一種原邊集成式模塊化獨(dú)立控制電池儲能系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種原邊集成式模塊化獨(dú)立控制電池儲能系統(tǒng)，所述電池儲能系統(tǒng)包括電池單元，由串聯(lián)的多組電池模塊組成；主功率變換器，用于控制電池單元的主電流，主功率變換器與電池單元并聯(lián)，且主功率變換器接入三相交流電網(wǎng)；以及輔助功率變換器，與多組電池模塊連接并分別對每組電池模塊進(jìn)行閉環(huán)獨(dú)立控制，用于控制每組電池模塊的充放電電流與主電流的差值。本發(fā)明專利技術(shù)通過主功率變換器和輔助功率變換器實(shí)現(xiàn)對電池模塊的差異電流部分進(jìn)行獨(dú)立控制，而無需對全部電池電流進(jìn)行獨(dú)立控制，且原邊采用集成單繞組結(jié)構(gòu)，減小變流器的損耗和成本，并提高電池模塊的能量利用率。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種原邊集成式模塊化獨(dú)立控制電池儲能系統(tǒng)
本專利技術(shù)涉及儲能系統(tǒng)領(lǐng)域以及電力電子變換器領(lǐng)域，具體地，涉及一種原邊集成式模塊化獨(dú)立控制電池儲能系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
隨著環(huán)境和能源問題在全球范圍內(nèi)成為焦點(diǎn)，可再生能源發(fā)電已經(jīng)發(fā)展成為智能電網(wǎng)的重要?jiǎng)恿Γ溟g歇性和波動(dòng)性對電網(wǎng)電壓頻率等產(chǎn)生影響。其中，電池儲能系統(tǒng)由于具有緩解間歇性電源的功率波動(dòng)、優(yōu)化電網(wǎng)質(zhì)量等功能而備受關(guān)注。圖1是傳統(tǒng)的電池儲能系統(tǒng)示意圖。如圖1所示，將上百只單體電池集中串聯(lián)，并采用集中型大功率變換器并網(wǎng)。由于單體電池之間SOC(荷電量)、容量、內(nèi)阻等存在不一致性，大量串聯(lián)應(yīng)用使電池容量和能量利用率降低，壽命縮短。圖2是現(xiàn)有模塊化電池儲能系統(tǒng)示意圖。如圖2所示，根據(jù)電池模塊化柔性成組概念，將傳統(tǒng)電池儲能系統(tǒng)中的大規(guī)模串聯(lián)電池組分成若干個(gè)低壓電池模塊，每個(gè)電池模塊通過功率變換器構(gòu)成儲能模塊，再通過不同連接方式接入電網(wǎng)，構(gòu)成柔性成組儲能系統(tǒng)。現(xiàn)有的模塊化電池儲能系統(tǒng)通常采用全功率獨(dú)立控制型儲能系統(tǒng)。全功率獨(dú)立控制型柔性成組儲能系統(tǒng)主要有三種結(jié)構(gòu)：一、H橋級聯(lián)型柔性成組儲能系統(tǒng)，采用三相交流輸出結(jié)構(gòu)，每個(gè)子模塊直流側(cè)為相互獨(dú)立的電池模塊，經(jīng)各自的H橋DC/AC變換器后產(chǎn)生低壓交流電壓，模塊級聯(lián)后產(chǎn)生并網(wǎng)所需交流電壓，接入三相交流電網(wǎng)。電池模塊充放電時(shí)的全部功率通過H橋進(jìn)行變換及控制，造成變流器的成本、體積、損耗隨總功率而增加，中低電壓場合應(yīng)用時(shí)效率較低。二、模塊化多電平變流器(MMC，modular-multilevel-converter)電池儲能系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)交、直流電網(wǎng)功率傳輸?shù)耐瑫r(shí)也可以實(shí)現(xiàn)儲能電池模塊的全功率獨(dú)立控制。子模塊電流中包含直流分量、一次諧波分量及二次諧波分量，造成模塊開關(guān)器件電流應(yīng)力大，通態(tài)損耗較大。