多電平多端口發(fā)電儲能混合裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種多電平多端口發(fā)電儲能混合裝置，包括與發(fā)電模塊相連的第一全橋變換器、與儲能模塊相連的第二全橋變換器、與多繞組變壓器相連的第三全橋變換器、通過濾波電感連接于電網(wǎng)的H橋變換器。發(fā)電/儲能混合裝置使得不規(guī)則的新能源發(fā)電功率較為平滑，而且限制了電網(wǎng)電壓跌落時的電網(wǎng)電流。多端口全橋隔離型直流/直流變換器可以實(shí)現(xiàn)不同輸出電壓等級的發(fā)電模塊和儲能模塊的靈活匹配，同時利用變壓器的漏電感和開關(guān)器件寄生電容實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了較高的效率和電氣隔離，節(jié)約了成本。電網(wǎng)側(cè)采用級聯(lián)H橋逆變器，獲得多電平的輸出電壓，改善了電磁兼容性能和并網(wǎng)諧波性能。
【專利說明】多電平多端口發(fā)電儲能混合裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于電工、電力電子、新能源發(fā)電領(lǐng)域，涉及一種基于級聯(lián)H橋和多端口全橋隔離型直流/直流變換器的發(fā)電儲能裝置，適用于分布式發(fā)電系統(tǒng)、新能源汽車能
量管理系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]能源和環(huán)境問題日益突出，新能源發(fā)電技術(shù)得到快速的發(fā)展。然而，相比于傳統(tǒng)的發(fā)電方式，新能源發(fā)電具有波動性，為了提高電能質(zhì)量，需要加入儲能裝置。下面以光伏發(fā)電為例，進(jìn)行具體的說明。光伏發(fā)電具有節(jié)約能源、機(jī)械部件少等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有前景的新能源發(fā)電技術(shù)。然而，光伏電流會隨著光照強(qiáng)度發(fā)生改變，輸出電壓也會隨著光伏模塊的溫度發(fā)生改變。由于隨機(jī)氣候條件，光伏功率存在波動，為了補(bǔ)償固有的光伏功率波動，提供高電能的質(zhì)量，需要使用能量存儲系統(tǒng)，因此蓄電池可以平滑不規(guī)則的光伏輸出功率。當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)脫離，形成孤島模式時，光伏/蓄電池混合發(fā)電系統(tǒng)可以提供穩(wěn)定的輸出功率。
[0003]光伏、蓄電池的電壓等級較低，一般需要經(jīng)過直流/直流變換器進(jìn)行升壓，才能滿足并網(wǎng)逆變器的要求。直流/直流變換器分為非隔離型和隔離型，非隔離型直流/直流變換器所需元器件較少，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，但是，其升壓范圍有限，而且不能實(shí)現(xiàn)很好的電氣隔離。隔離型直流/直流變換器具有電氣隔離功能、升壓范圍寬。在集成多個直流電源時，多端口隔離型直流/直流結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高、易于實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)、減小功率損耗。
[0004]功率變換器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，但是功率開關(guān)器件的快速開關(guān)動作會產(chǎn)生較大的電壓變化，容易產(chǎn)生電磁干擾問題。傳統(tǒng)的光伏和蓄電池直流/直流變換器都是獨(dú)立，所需直流/直流變換器個數(shù)多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。另外，傳統(tǒng)的光伏和蓄電池并網(wǎng)逆變器采用獨(dú)立的并網(wǎng)逆變器，并網(wǎng)諧波較大。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]技術(shù)問題:針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提出一種電磁兼容性好，交流輸出電壓和電流諧波小，結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)效率高的多電平多端口發(fā)電儲能混合裝置。
[0006]技術(shù)方案:本實(shí)用新型的一種多電平多端口發(fā)電儲能混合裝置，包括在交流側(cè)級聯(lián)的多個發(fā)電子系統(tǒng)單元、將發(fā)電子系統(tǒng)單元與外部的電網(wǎng)相連接的濾波電感。每個發(fā)電子系統(tǒng)單元包括第一全橋變換器、第二全橋變換器、與第一全橋變換器直流端連接的發(fā)電模塊、與第二全橋變換器直流端連接的儲能模塊、同時與第一全橋變換器交流端和第二全橋變換器交流端連接的多繞組變壓器、與多繞組變壓器連接的第三全橋變換器、與第三全橋變換器的直流端連接的H橋變換器，H橋變換器的交流輸出端與濾波電感連接。
