接第一母线。
7.如权利要求1所述的模块化多电平储能***，其特征在于：所述的第二变换器的第二端经第五开关接第二母线。
8.一种基于权利要求1所述模块化多电平储能***的控制方法，其特征在于：当所述模块化多电平储能***启动时，所述控制方法包括如下步骤：
步骤一：分断第一母线开关和第二母线开关，连接第二变换器与第一母线和第二母线；
步骤二：启动第一变换器，并把第一母线电压控制到预设初始电压值；
步骤三：闭合电池***的第二母线开关；
步骤四：启动第二变换器，把电池***的电压控制到第一母线的当前电压值；
步骤五：停止第二变换器；
步骤六：分断电池***的第二母线开关；
步骤七：闭合电池***的第一母线开关。
9.一种基于权利要求1所述模块化多电平储能***的控制方法，其特征在于：当模块化多电平储能***正常运行且出现异常电池***时，所述控制方法包括如下步骤：
步骤一：断开异常电池***的第一母线开关；
步骤二：更换异常电池***或者维修异常电池***；
步骤三：闭合第二母线开关；
步骤四：启动第二变流器，并把电池***的电压控制到当前第一母线电压；
步骤五：停止第二变流器；
步骤六：分断第二母线开关；
步骤七：闭合第一母线开关。
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