一種基于mmc拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合儲能系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合儲能系統(tǒng)，包括若干個化學(xué)儲能電池、若干個電容器和基于MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變換器，單個的化學(xué)儲能電池和電容器分別通過子模塊與變換器相連，且子模塊的一端與化學(xué)儲能電池或電容器相連，另一端串聯(lián)在變換器中。優(yōu)選，所述子模塊是由兩個全控型功率元器件和一個電容組成的半橋子模塊，兩個全控型功率元器件串聯(lián)后與電容并聯(lián)。優(yōu)選，所述子模塊是由四個全控型功率元器件和一個電容組成的全橋子模塊，四個全控型功率元器件兩兩串聯(lián)后均與電容并聯(lián)。本發(fā)明的直流潮流器電路結(jié)構(gòu)簡單、擴(kuò)展方便、無需低頻隔離變壓器，通過簡單的控制方法即可實(shí)現(xiàn)單個儲能單元的功率控制，提高了整個儲能系統(tǒng)的可靠性和冗余性。
【專利說明】一種基于MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合儲能系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合儲能系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著分布式新能源并網(wǎng)發(fā)電的日益普及，分布式發(fā)電容量在整個電力系統(tǒng)中所占的比重將越來越大。但風(fēng)能、太陽能等各種分布式發(fā)電是一種間歇性能源，受氣候和環(huán)境的影響嚴(yán)重，輸出功率具有不穩(wěn)定性和不完全可控性。大規(guī)模分布式并網(wǎng)裝置的投入，對電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量、穩(wěn)定性和安全運(yùn)行都將造成無法忽略的影響。因此，分布式發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)，需要配置一定容量的儲能系統(tǒng)，以確保其供電的持續(xù)性和可靠性。
[0003]目前，國內(nèi)外專家學(xué)者提出如圖1-圖4所示的幾種方式混合儲能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這幾種方案的電路結(jié)構(gòu)需要直流變換器，來控制所連儲能單元吸收或釋放功率。其中，圖2-圖4的缺點(diǎn)也很明顯，增加了雙向直流變換器，降低了系統(tǒng)效率，增加系統(tǒng)控制復(fù)雜程度。上述幾種變換器在用于高壓大容量配電網(wǎng)中，都需要用低頻高壓隔離變壓器進(jìn)行電壓升壓隔咼。
[0004]高壓直流輸電遠(yuǎn)距離輸電相對于高壓交流，具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸效率高和無線路無功損耗等優(yōu)點(diǎn)，是解決我國目前面臨的大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)的重要技術(shù)手段之一。相對于高壓大功率場合的兩電平或三電平的VSC拓?fù)浯嬖诩夹g(shù)難度大、開關(guān)頻率和損耗較高、輸出波形質(zhì)量不佳的缺點(diǎn)，專家學(xué)者提出了模塊化多電平換流器拓?fù)浼夹g(shù)(MMC)，在高壓直流輸電系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用前景。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述問題，本發(fā)明提供一種基于MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合儲能系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部子模塊單個電壓等級低、功率等級小，無需外部電源來為可調(diào)電壓源提供功率或吸收其功率，無需低頻高壓隔離變壓器進(jìn)行電壓隔離。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種基于MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合儲能系統(tǒng)，其特征在于，包括若干個化學(xué)儲能電池、若干個電容器和基于MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變換器，單個的化學(xué)儲能電池和電容器分別通過子模塊與變換器相連，且子模塊的一端與化學(xué)儲能電池或電容器相連，另一端串聯(lián)在變換器中。
[0007]優(yōu)選，所述子模塊是由兩個全控型功率元器件和一個電容組成的半橋子模塊，兩個全控型功率元器件串聯(lián)后與電容并聯(lián)。
