CN112072680A - 一种储能变流器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种储能变流器，包括依次连接的电池单元、电池侧DC/DC模块、公共直流母线、三相DC/AC换流链；各电池侧DC/DC模块的一端与对应的电池单元相连，各电池侧DC/DC模块的另一端并联后连接所述公共直流母线；每相DC/AC换流链的直流侧并联在所述公共直流母线上，交流侧形成星型或三角型连接方式以连接电网。本发明的储能变流器在某些电池单元故障时，将该故障的电池单元造成的电压的降低平摊到各相上来，以维持各相输出的平衡，保证***稳定性、高效性和可靠性。

Description

一种储能变流器
技术领域
本发明属于电力电子变换技术领域，具体涉及一种储能变流器。
背景技术
目前储能电站容量多为数兆瓦至数十兆瓦，现有三电平储能变流器拓扑在容量上难以满足需求，一般采用多组三电平储能变流器经升压变压器并联，再经过一级变压器或直接接入电网，由此组成大容量储能电站。该种结构存在诸多如：多机并联运行谐振风险、电网波动易失稳、电站输出谐波含量高、难以实现站级快速响应、仍需投资变压器、SVG、就地监控装置等造成整站成本高等问题和缺点。
采用链式拓扑的储能变流器可以实现一站一机，从根本上解决了上述问题，且具有广泛的工程应用前景。
基于链式拓扑的储能变流器通常采用的结构有：电池单元直接接H桥单元或经过双有源全桥直流变换器(Dual-Active Bridge，DAB)再接H桥单元级联并网。例如，授权公告号为CN207732448U的中国实用新型专利便公开了前者，前者低压侧和高压侧无隔离、电池悬浮于高电位、直流侧存在2倍频电流脉动，不利于低压侧绝缘设计并影响电池寿命；后者采用隔离结构但大大降低了变流器效率。更重要的是，两者均采用电池单元直接接入DC/AC模块的方式，而电池之间性能存在差异，易导致各相的输出不平衡；特别是电池容易出现故障，一旦电池出现故障，故障相的输出变化导致***失稳。
发明内容
本发明提供了一种储能变流器，用以解决现有技术中***易失稳的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案和有益效果为：
本发明的一种储能变流器，包括依次连接的电池单元、电池侧DC/DC模块、公共直流母线、三相DC/AC换流链；各电池侧DC/DC模块的一端与对应的电池单元相连，各电池侧DC/DC模块的另一端并联后连接所述公共直流母线；每相DC/AC换流链的直流侧并联在所述公共直流母线上，交流侧形成星型或三角型连接方式以连接电网。
其有益效果：该储能变流器，将电池单元与对应的电池侧DC/DC模块相连，并将各电池侧DC/DC模块的另一端并联后汇入公共直流母线，再将三相DC/AC换流链的直流侧并联在所述公共直流母线上，交流侧形成星型或三角型连接方式以连接电网，与电网实现能量交换。本发明的储能变流器在某些电池单元故障时，将该故障的电池单元造成的电压的降低平摊到各相上来，以维持各相输出的平衡，保证***稳定性、高效性和可靠性。
进一步的，为了实现大容量储能，每相DC/AC换流链均包括若干个DC/AC模块，每相换流链上的各DC/AC模块的直流端并联，每相换流链上的各DC/AC模块的交流端级联。
进一步的，为了可靠实现与电网的能量交换，所述DC/AC模块是隔离式DC/AC模块，包括电网侧DC/DC单元和DC/AC单元。
进一步的，为了简单、可靠实现变流功能，所述电网侧DC/DC单元是隔离式LLC谐振结构。
进一步的，为了简单、可靠实现变流功能，所述DC/AC单元是H桥结构。
进一步的，为了防止故障的DC/AC模块对***造成危害，每相DC/AC换流链的两端均设置有旁路电路。