[0007]本實(shí)用新型中，上述第一全橋變換器、第二全橋變換器、第三全橋變換器和多繞組變壓器組成多端口全橋隔離型直流/直流變換器，實(shí)現(xiàn)發(fā)電/儲能混合裝置的能量管理。上述多端口全橋隔離型直流/直流變換器可以采用移相控制或者解耦控制策略，多端口之間的功率可進(jìn)行雙向流動。整個工作過程中，系統(tǒng)對發(fā)電模塊進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，并對儲能模塊的充放電電流進(jìn)行控制。當(dāng)發(fā)電功率大于并網(wǎng)逆變器輸出功率時，其剩余的功率將為儲能模塊充電；當(dāng)發(fā)電功率小于并網(wǎng)逆變器輸出功率時，不足的功率由儲能模塊提供。
[0008]本實(shí)用新型中，發(fā)電模塊可以為光伏電池、燃料電池或風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
[0009]本實(shí)用新型中，儲能模塊可以為蓄電池、超級電容、飛輪或超導(dǎo)磁體。
[0010]上述各發(fā)電子系統(tǒng)單元中的H橋逆變器，在交流側(cè)進(jìn)行級聯(lián)，可以獲得多電平的輸出電壓，改善電磁兼容性能和諧波性能。而且可以減小逆變器的功率等級，便于模塊化設(shè)計，進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。
[0011]相同的單相系統(tǒng)可以進(jìn)行擴(kuò)充，構(gòu)成三相多電平多端口發(fā)電儲能混合裝置。
[0012]有益效果:本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0013]( I)由于電網(wǎng)側(cè)基于H橋級聯(lián)的逆變器將多個發(fā)電子系統(tǒng)單元的直流母線電壓進(jìn)行了級聯(lián)，通過一定控制策略可在電網(wǎng)輸出側(cè)產(chǎn)生多電平的逆變器輸出電壓，改善電網(wǎng)電流的諧波性能。
[0014]( 2)由于電網(wǎng)側(cè)基于H橋級聯(lián)的逆變器將多個發(fā)電子系統(tǒng)單元的直流母線電壓進(jìn)行了級聯(lián)，相當(dāng)于多個直流母線電壓相加。在交流輸出電壓幅值不變的情況下，使得每個直流母線電壓降低。各個發(fā)電子系統(tǒng)單元中共模和差模電壓減小，變換器電磁干擾減小。同時，各個發(fā)電子系統(tǒng)單兀中電壓上升率dv/dt減小。
[0015](3)由于系統(tǒng)中既有發(fā)電模塊又有儲能模塊，該系統(tǒng)具有一定的容錯能力，在電網(wǎng)電壓跌落時，發(fā)電模塊發(fā)出的電能可有效存儲于儲能模塊中，不至于發(fā)出的電能無法輸出造成系統(tǒng)出現(xiàn)過壓或過流現(xiàn)象。
[0016](4)多端口的直流/直流變換器，利用變壓器漏感和開關(guān)器件的寄生電容，實(shí)現(xiàn)諧振，從而實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，降低了損耗；系統(tǒng)采用移相控制或者解耦控制，方便實(shí)現(xiàn)混合能量源之間的功率分配。
[0017](5)在發(fā)電模塊、儲能模塊和電網(wǎng)之間提供電氣隔離能力；將發(fā)電模塊、儲能模塊直流/直流變換器結(jié)構(gòu)集成在一起，且具有開關(guān)器件軟開關(guān)能力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本實(shí)用新型裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2為本實(shí)用新型裝置中發(fā)電子系統(tǒng)單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3為本實(shí)用新型裝置中多端口全橋隔離型直流/直流變換器的控制策略原理示意圖；
[0021]圖4為本實(shí)用新型裝置中級聯(lián)H橋并網(wǎng)逆變器的控制策略原理示意圖。
[0022]圖中有:發(fā)電子系統(tǒng)單元1、濾波電感2、電網(wǎng)3、發(fā)電模塊4、儲能模塊5、第一全橋變換器6、第二全橋變換器7、多繞組變壓器8、第三全橋變換器9、H橋逆變器10、多端口全橋隔離型直流/直流變換器11、移相方波發(fā)生器12、比例積分控制器13、減法器14、低通濾波器15、乘法器16、比例積分控制器17、減法器18、乘法器19、電壓控制器20、減法器21、除法器22、減法器23、電流控制器24、減法器25、乘法器26。
【具體實(shí)施方式】[0023]為使本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面以光伏/蓄電池混合系統(tǒng)為具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型原理。