[0008]優(yōu)選，所述子模塊是由四個全控型功率元器件和一個電容組成的全橋子模塊，四個全控型功率元器件兩兩串聯(lián)后均與電容并聯(lián)。
[0009]整個儲能系統(tǒng)可以直接連到高壓交流配電網(wǎng)，可以響應(yīng)調(diào)度功率指令，既可以輸出有功，也可以輸出無功補(bǔ)償系統(tǒng)電壓跌落。系統(tǒng)內(nèi)部儲能單元可以單獨(dú)工作在吸收功率或者發(fā)出功率狀態(tài)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換效率高、無需低頻隔離變壓器以及輔助供電電源，適用于中高壓配電網(wǎng)場合。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:與傳統(tǒng)的混合儲能系統(tǒng)相比，本發(fā)明的直流潮流器電路結(jié)構(gòu)簡單、擴(kuò)展方便、無需低頻隔離變壓器，通過簡單的控制方法即可實(shí)現(xiàn)單個儲能單元的功率控制，提高了整個儲能系統(tǒng)的可靠性和冗余性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是儲能電池和超級電容直接串聯(lián)的結(jié)構(gòu)不意圖；
圖2是儲能電池和超級電容中間通過雙向直流變換器串聯(lián)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是儲能電池和超級電容通過雙向直流變換器并聯(lián)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是儲能電池和超級電容中間通過雙向直流變換器串聯(lián)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是本發(fā)明一種基于MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6是本發(fā)明子模塊實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7是本發(fā)明子模塊實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖8是本發(fā)明子模塊的控制策略框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以更好的理解本發(fā)明并能予以實(shí)施，但所舉實(shí)施例不作為對本發(fā)明的限定。
[0013]一種基于MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合儲能系統(tǒng)，如圖5所示，包括若干個化學(xué)儲能電池、若干個電容器和基于MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變換器，單個的化學(xué)儲能電池和電容器分別通過子模塊與變換器相連，需說明的是，子模塊是變換器內(nèi)的一個子部件，子模塊的一端與化學(xué)儲能電池或電容器相連，另一端串聯(lián)在變換器中。多個子模塊串聯(lián)共同構(gòu)成變換器的一相橋臂。變換器單元的輸出功率幅值較低，且功率能夠雙向流動。
[0014]MMC具有許多適用于高壓大功率應(yīng)用場合的結(jié)構(gòu)和輸出特征:
(1)高度模塊化的結(jié)構(gòu)有利于縮短工程設(shè)計(jì)和加工周期，便于系統(tǒng)維護(hù)和易于冗余工作設(shè)計(jì)；
(2)不平衡運(yùn)行能力:由于MMC各相橋臂的工作原理完全相同，且均可獨(dú)立控制，當(dāng)交流輸入電壓不平衡或者發(fā)生局部故障時MMC仍能可靠運(yùn)行；
(3)故障穿越和恢復(fù)能力:MMC具有良好的故障穿越能力，這是因?yàn)镸MC的直流儲能量大，網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障時，功率單元不會放電，公共直流母線電壓仍然連續(xù)，不僅保障了 MMC的穩(wěn)定運(yùn)行，并可在較短的時間內(nèi)從故障狀態(tài)恢復(fù)；
(4)和傳統(tǒng)的兩電平電壓型變換器(VoltageSourced Converter, VSC)不連續(xù)的“斬波”波形不同，MMC的橋臂電流是連續(xù)的，且脈動頻率較高，能顯著降低對交流輸出濾波電感的要求。
[0015]其中，子模塊可以控制功率大小，并且功率是雙向流動的。子模塊的結(jié)構(gòu)可以如圖6所示，即子模塊是由四個全控型功率元器件(S1、S2、S#P S4)和一個電容Ca組成的全橋子模塊，四個全控型功率元器件兩兩串聯(lián)后均與電容并聯(lián)。
[0016]圖7是子模塊的另一種結(jié)構(gòu)，即子模塊是由兩個全控型功率元器件S1和一個電容Ca組成的半橋子模塊，兩個全控型功率元器件串聯(lián)后與電容并聯(lián)，具有電壓等級變換和功率雙向流動的作用，其具體連接關(guān)系見圖5所示，其中圖5的右半部分(即右側(cè)箭頭所指的兩個部分)，是箭頭左側(cè)虛線部分內(nèi)的放大圖。