进一步的，为了防止启动瞬间过压过流，电池单元与电池侧DC/DC变换器之间的线路上、公共直流母线与三相换流链之间的线路上、三相换流链与电网之间的线路上均设置有软启电路，所述软启电路包括总开关，所述总开关两端并联有串设的软启电阻和软启开关。
进一步的，为了将电池单元接入公共直流母线，电池侧DC/DC模块是两电平或三电平结构。
进一步的，为了保证能量可靠传输，电池侧DC/DC模块的一端与对应的电池单元之间设置有LC滤波电路。
附图说明
图1是本发明的Y型连接的储能变流器的电路图；
图2-1是本发明的采用三电平双向Buck/Boost拓扑的电池侧DC/DC模块的电路图；
图2-2是本发明的采用双向四开关Buck-Boost拓扑的电池侧DC/DC模块的电路图；
图3是本发明的采用隔离型LLC谐振结构的电网侧DC/DC单元的电路图；
图4是本发明的辅助电路中的旁路电路的电路图；
图5是本发明的包括旁路电路、软启电路、测量电路的储能变流器的电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。
该实施例提供了一种储能变流器，包括依次连接的电池单元、电池侧DC/DC模块、公共直流母线、三相DC/AC换流链。
其结构如下：各电池侧DC/DC模块的一端与对应的电池单元相连，各电池侧DC/DC模块的另一端并联后汇入公共直流母线，以维持公共直流母线电压恒定。每相DC/AC换流链的直流侧并联在公共直流母线上，交流侧以星型(Y型)或三角型(△型)连接方式连接电网(三相高压直流电网)，实现与电网的能量交换。每相DC/AC换流链均包括对应相DC/AC变换器，每相DC/AC变换器(即各功率模块)均包括若干个DC/AC模块，每相换流链上的各DC/AC模块的直流端并联，每相换流链上的各DC/AC模块的交流端级联。DC/AC模块为隔离型DC/AC模块，由LLC谐振变换器与H桥单元构成，前者实现低压侧与高压侧的电气隔离，并为H桥单元提供稳定的直流电压。
各电池单元可选择常见的储能电池，例如锂电池、铅酸电等电化学电池。电网电压等级可以是6kV、10kV及35kV，DC/AC模块的个数根据电网的电压等级来设置。如图1所示，下面将该储能变流器应用于10kV交流***，设计容量为2.5MW，级联侧采用全桥两电平Y型拓扑，考虑一定冗余，级联个数n＝12，DC/AC模块的个数为3*12个。
电池侧DC/DC模块为非隔离型DC/DC模块，其拓扑结构由电池单元和公共直流母线的电压共同决定。电池工作电压范围为Umin＜Ubattery＜Umax，当电池工作电压最大值小于公共直流母线电压时，即Umax＜Udc-bus时，电池侧DC/DC模块可选用两电平或三电平Buck/Boost电路。后者为两个两电平Buck/Boost半桥桥臂并联组成的全桥结构，每个桥臂由四个开关器件构成I型三电平拓扑。当能量从电池侧流向公共直流母线侧时上述两种拓扑均可等效为Boost电路，能量从公共直流母线侧流向电池侧时等效为Buck电路，实现能量在电池单元和公共直流母线间流动。如图2-1所示为一种三电平Buck/Boost，电池单元经过LC滤波电路接入由开关器件T1～T8构成的三电平Buck/Boost电路输入端，输出经滤波电容接入公共直流母线。具体开关器件规格的选取与设计容量、额定电流等有关。例如，设计容量50kW，额定电流为66A，考虑开关器件T1～T8的1.2倍瞬时过载及1.2倍的过流保护，开关器件T1～T8最大电流为85A，选用电压规格为600V、电流规格为90A的IGBT模块。