變流器的成本、體積隨總功率而增加，不適合中低電壓場合應(yīng)用。三、DC-DC級聯(lián)型柔性成組儲能系統(tǒng)，通過N個(gè)相同的DC-DC型儲能模塊級聯(lián)而成，可以構(gòu)成單獨(dú)的直流儲能系統(tǒng)，接入中間直流母線或直流電網(wǎng)，也可以通過傳統(tǒng)并網(wǎng)變流器接入交流電網(wǎng)。DC-DC變換器結(jié)構(gòu)簡單、控制簡單、可靠性高，不存在交流分量，開關(guān)器件電流應(yīng)力低于H橋級聯(lián)，系統(tǒng)效率較高。但是模塊全功率通過DC-DC變換器，開關(guān)管流過全部電流、絕對損耗較大；DC-DC變換器的成本、體積隨總功率而增加，在系統(tǒng)中占較大比例。在以上現(xiàn)有的全功率獨(dú)立控制型柔性成組儲能系統(tǒng)中，不論電流差異大小，電池模塊的全部充放電電流都要流過各自的變流器開關(guān)器件，造成器件電流應(yīng)力大、成本高、導(dǎo)通損耗大，隨著系統(tǒng)容量的增加，問題更加突出。通常在合理配置電池容量的情況下，各電池模塊容量基本在一定范圍內(nèi)，即使是梯次利用電池，容量差異也不會太大，所需要的充放電電流也不會有太大差異，因此沒有必要對全部電池電流進(jìn)行獨(dú)立控制，而僅需對其中部分的差異電流進(jìn)行控制，就可以實(shí)現(xiàn)電池模塊能量利用率的提高。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
鑒于以上問題，本專利技術(shù)的目的是提供一種原邊集成式模塊化獨(dú)立控制電池儲能系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有全功率型模塊化柔性成組儲能系統(tǒng)中，開關(guān)器件流過電池模塊的全部充放電電流，而導(dǎo)致器件電流應(yīng)力大、成本高和導(dǎo)通損耗大的問題。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用以下技術(shù)方案：本專利技術(shù)所述原邊集成式模塊化獨(dú)立控制電池儲能系統(tǒng)，包括：電池單元，包括串聯(lián)的多組電池模塊；主功率變換器，與電池單元并聯(lián)，用于控制電池單元的主電流，且主功率變換器接入三相交流電網(wǎng)；以及輔助功率變換器，與多組電池模塊連接并分別對每組電池模塊進(jìn)行閉環(huán)獨(dú)立控制，用于控制每組電池模塊的充放電電流與所述主電流的差值。優(yōu)選的，所述主功率變換器包括：第一電容器，與電池單元并聯(lián)；以及第一開關(guān)管至第六開關(guān)管，每個(gè)開關(guān)管分別反并聯(lián)一個(gè)二極管，第一開關(guān)管連接在第一電感器的第一端與電池單元的正極之間，第二開關(guān)管連接在第一電感器的第一端與電池單元的負(fù)極之間，第三開關(guān)管連接在第二電感器的第一端與電池單元的正極之間，第四開關(guān)管連接在第二電感器的第一端與電池單元的負(fù)極之間，第五開關(guān)管連接在第三電感器的第一端與電池單元的正極之間，第六開關(guān)管連接在第三電感器的第一端與電池單元的負(fù)極之間，第一電感器、第二電感器和第三電感器的第二端分別接入三相交流電網(wǎng)的一相。優(yōu)選的，所述輔助功率變換器包括：原邊集成式高頻隔離變壓器，所述原邊集成式高頻隔離變壓器包括一個(gè)集成原邊繞組和多個(gè)副邊繞組；原邊變換器，與集成原邊繞組連接；以及多個(gè)副邊變換器，每個(gè)副邊繞組通過每個(gè)副邊變換器與每組電池模塊對應(yīng)連接。