一種集成有源電力濾波器的鏈?zhǔn)诫姵貎?chǔ)能系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種集成有源電力濾波器的鏈?zhǔn)诫姵貎?chǔ)能系統(tǒng)，包括三相的主變換器、三相的從變換器、三個(gè)連接電抗器和三個(gè)斷路器，在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的每一相，所述主變換器交流側(cè)一端與所述從變換器交流側(cè)一端相級(jí)聯(lián)，所述主變換器交流側(cè)的另一端分別與所述連接電抗器的一端相連，所述主變換器用于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度指令基波有功／無功功率調(diào)節(jié)；所述三相的從變換器交流側(cè)的另一端相連構(gòu)成電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的中性點(diǎn)，所述從變換器起有源濾波作用；所述連接電抗器的另一端連接所述斷路器的一端，所述斷路器的另一端接入三相電網(wǎng)。本發(fā)明將儲(chǔ)能與有源濾波技術(shù)相結(jié)合，提供更為靈活和多樣的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能，且系統(tǒng)效率高，電池的循環(huán)壽命長。
【專利說明】—種集成有源電力濾波器的鏈?zhǔn)诫姵貎?chǔ)能系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及中高壓電力系統(tǒng)儲(chǔ)能領(lǐng)域，尤其是一種集成有源電力濾波器的鏈?zhǔn)诫姵貎?chǔ)能系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]作為電網(wǎng)運(yùn)行過程中“采-發(fā)-輸-配-用-儲(chǔ)”六大環(huán)節(jié)中的重要組成部分，儲(chǔ)能技術(shù)可以解決間歇式可再生能源發(fā)電直接并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，也可以用于削峰填谷平衡電網(wǎng)供電的峰谷差，此外，還能夠應(yīng)用于無功補(bǔ)充、調(diào)頻、黑啟動(dòng)、孤網(wǎng)運(yùn)行及事故備用等領(lǐng)域。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在容量、功率/能量密度、壽命、運(yùn)行效率及維護(hù)等方面均具有顯著優(yōu)勢(shì)，逐漸成為研究熱點(diǎn)及發(fā)展方向。
[0003]基于鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，采用耐壓較低的功率開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)較高電壓等級(jí)的能量轉(zhuǎn)換，不需要升壓變壓器，在體積、重量、占地及成本上優(yōu)勢(shì)明顯，且控制簡單、易于實(shí)現(xiàn)模塊化、擴(kuò)展性好，在各種中高壓大容量場合應(yīng)用較為廣泛。
[0004]在現(xiàn)有技術(shù)中的一種鏈?zhǔn)诫姵貎?chǔ)能系統(tǒng)，存在著以下一些缺陷:每個(gè)級(jí)聯(lián)單元中H橋變換器通過濾波電容與儲(chǔ)能電池組直接并聯(lián)，主要用于電網(wǎng)調(diào)度指令基波有功/無功功率的調(diào)節(jié)，沒有對(duì)負(fù)載側(cè)諧波與無功功率的補(bǔ)償功能，功能相對(duì)單一；電池組的串聯(lián)數(shù)取決于級(jí)聯(lián)單元的直流母線電壓等級(jí)，而過高的串聯(lián)數(shù)將降低系統(tǒng)可靠性；裝置需要采用相對(duì)較高的開關(guān)頻率以獲得較好的系統(tǒng)輸出諧波特性，系統(tǒng)損耗較大；裝置運(yùn)行時(shí)直流側(cè)會(huì)產(chǎn)生2次脈動(dòng)功率，且無功調(diào)節(jié)工況時(shí)，電池組將處于頻繁充電/放電狀態(tài)，將會(huì)影響電池的循環(huán)壽命，此外直流側(cè)2次脈動(dòng)功率也會(huì)影響系統(tǒng)輸出波形的質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提出一種集成有源電力濾波器的鏈?zhǔn)诫姵貎?chǔ)能系統(tǒng)，將儲(chǔ)能與有源濾波技術(shù)相結(jié)合，提供更為靈活和多樣的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能，且系統(tǒng)效率聞，電池的循環(huán)壽命長。