一種基于模塊化多電平變流器的復合型儲能系統(tǒng)技術方案

本發(fā)明專利技術公開了一種基于模塊化多電平變流器的復合型儲能系統(tǒng)，包括能量型儲能模塊和功率型儲能模塊，所述能量型儲能模塊經(jīng)過一個DC/DC變換器與模塊化多電平變流器的直流端連接，功率型儲能模塊與每個模塊化多電平變流器子模塊中的半橋電路并聯(lián)，模塊化多電平變流器通過電抗器接入三相電源，其中，所述的DC/DC變換器用于控制能量型儲能模塊的雙向功率流進行充電和放電，所述半橋電路控制功率型儲能模塊的功率流，能量型儲能模塊和功率型儲能模塊分別在DC/DC變換器和半橋電路的控制下實現(xiàn)能量自由存儲控制。本發(fā)明專利技術大大提升了儲能系統(tǒng)的綜合性能，能夠提高儲能設備效率、極大的延長儲能設備使用壽命、降低儲能成本，同時有利于電網(wǎng)協(xié)調(diào)電能質量改進。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術屬于儲能系統(tǒng)
，特別涉及一種基于模塊化多電平變流器的復合型儲能系統(tǒng)。
技術介紹
隨著風能、太陽能等可再生能源發(fā)電的發(fā)展，現(xiàn)代電力系統(tǒng)中將擁有越來越多的間歇性和不穩(wěn)定電源，導致對儲能技術的需求越來越強烈，儲能技術在電力系統(tǒng)中不再只是錦上添花的作用，而是逐漸成為一種必需。電力儲能的方式已被廣泛研究，目前主要有目前主要有抽水儲能，壓縮空氣儲能，飛輪儲能，超導儲能，電池儲能，超級電容器儲能等。其中，隨著電池技術的革新，電池儲能系統(tǒng)是目前最有投資/成本效益的儲能技術之一，具有模塊化、響應快、商業(yè)化程度高的特點。電池儲能是能量型儲能的典型代表，而電網(wǎng)期望儲能系統(tǒng)能夠同時滿足能量型儲能需求和功率型儲能需求。通常單一的儲能元件(電池)無法兼顧能量型和功率型儲能，因此引入超級電容(功率型儲能的典型代表)，發(fā)展復合型儲能系統(tǒng)顯得十分必要。在電池和超級電容器的儲能系統(tǒng)中，儲能功率變流器是儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的接口，是儲能系統(tǒng)的核心部件，除了進行能量管理外還要實現(xiàn)儲能系統(tǒng)各項并網(wǎng)功能。目前已經(jīng)出現(xiàn)的儲能功率變流器有：(1)采用基于兩電平變流器的儲能系統(tǒng)；其主要缺點是單管承受反壓大，而且輸出電壓和電流的畸變率高，需要通過濾波后才能并網(wǎng)。(2)采用基于二極管箝位三電平變流器的儲能系統(tǒng)；其主要缺點是：當電平數(shù)較多時，變換器的結構過于復雜，箝位二極管的數(shù)量也大大地增加，同時也增加了控制的難度。(3)采用基于飛跨電容箝位的三電平變流器的儲能系統(tǒng)；其主要缺點是：當電平數(shù)較多時，箝位電容的數(shù)量大大增加，也增加了平衡箝位電容電壓的難度。(4)采用基于級聯(lián)H橋多電平變流器的儲能系統(tǒng)；其主要缺點是：無公共直流母線，無法組成復合型儲能系統(tǒng)。以上四種儲能功率變流器因為各自固有的缺陷，限制了其在復合型儲能系統(tǒng)中的應用。
技術實現(xiàn)思路
