本發(fā)明屬于電力電子系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于MMC拓?fù)涞姆稚⑹交旌蟽?chǔ)能與電力補(bǔ)償系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著分布式新能源技術(shù)的發(fā)展和普及，電力系統(tǒng)逐步展現(xiàn)拓?fù)渚W(wǎng)狀化、電源與負(fù)荷的分散化的趨勢。這要求成熟、先進(jìn)的電力電子化交流補(bǔ)償設(shè)備確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定與性能。

風(fēng)能、太陽能等分布式發(fā)電方式受環(huán)境及氣候影響大，輸出功率不穩(wěn)定且不完全可控。但在電力系統(tǒng)的傳統(tǒng)概念當(dāng)中，電能為即發(fā)即用，不能存儲(chǔ)，必須及時(shí)消耗、對(duì)發(fā)電功率及負(fù)載消耗功率進(jìn)行實(shí)時(shí)平衡。分布式發(fā)電接入電網(wǎng)后，其不穩(wěn)定性和不完全可控性將導(dǎo)致電力系統(tǒng)嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題、穩(wěn)定性問題和安全運(yùn)行問題。如果電能能夠存儲(chǔ)，打破所謂功率平衡的局限，那么傳統(tǒng)電力生產(chǎn)、傳輸與分配方式都會(huì)產(chǎn)生革命性變化。電力儲(chǔ)能技術(shù)與具備有功輸出能力的補(bǔ)償裝置可能會(huì)是電力系統(tǒng)未來的發(fā)展方向之一。

混合儲(chǔ)能模式采用多介質(zhì)協(xié)同，使得各介質(zhì)工作在其最適工作模式，如電池功率密度小、能量密度大，適合處理低頻大功率流動(dòng)，電容功率密度大，能量密度小，適合處理高頻小功率流動(dòng)。多介質(zhì)的協(xié)同工作非常有助于現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)在壽命、響應(yīng)速度、轉(zhuǎn)換效率等多維度上取得技術(shù)經(jīng)濟(jì)性兼顧與優(yōu)化。

對(duì)于電力系統(tǒng)而言，一般需要高壓大容量的儲(chǔ)能和電力補(bǔ)償裝置。而在高壓大容量電力補(bǔ)償裝置和電力儲(chǔ)能變流器中采用模塊化多電平變換器(MMC)技術(shù)，則具有技術(shù)上的必然性。MMC拓?fù)湎鄬?duì)于傳統(tǒng)的兩電平、三電平等多電平VSC拓?fù)洌哂屑夹g(shù)難度小、開關(guān)頻率和損耗小、輸出波形質(zhì)量高，可以省去工頻濾波器等優(yōu)勢，在高壓輸電領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

中高壓電網(wǎng)如果使用超長串聯(lián)單元數(shù)的高壓集中式儲(chǔ)能方案，需要將大量儲(chǔ)能元件進(jìn)行串并聯(lián)，隨著元件數(shù)量的增加，元件間的平衡問題日益嚴(yán)重，可靠性可維護(hù)性差，缺乏技術(shù)可行性，將其拆分為短組串的分散式儲(chǔ)能在監(jiān)控、運(yùn)行、維護(hù)上更具可操作性。

因此，將分散式混合儲(chǔ)能與三相交流補(bǔ)償裝置結(jié)合，采用MMC技術(shù)的適用于配電網(wǎng)以上電壓/功率等級(jí)的無變壓器并網(wǎng)裝置，其電路結(jié)構(gòu)是本申請(qǐng)專利著眼的技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)以上問題，本發(fā)明提供了一種基于MMC拓?fù)涞姆稚⑹交旌蟽?chǔ)能與電力補(bǔ)償系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)各模塊的均衡儲(chǔ)能和電力補(bǔ)償。

一種基于MMC拓?fù)涞姆稚⑹交旌蟽?chǔ)能與電力補(bǔ)償系統(tǒng)，采用單星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，子模塊包括儲(chǔ)能介質(zhì)部分和功率級(jí)部分；所述的儲(chǔ)能介質(zhì)部分由至少一個(gè)儲(chǔ)能電池和一個(gè)電容器組成，電池和電容經(jīng)功率級(jí)不同端口接入主電路回路；所述的功率級(jí)部分包括由功率開關(guān)和功率二極管組成的橋臂模塊結(jié)構(gòu)或T型模塊結(jié)構(gòu)。