[0017]并離網(wǎng)變換器整機(jī)向電網(wǎng)輸出功率，分配每個子模塊所連接的儲能單元，起到混合儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)配電網(wǎng)有功和無功功率的作用。
[0018]上述混合儲能系統(tǒng)的各個器件均是可以靈活應(yīng)用的，比如，化學(xué)儲能電池是鉛酸電池、鋰電池或釩電池的一種或組合；電容器是電解電容、薄膜電容或超級電容的一種或組合，優(yōu)選是超級電容；變換器是交流三相變換器、交流單相變換器或直流/直流變換器等。
[0019]可以接入任意個數(shù)的儲能單元，并且儲能單元可以是儲能電池或電容等不同類型的儲能單元。可以對每個儲能單元單獨(dú)控制。儲能單元既可以工作在充電狀態(tài)，也可以工作在放電狀態(tài)。儲能單元之間可以相互交換能量……可以控制整個系統(tǒng)的功率，也可以控制單元儲能單元功率，還可以讓單個子模塊工作時投入或者退出。
[0020]子模塊過使用脈沖調(diào)試方式(PWM)來控制傳遞功率的大小和方向，如圖8所述:子模塊接受上層功率調(diào)度指令T23，與給定的參考電流Tref相減，所得差值經(jīng)過PI環(huán)節(jié)和延遲環(huán)節(jié)后作為電壓參考值，與采集的可調(diào)電壓源電壓Kx相減，所得差值再經(jīng)過PI環(huán)節(jié)后得到子模塊的控制量，由控制量產(chǎn)生功率模塊的驅(qū)動信號。
[0021]傳統(tǒng)化學(xué)儲能電池功率密度小、能量密度大，能存儲大量能量，可以平滑地吸收功率的低頻波動部分；超級電容功率密度大，充放電速度快可以快速吸收功率的高頻波動部分，基于此原理來保證交流母線電壓幅值和頻率的穩(wěn)定。與傳統(tǒng)的混合儲能系統(tǒng)相比，本發(fā)明的直流潮流器電路結(jié)構(gòu)簡單、擴(kuò)展方便、無需低頻隔離變壓器，通過簡單的控制方法即可實(shí)現(xiàn)單個儲能單元的功率控制，提高了整個儲能系統(tǒng)的可靠性和冗余性。
[0022]以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或者等效流程變換，或者直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的【技術(shù)領(lǐng)域】，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合儲能系統(tǒng)，其特征在于，包括若干個化學(xué)儲能電池、若干個電容器和基于MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變換器，單個的化學(xué)儲能電池和電容器分別通過子模塊與變換器相連，且子模塊的一端與化學(xué)儲能電池或電容器相連，另一端串聯(lián)在變換器中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合儲能系統(tǒng)，其特征在于，所述子模塊是由兩個全控型功率元器件和一個電容組成的半橋子模塊，兩個全控型功率元器件串聯(lián)后與電容并聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合儲能系統(tǒng)，其特征在于，所述子模塊是由四個全控型功率元器件和一個電容組成的全橋子模塊，四個全控型功率元器件兩兩串聯(lián)后均與電容并聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種基于MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合儲能系統(tǒng)，其特征在于，所述化學(xué)儲能電池是鉛酸電池、鋰電池或釩電池的一種或組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種基于MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合儲能系統(tǒng)，其特征在于，所述電容器是電解電容、薄膜電容或超級電容的一種或組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種基于MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的混合儲能系統(tǒng)，其特征在于，所述變換器是交流三相變換器、交流單相變換器或直流/直流變換器。
【文檔編號】H02J3/32GK104518518SQ201410694889
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】袁曉冬, 曹遠(yuǎn)志, 李群, 李強(qiáng), 柳丹, 呂振華, 陶以彬, 李官軍, 胡金杭, 周晨, 余豪杰, 馮鑫振, 劉歡, 楊波, 赫衛(wèi)國, 鄢盛馳 申請人:國家電網(wǎng)公司, 江蘇省電力公司, 江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院, 中國電力科學(xué)研究院