專利技術目的：本專利技術針對現(xiàn)有技術存在的問題，提供了一種使用方便，降低儲能成本的基于模塊化多電平變流器的復合型儲能系統(tǒng)。技術方案：本專利技術提供了一種基于模塊化多電平變流器的復合型儲能系統(tǒng)，包括能量型儲能模塊和功率型儲能模塊，所述能量型儲能模塊經(jīng)過一個DC/DC變換器與模塊化多電平變流器(下文簡稱MMC)的直流端連接，功率型儲能模塊與每個模塊化多電平變流器子模塊中的半橋電路并聯(lián)，模塊化多電平變流器通過電抗器接入三相電源，其中，所述的DC/DC變換器用于控制能量型儲能模塊的雙向功率流進行充電和放電，所述半橋電路控制功率型儲能模塊的功率流，能量型儲能模塊和功率型儲能模塊分別在DC/DC變換器和半橋電路的控制下實現(xiàn)能量自由存儲控制。進一步，所述能量型儲能模塊包括多個串聯(lián)、先串聯(lián)后并聯(lián)或者先并聯(lián)后串聯(lián)的能量型儲能元件。進一步，所述功率型儲能模塊包括多個串聯(lián)的功率型儲能元件。更進一步，所述功率型儲能元件為超級電容。進一步，所述模塊化多電平變流器中包括多個緩沖電感，模塊化多電平變流器中每相上橋臂最后一個模塊化多電平變流器子模塊的輸出端和下橋臂第一個模塊化多電平變流器子模塊的輸入端分別與一個緩沖電感連接，模塊化多電平變流器中每相上下橋臂的緩沖電感相互連接之后與每相對應的電抗器連接。進一步，所述模塊化多電平變流器采用環(huán)流抑制或電容電壓平衡的控制策略。進一步，所述半橋電路根據(jù)每個模塊化多電平變流器子模塊中功率型儲能模塊要求釋放和吸收的能量以及自身能量來延長或縮短半橋電路的開通時間。這樣能夠實現(xiàn)各功率型儲能模塊之間的能量平衡。有益效果：與現(xiàn)有的技術相比，本專利技術將能量型儲能元件通過DC/DC變換器接入模塊化多電平變流器的直流母線，將功率型儲能元件集成入模塊化多電平變流器的內(nèi)部子模塊直流側并構成分布式的功率型儲能，基于模塊化多電平變流器實現(xiàn)了復合型儲能系統(tǒng)，而且能量型儲能元件與功率型儲能元件之間的能量可自由控制，避免能量型儲能元件因放電導致模塊化多電平變流器直流側的電壓波動對儲能系統(tǒng)的影響。本專利技術的復合儲能系統(tǒng)充分利用了能量型儲能元件能量密度大，功率型儲能元件功率密度大、循環(huán)壽命長的優(yōu)點，大大提升了儲能系統(tǒng)的綜合性能，能夠提高儲能設備效率、極大的延長儲能設備使用壽命、降低儲能成本，同時有利于電網(wǎng)協(xié)調(diào)電能質量改進。附圖說明圖1為本專利技術的系統(tǒng)示意圖；圖2為本專利技術中MMC子模塊結構示意圖。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術做更進一步的解釋。本專利技術提供了一種基于模塊化多電平變流器的復合型儲能系統(tǒng)，如圖1所示，包括電池儲能元件1、DC/DC變換器2、MMC子模塊3、電抗器4、電源系統(tǒng)5和緩沖電感6。其中，MMC子模塊3內(nèi)部集成有功率型儲能元件7，功率型儲能元件7可由多個超級電容器串聯(lián)組合而成，功率型儲能元件7與半橋電路8并聯(lián)，半橋電路8的輸入腳i和輸出腳o即為MMC子模塊3的輸入端和輸出端，依次將每個橋臂上的MMC子模塊輸出腳與下個MMC子模塊的輸入腳相連接，并將三相中每相上橋臂中第一個MMC子模塊輸入腳連接形成MMC的直流正母線，三相中每相下橋臂中最后一個MMC子模塊輸出腳連接形成MMC的直流負母線，每相上橋臂最后一個MMC子模塊的輸出端和下橋臂第一個MMC子模塊的輸入端分別與一個緩沖電感6連接，上下橋臂中的緩沖電感6相互連接之后與每相對應的電抗器4連接。能量型儲能元件1可由蓄電池經(jīng)串聯(lián)、先串后并或先并后串組合而成，并輔以主動單體電池能量均衡系統(tǒng)或者被動單體電池能量均衡系統(tǒng)，能量型儲能元件1的正極通過DC/DC變換器2與MMC的直流正母線連接，能量型儲能元件1的負極通過DC/DC變換器2與MMC的直流負母線連接電抗器4的輸出端與位于復合型儲能系統(tǒng)外部的電源系統(tǒng)5連接。工作時，DC/DC變換器2用于控制能量型儲能元件1的雙向功率流，具有充電和放電兩種工作模式，在系統(tǒng)設定的充電期間或者人工干預下進入充電工作模式，此時DC/DC變換器2的功率流向為從MMC直流母線至能量型儲能元件，其他時間段均為放電工作模式，能量型儲能元件1只放電而不充電，直至儲存電能釋放完畢。