進(jìn)一步地，優(yōu)選的，所述原邊變換器包括：第七開關(guān)管至第十開關(guān)管，每個(gè)開關(guān)管分別反并聯(lián)一個(gè)二極管，第七開關(guān)管連接在集成原邊繞組的第一端子與電池單元的正極之間，第八開關(guān)管連接在集成原邊繞組的第一端子與電池單元的負(fù)極之間，第九開關(guān)管連接在集成原邊繞組的第二端子與電池單元的正極之間，第十開關(guān)管連接在集成原邊繞組的第二端子與電池單元的負(fù)極之間。作為另一優(yōu)選，所述原邊變換器包括：第七開關(guān)管，反并聯(lián)一個(gè)二極管，所述第七開關(guān)管連接在集成原邊繞組的第一端子與電池單元的正極之間；第八開關(guān)管，反并聯(lián)一個(gè)二極管，所述第八開關(guān)管連接在集成原邊繞組的第一端子與電池單元的負(fù)極之間；第二電容器，連接在集成原邊繞組的第二端子與電池單元的正極之間；以及第三電容器，連接在集成原邊繞組的第二端子與電池單元的負(fù)極之間。優(yōu)選的，所述副邊變換器包括：第十一開關(guān)管至第十四開關(guān)管，每個(gè)開關(guān)管分別反并聯(lián)一個(gè)二極管，所述第十一開關(guān)管的第一端連接在電池模塊的正極，所述第十一開關(guān)管的第二端通過第四電感器連接在副邊繞組的第一端子，所述第十二開關(guān)管的第一端通過第四電感器連接在副邊繞組的第一端子，所述第十二開關(guān)管的第二端連接在電池模塊的負(fù)極，所述第十三開關(guān)管連接在副邊繞組的第二端子與電池模塊的正極之間，所述第十四開關(guān)管連接在副邊繞組的第二端子與電池模塊的負(fù)極之間；以及第四電容器，與電池模塊并聯(lián)。作為另一優(yōu)選，所述副邊變換器包括：第十一開關(guān)管，反并聯(lián)一個(gè)二極管，所述第十一開關(guān)管的第一端連接在電池模塊的正極，所述第十一開關(guān)管的第二端通過第四電感器連接在副邊繞組的第一端子；第十二開關(guān)管，反并聯(lián)一個(gè)二極管，所述第十二開關(guān)管的第一端通過第四電感器連接在副邊繞組的第一端子，所述第十二開關(guān)管的第二端連接在電池模塊的負(fù)極；第四電容器，與電池模塊并聯(lián)；第五電容器，連接在副邊繞組的第二端子與電池模塊的正極之間；以及第六電容器，連接在副邊繞組的第二端子與電池模塊的負(fù)極之間。優(yōu)選的，所述主功率變換器通過矢量控制、有功功率和無功功率解耦控制中的一種控制主電流，其中，矢量控制包括正弦脈寬調(diào)制(SPWM)和空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)中的一種。優(yōu)選的，所述輔助功率變換器通過移相控制策略對所述差值進(jìn)行控制，所述移相控制策略包括橋間移相方式、擴(kuò)展移相方式、橋間橋內(nèi)雙移相和三移相、脈寬調(diào)制(PWM)加移相控制、三角波調(diào)制和梯形波調(diào)制中的一種或多種。優(yōu)選的，所述原邊變換器與電池單元連接，或所述原邊變換器與外部直流電源連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：本專利技術(shù)中，主功率變換器承擔(dān)大部分功率，控制電池單元的主電流，提高整機(jī)效率；輔助功率變換器控制電池模塊充放電電流與主電流之間的差異部分，可適應(yīng)多組電池模塊的不一致性，提高電本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種原邊集成式模塊化獨(dú)立控制電池儲能系統(tǒng)，其特征在于，包括：電池單元，所述電池單元包括串聯(lián)的多組電池模塊；主功率變換器，所述主功率變換器與所述電池單元并聯(lián)，用于控制所述電池單元的主電流，所述主功率變換器接入三相交流電網(wǎng)；以及輔助功率變換器，與多組電池模塊連接并分別對每組電池模塊進(jìn)行閉環(huán)獨(dú)立控制，用于控制每組電池模塊的充放電電流與所述主電流的差值。