[0024]如附圖1和2中所示，多電平多端口發(fā)電儲能混合裝置，包括在交流側(cè)級聯(lián)的多個發(fā)電子系統(tǒng)單兀1、將發(fā)電子系統(tǒng)單兀I與外部的電網(wǎng)3相連接的濾波電感2 ;每個發(fā)電子系統(tǒng)單元I包括第一全橋變換器6、第二全橋變換器7、與第一全橋變換器6直流端連接的發(fā)電模塊4、與第二全橋變換器7直流端連接的儲能模塊5、同時與第一全橋變換器6交流端和第二全橋變換器7交流端連接的多繞組變壓器8、與多繞組變壓器8連接的第三全橋變換器9、與第三全橋變換器9的直流端連接的H橋變換器10，H橋變換器10的交流輸出端與濾波電感2連接。上述第一全橋變換器6、第二全橋變換器7、第三全橋變換器9和多繞組變壓器8組成多端口全橋隔離型直流/直流變換器。
[0025]多端口全橋隔離型直流/直流變換器能夠雙向傳遞功率，蓄電池組和電網(wǎng)可以靈活實(shí)現(xiàn)能量的雙向流通。多端口全橋隔離型直流/直流變換器的控制策略原理如圖3所示。檢測蓄電池組的輸出電流，與給定電流一起送入減法器14，得到誤差信號，送入比例積分控制器13，得到第一全橋變換器6與第二全橋變換器7之間的移相控制角Φ12。使用低通濾波器15可以得到光伏電池的平均電流IPV，光伏電池兩端的電壓和電流經(jīng)過乘法器16，得到光伏電池的輸出功率，將其與給定輸出功率送入減法器18，得到誤差信號，再經(jīng)過比例積分控制器17，產(chǎn)生第一全橋變換器6與第三全橋變換器9之間的移相控制角Φ13。移相控制角Φ12和Φ13送入移相方波發(fā)生器12，產(chǎn)生PWM信號，將此PWM信號送入多端口全橋隔離型直流/直流變換器U，則可實(shí)現(xiàn)多端口之間的能量管理。
[0026]級聯(lián)H橋的控制策略原理如圖4所示。將圖1中的兩個發(fā)電子系統(tǒng)單元I分別記為發(fā)電子系統(tǒng)單兀Al和發(fā)電子系統(tǒng)單兀B1。發(fā)電子系統(tǒng)單兀Al中對應(yīng)的H橋逆變器10
的控制方式為:將直流母線電壓參考值7^和實(shí)際值vDa通過減法器21相減，其相減的結(jié)果
經(jīng)過電壓控制器20相乘。其結(jié)果和電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)值Vin nOTm通過乘法器19相乘，獲得H橋
逆變器10的輸出參考電壓匕!e/1。圖1中發(fā)電子系統(tǒng)單元BI中對應(yīng)的H橋逆變器10的控
制方法為:整個系統(tǒng)總的并網(wǎng)電流參考值幅值和電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)值vin—nOT通過乘法器26
相乘，得到并網(wǎng)電流參考值。并網(wǎng)電流參考值和并網(wǎng)電流實(shí)際值i通過減法器25相
減。其結(jié)果通過電流控制器24，獲得圖1中發(fā)電子系統(tǒng)單元BI中對應(yīng)的H橋逆變器10的控制電壓。該控制電壓和電網(wǎng)電壓Vtoid、發(fā)電子系統(tǒng)單元Al中對應(yīng)的H橋逆變器10的輸出電壓進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算，其結(jié)果和發(fā)電子系統(tǒng)單元BI中直流母線電壓Vdc2通過除
法器22相除，得到發(fā)電子系統(tǒng)單元BI中對應(yīng)的H橋逆變器10的輸出參考電壓
【權(quán)利要求】
1.一種多電平多端口發(fā)電儲能混合裝置，其特征在于，該裝置包括在交流側(cè)級聯(lián)的多個發(fā)電子系統(tǒng)單元(I)、將所述發(fā)電子系統(tǒng)單元(I)與外部的電網(wǎng)(3)相連接的濾波電感(2)； 每個所述發(fā)電子系統(tǒng)單元(I)包括第一全橋變換器(6)、第二全橋變換器(7)、與所述第一全橋變換器(6 )直流端連接的發(fā)電模塊(4 )、與所述第二全橋變換器(7 )直流端連接的儲能模塊(5 )、同時與第一全橋變換器(6 )交流端和第二全橋變換器(7 )交流端連接的多繞組變壓器(8 )、與多繞組變壓器(8 )連接的第三全橋變換器(9 )、與所述第三全橋變換器(9 )的直流端連接的H橋變換器(10 )，所述H橋變換器(10 )的交流輸出端與濾波電感(2 )連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平多端口發(fā)電儲能混合裝置，其特征在于，所述第一全橋變換器(6 )、第二全橋變換器(7 )、多繞組變壓器(8 )和第三全橋變換器(9 )組成多端口全橋隔離型直流/直流變換器，實(shí)現(xiàn)發(fā)電儲能混合裝置的能量管理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平多端口發(fā)電儲能混合裝置，其特征在于，所述發(fā)電模塊為光伏電池、燃料電池或風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平多端口發(fā)電儲能混合裝置，其特征在于，所述儲能模塊為蓄電池、超級電容、飛輪或超導(dǎo)磁體。
【文檔編號】H02J3/28GK203574386SQ201320628178
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年10月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月12日
【發(fā)明者】王政, 儲凱, 程明 申請人:東南大學(xué)