当公共直流母线电压处于电池工作电压最大值与最小值之间时，即Umin＜Udc-bus＜Umax时，电池侧DC/DC可选用双向Buck-Boost或双向四开关Buck-Boost(Four Switch Buck-Boost，FSBB)拓扑。前者是由传统的单向Buck-Boost中开关管和续流二极管均替换为开关管和反并联二极管组合，构成反极性变换电路。后者是由Buck拓扑的输出侧与Boost拓扑的输入侧级联，去掉中间支撑电容，合并储能电感构成。能量通过上述两种拓扑在电池侧与公共直流母线侧之间双向流动时，基于这两种拓扑的变换器均可等效为Buck-Boost变换器，双向流动时都能实现升压或者降压变换。如图2-2所示为一种双向四开关Buck-Boost电路，电池侧经滤波电容接入由开关器件T1～T4构成的双向四开关Buck-Boost变换器，输出经滤波电容接入公共直流母线。
如图3所示，LLC谐振变换器由开关器件和高频变压器组成隔离型DC/DC变换单元，该变换单元的原副边分别串联接入谐振电感Lr1和Lr2、谐振电容Cr1和Cr2，原边或副边并联接入或由绕组漏抗等效并联接入励磁电感Lm，三者共同组成谐振电路，通过调频控制实现各开关器件的全工作范围软开关，在实现电路低压侧与高压侧隔离的同时降低开关损耗。该LLC谐振变换器输入U1和输出U2分别经过支撑滤波电容C1、C2接公共直流母线和H桥单元。这里边各个器件规格的选取与设计容量、输入电压、输出电压等有关。例如，设计容量75kW，输入电压750V，输出电压1000V，低压侧额定电流为100A，通过LLC谐振变换器的开关器件Q1～Q4模块的峰值电流为141A，考虑功率模块的1.2倍瞬时过载及1.2倍的过流保护，通过开关器件Q1～Q4的电流峰值为240A，选用电压规格为1200V、电流规格为300A的IGBT模块。高压侧额定电流为75A，通过开关器件Q1～Q4的峰值电流为106A，考虑功率模块的1.2倍瞬时过载及1.2倍的过流保护，通过开关器件Q1～Q4的电流峰值为153A，选用电压规格为1700V、电流规格为225A的IGBT模块。具体谐振参数Lr1、Lr2、Lm和Cr1、Cr2由LLC谐振变换器的开关频率和高频变压器变比共同决定，上示例中Lr1＝Lr2＝50mH、Lm＝300mH和Cr1＝Cr2＝80uF。
如图1所示，H桥单元可采用两电平拓扑，输入端与前级LLC谐振变换器同极性并联，输出与同相的其他DC/AC变换器中的H桥模块级联。交流侧额定电流为144A，通过开关器件Q9～Q12的峰值电流为250A，考虑功率模块的1.2倍瞬时过载及1.2倍的过流保护，通过开关器件Q9～Q12的电流峰值为300A，选用电压规格为1700V、电流规格为300A的IGBT模块。另外，还可采用三电平拓扑的H桥单元。
该储能变流器还包括一些辅助电路：滤波电路、旁路电路、软启电路和测量电路。
该储能变流器中的滤波电路包括：设置在电池侧DC/DC模块的一端的LC滤波电路、设置在公共直流母线与三相DC/AC换流链之间线路上的滤波电感和滤波电容、设置在H桥单元直流侧的滤波电容、以及H桥单元级联后的并网电抗器(未画出)等。这些滤波电路可根据实际储能变流器结构、***参数以及电流电压纹波要求选择全部或部分滤波电路，并设置合适的滤波参数。
旁路电路分别接入在对应相DC/AC变换器的交流侧和直流侧，即LLC谐振变换器的公共直流母线侧和H桥单元的交流级联侧。当某一DC/AC变换器的低压侧或高压侧发生短路或断路故障时，对应的旁路电路实现故障DC/AC变换器的切除，防止公共直流母线或高压侧换流链短路或断路，造成更大危害，同时调整控制策略，使***降低容量稳定运行。可根据实际需求选择公共直流母线侧和交流级联侧旁路电路。如图4所示为一种结构的旁路电路，DC/AC变换器正常工作时旁路电路的触点1、2闭合，3、4断开，当DC/AC变换器的低压侧或高压侧发生短路或断路故障时，对应的旁路电路中1、2断开，3、4闭合，以实现故障DC/AC变换器的切除。