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種原邊集成式模塊化獨(dú)立控制電池儲能系統(tǒng)，其特征在于，包括：電池單元，所述電池單元包括串聯(lián)的多組電池模塊；主功率變換器，所述主功率變換器與所述電池單元并聯(lián)，用于控制所述電池單元的主電流，所述主功率變換器接入三相交流電網(wǎng)；以及輔助功率變換器，與多組電池模塊連接并分別對每組電池模塊進(jìn)行閉環(huán)獨(dú)立控制，用于控制每組電池模塊的充放電電流與所述主電流的差值。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原邊集成式模塊化獨(dú)立控制電池儲能系統(tǒng)，其特征在于，所述主功率變換器包括：第一電容器，與所述電池單元并聯(lián)；以及第一開關(guān)管至第六開關(guān)管，所述第一開關(guān)管至第六開關(guān)管的每個(gè)開關(guān)管分別反并聯(lián)一個(gè)二極管，第一開關(guān)管連接在第一電感器的第一端與所述電池單元的正極之間，第二開關(guān)管連接在第一電感器的第一端與所述電池單元的負(fù)極之間，第三開關(guān)管連接在第二電感器的第一端與所述電池單元的正極之間，第四開關(guān)管連接在第二電感器的第一端與所述電池單元的負(fù)極之間，第五開關(guān)管連接在第三電感器的第一端與所述電池單元的正極之間，第六開關(guān)管連接在第三電感器的第一端與所述電池單元的負(fù)極之間，第一電感器、第二電感器和第三電感器的第二端分別接入所述三相交流電網(wǎng)的一相。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原邊集成式模塊化獨(dú)立控制電池儲能系統(tǒng)，其特征在于，所述輔助功率變換器包括：原邊集成式高頻隔離變壓器，所述原邊集成式高頻隔離變壓器包括一個(gè)集成原邊繞組和多個(gè)副邊繞組；原邊變換器，與所述集成原邊繞組連接；以及多個(gè)副邊變換器，每個(gè)副邊繞組通過每個(gè)副邊變換器與每組電池模塊對應(yīng)連接。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的原邊集成式模塊化獨(dú)立控制電池儲能系統(tǒng)，其特征在于，所述原邊變換器包括：第七開關(guān)管至第十開關(guān)管，所述第七開關(guān)管至第十開關(guān)管的每個(gè)開關(guān)管分別反并聯(lián)一個(gè)二極管，第七開關(guān)管連接在所述集成原邊繞組的第一端子與所述電池單元的正極之間，第八開關(guān)管連接在所述集成原邊繞組的第一端子與所述電池單元的負(fù)極之間，第九開關(guān)管連接在所述集成原邊繞組的第二端子與所述電池單元的正極之間，第十開關(guān)管連接在所述集成原邊繞組的第二端子與所述電池單元的負(fù)極之間。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的原邊集成式模塊化獨(dú)立控制電池儲能系統(tǒng)，其特征在于，所述原邊變換器包括：第七開關(guān)管，所述第七開關(guān)管反并聯(lián)一個(gè)二極管，所述第七開關(guān)管連接在所述集成原邊繞組的第一端子與所述電池單元的正極之間；第八開關(guān)管，所述第八開關(guān)管反并聯(lián)一個(gè)二極管，...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：梁暉，李乾，李丹，
申請(專利權(quán))人：北京交通大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：北京,11