根據(jù)需要，可以將若干個(gè)儲(chǔ)能電池串聯(lián)或并聯(lián)后，替換單個(gè)的電池；將若干個(gè)電容器串聯(lián)或并聯(lián)后，替換單個(gè)的電容器。

所述的儲(chǔ)能電池為任一類型的儲(chǔ)能電池；

所述的電容器為任一類型的電容器；

所述的子模塊的功率級(jí)可等效為單刀三擲開關(guān)，其原理性拓?fù)淙鐖D1所示，拓?fù)淇衫斫鉃橐粋€(gè)單刀三擲開關(guān)、電池以及電容的組合。

優(yōu)選地，所述的橋臂模塊結(jié)構(gòu)是由常見的逆導(dǎo)功率開關(guān)和兩個(gè)功率二極管構(gòu)成；

優(yōu)選地，所述的逆導(dǎo)功率開關(guān)可以為絕緣柵極雙極性晶體管(IGBT)；

普通的IGBT是具有反向阻斷能力的，通常反并續(xù)流二極管構(gòu)成逆導(dǎo)開關(guān)。這里的IGBT是已經(jīng)內(nèi)部加上反并二極管的；

在橋臂模塊結(jié)構(gòu)中，IGBT S_c1集電極與IGBT S_b1發(fā)射極、IGBT S_c2發(fā)射極、IGBT S_b2集電極相連；IGBT S_c1發(fā)射極與二極管D_c1陽極相連，二極管D_c1陰極與二極管D_c2陽極相連，二極管D_c2陰極與IGBT S_c2集電極相連；IGBT S_c1、二極管D_c1、IGBT S_c2以及二極管D_c2共同構(gòu)成了一個(gè)雙向開關(guān)；其中二極管D_c1陰極與二極管D_c2陽極連接處為雙向開關(guān)一端，IGBT S_c2發(fā)射極與IGBT S_b2集電極連接處為雙向開關(guān)另一端；

在橋臂模塊結(jié)構(gòu)的子模塊中，IGBT S_b1集電極與儲(chǔ)能電池正極相連，IGBT S_b1發(fā)射極同時(shí)與雙向開關(guān)一端、IGBT S_b2集電極以及子模塊正輸出端相連，雙向開關(guān)另一端與電容器正極相連，IGBT S_b2發(fā)射極同時(shí)與儲(chǔ)能電池負(fù)極、電容器負(fù)極以及子模塊負(fù)輸出端相連。該橋臂模塊結(jié)構(gòu)的子模塊采用常用功率器件，便于采購、安裝、制作。

橋臂模塊結(jié)構(gòu)的子模塊工作狀態(tài)：

當(dāng)IGBT S_b1導(dǎo)通，其他IGBT關(guān)斷時(shí)，電池接入主電路；

當(dāng)IGBT S_c1和IGBT S_c2同時(shí)導(dǎo)通，其他IGBT關(guān)斷時(shí)，電容接入主電路；

當(dāng)IGBT S_b2導(dǎo)通，其他IGBT關(guān)斷時(shí)，該子模塊被旁路，即電池與電容皆不接入主電路；

當(dāng)所有IGBT均關(guān)斷時(shí)，認(rèn)為閉鎖該子模塊；

任意時(shí)刻橋臂模塊結(jié)構(gòu)的子模塊僅會(huì)處于以上四種工作狀態(tài)中的一種。

優(yōu)選地，所述的T型模塊結(jié)構(gòu)由若干功率開關(guān)組成；

優(yōu)選地，所述的功率開關(guān)可以為IGBT；

在T型模塊結(jié)構(gòu)中，逆阻型IGBT S_c1發(fā)射極與逆阻型IGBT S_c2集電極相連，逆阻型IGBT S_c1集電極與逆阻型IGBT S_c2發(fā)射極相連，共同構(gòu)成了一個(gè)雙向開關(guān)；