考虑到整个储能变流器的电路中存在储能元件，防止启动瞬间过压过流，如图5所示，在公共直流母线与各相DC/AC变换器之间、各相DC/AC变换器与电网之间设置有软启电路。另外，还可在电池单元与电池侧DC/DC变换器之间也设置软启电路(未画出)。软启电路包括总开关KM1，在总开关KM1的两端并联有串设的软启电阻R1和软启开关KM2。在软启过程中，控制总开关KM1断开，软启开关KM2闭合，以将软启电阻R1接入电路；软启过程结束后，控制总开关KM1闭合，软启开关KM2断开，以将软启电阻R1旁路掉。可根据启动冲击电流电压的大小选择全部或部分软启电路。
如图5所示，测量电路包括测量电池侧电压电流的电压互感器(Potentialtransformer，PT)和电流互感器(current transformer，CT)：测量公共直流母线电压电流的PT1和CT1(未画出)、测量DC/AC变换器电压电流PT3(未画出)和CT2、交流电网电压电流的PT2和CT3(未画出)，可根据具体控制策略选择全部或部分PT和CT。
另外，上述几种电池侧DC/DC非隔离变换器之间均可采用下垂控制或主从控制，控制电池单元的充放电以稳定公共直流母线电压的同时兼顾各电池单元的荷电状态(Stateof Charge，SOC)均衡；由LLC谐振变换器负责维持稳定与H桥单元之间的支撑电容电压，由H桥单元负责有功功率和无功功率的控制。通过对LLC谐振变换器和H桥单元控制共同实现相间和相内各功率模块均压、均流和功率均衡。
整体来看，该储能变流器采用链式拓扑，实现大容量直接并网，从根本上消除传统低压并联型储能电站的多机并联运行时谐振、电网波动易失稳、电站输出谐波含量高等风险，易满足整站快速响应，省去SVG、变压器、就地监控装置的投资。与目前在运行的链式储能拓扑相比较，电池侧采用带公共直流母线拓扑，增加了***运行的稳定性；DC/AC变换器采用LLC谐振结构的隔离型DC/DC变换器，可实现全工作范围功率器件软开关，保证效率的同时实现***低压侧与高压侧隔离、消除直流侧二倍频脉动，挺高***运行的安全性和稳定性。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种储能变流器，其特征在于，包括依次连接的电池单元、电池侧DC/DC模块、公共直流母线、三相DC/AC换流链；
各电池侧DC/DC模块的一端与对应的电池单元相连，各电池侧DC/DC模块的另一端并联后连接所述公共直流母线；
每相DC/AC换流链的直流侧并联在所述公共直流母线上，交流侧形成星型或三角型连接方式以连接电网。
2.根据权利要求1所述的储能变流器，其特征在于，每相DC/AC换流链均包括若干个DC/AC模块，每相换流链上的各DC/AC模块的直流端并联，每相换流链上的各DC/AC模块的交流端级联。
3.根据权利要求2所述的储能变流器，其特征在于，所述DC/AC模块是隔离式DC/AC模块，包括电网侧DC/DC单元和DC/AC单元。
4.根据权利要求3所述的储能变流器，其特征在于，所述电网侧DC/DC单元是隔离式LLC谐振结构。
5.根据权利要求3所述的储能变流器，其特征在于，所述DC/AC单元是H桥结构。
6.根据权利要求1所述的储能变流器，其特征在于，每相DC/AC换流链的两端均设置有旁路电路。
7.根据权利要求1所述的储能变流器，其特征在于，电池单元与电池侧DC/DC变换器之间的线路上、公共直流母线与三相换流链之间的线路上、三相换流链与电网之间的线路上均设置有软启电路，所述软启电路包括总开关，所述总开关两端并联有串设的软启电阻和软启开关。
8.根据权利要求1所述的储能变流器，其特征在于，电池侧DC/DC模块是两电平或三电平结构。
9.根据权利要求1所述的储能变流器，其特征在于，电池侧DC/DC模块的一端与对应的电池单元之间设置有LC滤波电路。
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