功率型儲能元件7的功率流由半橋電路8控制，電源系統(tǒng)5的短時間能量供需波動由功率型儲能元件7來提供，電源系統(tǒng)5向儲能系統(tǒng)供能時，由半橋電路8控制功率型儲能元件7吸收能量，反之，當電源系統(tǒng)從儲能系統(tǒng)吸收能量時，由半橋電路8控制功率型儲能元件7釋放能量，其不足部分由能量型儲能元件提供。利用DC/DC變換器2和半橋電路8實現(xiàn)了兩種儲能元件之間的能量自由控制。其中，電源系統(tǒng)5可以是公共電網(wǎng)、微電網(wǎng)、電動汽車的充電機與電動機、軌道交通車輛和艦船的配電系統(tǒng)。如圖2所示，MMC子模塊3由功率型儲能元件7和半橋電路8并聯(lián)而成，半橋電路8包括2個功率管9和2個反并聯(lián)二極管10，通過控制兩個功率管9的開通或關斷，MMC子模塊3的電平輸出有兩個狀態(tài)，即高電平和零電平輸出。功率型儲能元件7典型地由超級電容器串聯(lián)而成，并輔以主動超級電容器電壓均衡系統(tǒng)或者被動超級電容器電壓均衡系統(tǒng)，由于超級電容器被分散到MMC子模塊中，可以根據(jù)儲能系統(tǒng)的電壓等級和儲能容量確定每個模塊中的超級電容器數(shù)量，且由于每個子模塊所輸出的電壓等級較低，所以每組相互串聯(lián)的超級電容器數(shù)量大為減少，從而大大簡化了超級電容器電壓均衡系統(tǒng)的復雜度和降低了系統(tǒng)造價。各個MMC子模塊中超級電容器的能量差異需要進行一定的控制。具體當某一MMC本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種基于模塊化多電平變流器的復合型儲能系統(tǒng)，其特征在于：包括能量型儲能模塊和功率型儲能模塊，所述能量型儲能模塊經(jīng)過一個DC/DC變換器與模塊化多電平變流器的直流端連接，功率型儲能模塊與每個模塊化多電平變流器子模塊中的半橋電路并聯(lián)，模塊化多電平變流器通過電抗器接入三相電源，其中，所述的DC/DC變換器用于控制能量型儲能模塊的雙向功率流進行充電和放電，所述半橋電路控制功率型儲能模塊的功率流，能量型儲能模塊和功率型儲能模塊分別在DC/DC變換器和半橋電路的控制下實現(xiàn)能量自由存儲控制。

【技術特征摘要】
1.一種基于模塊化多電平變流器的復合型儲能系統(tǒng)，其特征在于：包括能量型儲能模塊和功率型儲能模塊，所述能量型儲能模塊經(jīng)過一個DC/DC變換器與模塊化多電平變流器的直流端連接，功率型儲能模塊與每個模塊化多電平變流器子模塊中的半橋電路并聯(lián)，模塊化多電平變流器通過電抗器接入三相電源，其中，所述的DC/DC變換器用于控制能量型儲能模塊的雙向功率流進行充電和放電，所述半橋電路控制功率型儲能模塊的功率流，能量型儲能模塊和功率型儲能模塊分別在DC/DC變換器和半橋電路的控制下實現(xiàn)能量自由存儲控制。2.根據(jù)權利要求1所述的基于模塊化多電平變流器的復合型儲能系統(tǒng)，其特征在于：所述能量型儲能模塊包括多個串聯(lián)、先串聯(lián)后并聯(lián)或者先并聯(lián)后串聯(lián)的能量型儲能元件。3.根據(jù)權利要求1所述的基于模塊化多電平變流器的復合型儲能系統(tǒng)，其特征在于：所述功率型儲能模塊包括多個串聯(lián)的功率型儲能元件。4...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：張建忠，胡省，王偉，孫耀東，
申請(專利權)人：東南大學，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇;32