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0007]一種集成有源電力濾波器的鏈?zhǔn)诫姵貎?chǔ)能系統(tǒng)，包括三相的主變換器、三相的從變換器、三個(gè)連接電抗器和三個(gè)斷路器，在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的每一相，所述主變換器交流側(cè)一端與所述從變換器交流側(cè)一端相級(jí)聯(lián)，所述主變換器交流側(cè)的另一端分別與所述連接電抗器的一端相連，所述主變換器用于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度指令基波有功/無功功率調(diào)節(jié)，同時(shí)補(bǔ)償負(fù)載側(cè)產(chǎn)生的基波無功電流；所述連接電抗器用于濾除電池儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)電流的高次諧波；所述三相的從變換器交流側(cè)的另一端相連構(gòu)成電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的中性點(diǎn)，所述從變換器起有源濾波作用，用于補(bǔ)償負(fù)載側(cè)產(chǎn)生的諧波與基波負(fù)序電流；所述連接電抗器的另一端連接所述斷路器的一端，所述斷路器的另一端接入三相電網(wǎng)，所述斷路器用于在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)生故障或維修時(shí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)與三相電網(wǎng)的切斷。
[0008]所述主變換器的每一相包括多個(gè)交流側(cè)串聯(lián)的級(jí)聯(lián)單元，所述級(jí)聯(lián)單元包括:H橋變換器、濾波電容、自動(dòng)開關(guān)、雙向DC / DC變換器和電池組，其中，所述H橋變換器的直流側(cè)與所述濾波電容并聯(lián)，所述雙向DC / DC變換器通過所述自動(dòng)開關(guān)與所述濾波電容并聯(lián)，所述電池組與所述雙向DC / DC變換器并聯(lián)。
[0009]所述主變換器采用較低的開關(guān)頻率，比如50Hz的幾倍，用于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度指令基波有功/無功功率調(diào)節(jié)，同時(shí)補(bǔ)償負(fù)載側(cè)產(chǎn)生的基波無功電流。
[0010]所述從變換器的每一相通過兩個(gè)由H橋變換器的直流側(cè)與電容并聯(lián)構(gòu)成的單元級(jí)聯(lián)而成。
[0011]所述從變換器采用較高的開關(guān)頻率來補(bǔ)償不對(duì)稱非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波與基波負(fù)序電流，同時(shí)還能改善電池儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出諧波特性。
[0012]所述濾波電容用于濾除直流側(cè)電壓的高次諧波，并存儲(chǔ)一定的有功能量以用于有功調(diào)節(jié)的快速響應(yīng)。
[0013]所述H橋變換器包括4個(gè)功率開關(guān)器件，每個(gè)功率開關(guān)器件由一個(gè)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)反并聯(lián)一個(gè)二極管構(gòu)成，4個(gè)功率開關(guān)器件連接成單相H橋結(jié)構(gòu)，單相H橋結(jié)構(gòu)用于整流與逆變，實(shí)現(xiàn)DC和AC能量的雙向流動(dòng)。
[0014]所述雙向DC / DC變換器包括2個(gè)功率開關(guān)器件和I個(gè)平波電感，每個(gè)功率開關(guān)器件由一個(gè)絕緣柵雙極晶體管反并聯(lián)一個(gè)二極管構(gòu)成，所述雙向DC / DC變換器采用三角波比較法生成所述2個(gè)功率開關(guān)器件的門極脈沖，控制流過所述平波電感的電池充放電電流。
[0015]所述雙向DC / DC變換器用于通過在Boost和Buck模式之間的切換，實(shí)現(xiàn)直流功率的雙向傳遞，將所述的H橋變換器直流側(cè)脈沖電流轉(zhuǎn)化為具有一定紋波的直流電流，有效抑制2次脈動(dòng)功率。
[0016]所述電池組是由一定數(shù)量的電池模塊串并聯(lián)組成，其中所述的電池模塊由一定數(shù)量的電池單體串并聯(lián)組成。
[0017]由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是:
[0018]I)將儲(chǔ)能與有源濾波技術(shù)相結(jié)合，提供更為靈活和多樣的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能。
[0019]2)主變換器開關(guān)器件多，工作頻率低，開關(guān)損耗小；從變換器開關(guān)器件少，盡管工作頻率較高，但總的系統(tǒng)功率損耗較小，系統(tǒng)效率高。
[0020]3)級(jí)聯(lián)單元直流側(cè)引入雙向DC / DC變換器，其Boost升壓作用降低了對(duì)電池組的端電壓要求；雙向DC / DC變換器能有效抑制2次脈動(dòng)功率，可獨(dú)立調(diào)節(jié)電池電流，避免充放電電流不均，也可以人為提供偏差以調(diào)節(jié)各電池組的荷電狀態(tài)，從而保證了電池的循環(huán)壽命。
[0021]4)從變換器采用2個(gè)H橋變換器級(jí)聯(lián)，可以獲得較高的等效開關(guān)頻率以及更多的輸出電平，能夠更好的改善系統(tǒng)補(bǔ)償特性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0023]圖1是本發(fā)明所提出的鏈?zhǔn)诫姵貎?chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖2是圖1中主變換器級(jí)聯(lián)單元結(jié)構(gòu)圖；[0025]圖3是本發(fā)明所提出的鏈?zhǔn)诫姵貎?chǔ)能系統(tǒng)功能框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明:本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0027]在本實(shí)施例的優(yōu)選例中，集成有源電力濾波器的鏈?zhǔn)诫姵貎?chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示，包括主變換器、從變換器(即有源電力濾波器，簡稱APF)、3個(gè)連接電抗器L和3個(gè)斷路器K。
[0028]主變換器包括3η 個(gè)級(jí)聯(lián)單元 al、a2、...、an,bl、b2、…、bn,cl、c2、…、cn,n ≥ 3。
從變換器每一相通過2個(gè)H橋變換器的直流側(cè)與電容并聯(lián)構(gòu)成的單元級(jí)聯(lián)而成。
[0029]主變換器的級(jí)聯(lián)單元如圖2所示，由H橋變換器、濾波電容C、自動(dòng)開關(guān)K1、雙向DC / DC變換器和電池組E構(gòu)成。
[0030]H橋變換器包括4個(gè)功率開關(guān)器件S1、S2、S3、S4，每個(gè)開關(guān)器件由一個(gè)IGBT反并聯(lián)一個(gè)二極管構(gòu)成，S1、S2、S3和S4連接成單相H橋結(jié)構(gòu)。雙向DC / DC變換器包括2個(gè)功率開關(guān)器件S5、S6 和I個(gè)平波電感U。
[0031]主變換器中H橋變換器直流側(cè)與濾波電容C并聯(lián)；雙向DC / DC變換器通過自動(dòng)開關(guān)K1與濾波電容C并聯(lián)；電池組E與雙向DC / DC變換器相并聯(lián)；每一相中，主變換器交流側(cè)一端和從變換器交流側(cè)一端相級(jí)聯(lián)，三相從變換器交流側(cè)的另一端相連構(gòu)成電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的中性點(diǎn)N。三相主變換器交流側(cè)的另一端分別與連接電抗器L一端相連，連接電抗器L的另一端連接斷路器K的一端，斷路器K的另一端接入三相電網(wǎng)。
[0032]鏈?zhǔn)诫姵貎?chǔ)能系統(tǒng)功能框圖如圖3所示，負(fù)載電流k經(jīng)過諧波與無功電流檢測(cè)環(huán)節(jié)得到基波無功電流iiq、基波負(fù)序電流L以及諧波電流ih。主變換器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)調(diào)度指令基波有功/無功功率P*和q*的調(diào)節(jié)，同時(shí)補(bǔ)償負(fù)載側(cè)基波無功電流ilq。從變換器主要起到有源濾波作用，用于補(bǔ)償負(fù)載側(cè)基波負(fù)序電流I1-和諧波電流ih，同時(shí)消除電池儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出指令電壓u*與主變換器實(shí)際輸出電壓U1的偏差A(yù)u，改善電池儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出波形質(zhì)量。最后通過調(diào)制算法產(chǎn)生觸發(fā)脈沖控制每個(gè)級(jí)聯(lián)單元的H橋變換器開關(guān)器件S1、S2、S3和S4，調(diào)節(jié)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出電壓的幅值和相位，從而實(shí)現(xiàn)上述多種功能。
[0033]主變換器中每個(gè)雙向DC / DC變換器采用三角波比較法生成開關(guān)器件S5和S6的門極脈沖，控制流過平波電感的電池充放電電流，通過在Boost和Buck模式之間的切換，實(shí)現(xiàn)直流功率的雙向傳遞。
[0034]本實(shí)施例所述的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅可以對(duì)電網(wǎng)側(cè)的有功/無功調(diào)度指令進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且同時(shí)能對(duì)負(fù)載側(cè)進(jìn)行諧波與無功功率補(bǔ)償，促進(jìn)間歇性可再生能源發(fā)電并網(wǎng)，解決電壓波動(dòng)與閃變、諧波與電壓三相不平衡等多種電能質(zhì)量問題。
[0035]以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種集成有源電力濾波器的鏈?zhǔn)诫姵貎?chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，包括三相的主變換器、三相的從變換器、三個(gè)連接電抗器和三個(gè)斷路器，在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的每一相，所述主變換器交流側(cè)一端與所述從變換器交流側(cè)一端相級(jí)聯(lián)，所述主變換器交流側(cè)的另一端分別與所述連接電抗器的一端相連，所述主變換器用于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度指令基波有功/無功功率調(diào)節(jié)，同時(shí)補(bǔ)償負(fù)載側(cè)產(chǎn)生的基波無功電流；所述連接電抗器用于濾除電池儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)電流的高次諧波；所述三相的從變換器交流側(cè)的另一端相連構(gòu)成電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的中性點(diǎn)，所述從變換器起有源濾波作用，用于補(bǔ)償負(fù)載側(cè)產(chǎn)生的諧波與基波負(fù)序電流；所述連接電抗器的另一端連接所述斷路器的一端，所述斷路器的另一端接入三相電網(wǎng)，所述斷路器用于在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)生故障或維修時(shí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)與三相電網(wǎng)的切斷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成有源電力濾波器的鏈?zhǔn)诫姵貎?chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，所述主變換器的每一相包括多個(gè)交流側(cè)串聯(lián)的級(jí)聯(lián)單元，所述級(jí)聯(lián)單元包括:H橋變換器、濾波電容、自動(dòng)開關(guān)、雙向DC / DC變換器和電池組，其中，所述H橋變換器的直流側(cè)與所述濾波電容并聯(lián)，所述雙向DC / DC變換器通過所述自動(dòng)開關(guān)與所述濾波電容并聯(lián)，所述電池組與所述雙向DC / DC變換器并聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成有源電力濾波器的鏈?zhǔn)诫姵貎?chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，所述從變換器的每一相通過兩個(gè)由H橋變換器的直流側(cè)與電容并聯(lián)構(gòu)成的單元級(jí)聯(lián)而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的集成有源電力濾波器的鏈?zhǔn)诫姵貎?chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，所述H橋變換器包括4個(gè)功率開關(guān)器件，每個(gè)功率開關(guān)器件由一個(gè)絕緣柵雙極晶體管反并聯(lián)一個(gè)二極管構(gòu)成，4個(gè)功率開關(guān)器件連接成單相H橋結(jié)構(gòu)，單相H橋結(jié)構(gòu)用于整流與逆變，實(shí)現(xiàn)DC和AC能量的雙向流動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的集成有源電力濾波器的鏈?zhǔn)诫姵貎?chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，所述雙向DC / DC變換器包括2個(gè)功率開關(guān)器件和I個(gè)平波電感,每個(gè)功率開關(guān)器件由一個(gè)絕緣柵雙極晶體管反并聯(lián)一個(gè)二極管構(gòu)成，所述雙向DC / DC變換器采用三角波比較法生成所述2個(gè)功率開關(guān)器件的門極脈沖，控制流過所述平波電感的電池充放電電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的集成有源電力濾波器的鏈?zhǔn)诫姵貎?chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，所述電池組是由一定數(shù)量的電池模塊串并聯(lián)組成，其中所述電池模塊由一定數(shù)量的電池單體串并聯(lián)組成。
【文檔編號(hào)】H02J3/32GK103580048SQ201310476459
【公開日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年10月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月12日
【發(fā)明者】毛蘇閩, 李睿, 蔡旭 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)