該T型模塊集成度較高，可獲得集成模塊。

在T型模塊結(jié)構(gòu)的子模塊中，IGBT S_b1集電極與儲(chǔ)能電池正極相連，IGBT S_b1發(fā)射極同時(shí)與雙向開關(guān)一端、IGBT S_b2集電極以及子模塊正輸出端相連，雙向開關(guān)另一端與電容器正極相連，IGBT S_b2發(fā)射極同時(shí)與儲(chǔ)能電池負(fù)極、電容器負(fù)極以及子模塊負(fù)輸出端相連。

T型模塊結(jié)構(gòu)的子模塊工作狀態(tài)：

當(dāng)IGBT S_b1導(dǎo)通，其他IGBT關(guān)斷時(shí)，電池接入主電路；

當(dāng)逆阻型IGBT S_c1和逆阻型IGBT S_c2同時(shí)導(dǎo)通，其他IGBT關(guān)斷時(shí)，電容接入主電路；

當(dāng)IGBT S_b2導(dǎo)通，其他IGBT關(guān)斷時(shí)，該子模塊被旁路，即電池與電容皆不接入主電路；

當(dāng)所有IGBT均關(guān)斷時(shí)，認(rèn)為閉鎖該子模塊；

任意時(shí)刻T型模塊結(jié)構(gòu)的子模塊僅會(huì)處于以上四種工作狀態(tài)中的一種。

上述的IGBT可以替換為逆導(dǎo)型門極換流晶閘管(RC-GCT)、金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、集成門極換流晶閘管(IGCT)反并續(xù)流二極管等。

以上結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需要實(shí)時(shí)選擇、快速切換、控制子模塊輸出電流流經(jīng)不同的儲(chǔ)能介質(zhì)或者是被旁路，實(shí)際上是一種簡單復(fù)用的單極性輸出子模塊結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，電池工作電壓必須高于超級(jí)電容，這符合降低儲(chǔ)能單元串聯(lián)數(shù)、超級(jí)電容工作電壓波動(dòng)大的工況需求。

通過脈沖調(diào)制方式，可以靈活控制每個(gè)子模塊單元，控制子模塊間的能量流動(dòng)，重新分配各子模塊能量，可以控制系統(tǒng)的輸入輸出功率，控制能量流向。

儲(chǔ)能電池功率密度小、能量密度大，適合處理低頻大功率流動(dòng)，電容器功率密度大，能量密度小，適合處理高頻小功率流動(dòng)。

通過控制系統(tǒng)輸入電流控制電網(wǎng)輸入系統(tǒng)的無功和有功功率，使用儲(chǔ)能電池進(jìn)行儲(chǔ)能和低頻無功補(bǔ)償，使用電容器進(jìn)行高頻無功補(bǔ)償。

多介質(zhì)的協(xié)同工作非常有助于現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)在壽命、響應(yīng)速度、轉(zhuǎn)換效率等多維度上取得技術(shù)經(jīng)濟(jì)性兼顧與優(yōu)化。

該系統(tǒng)在不顯著增加子模塊數(shù)量的基礎(chǔ)上，相對(duì)于傳統(tǒng)的應(yīng)用于電池儲(chǔ)能的兩級(jí)結(jié)構(gòu)MMC子模塊，無需加入DCDC環(huán)節(jié)，使用大電流功率電抗器，對(duì)子模塊功率級(jí)進(jìn)行復(fù)用，將儲(chǔ)能電池和電容器兩種儲(chǔ)能介質(zhì)分散分配到各個(gè)子模塊中，方便對(duì)各個(gè)儲(chǔ)能介質(zhì)進(jìn)行功率平衡，單個(gè)子模塊電壓等級(jí)低，功率等級(jí)小。

附圖說明

圖1是子模塊結(jié)構(gòu)的原理性示意圖；

圖2是橋臂模塊結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是T型模塊結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是橋臂模塊結(jié)構(gòu)的子模塊示意圖；

圖5是T型模塊結(jié)構(gòu)的子模塊示意圖；

圖6是本發(fā)明系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了便于本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠更好地理解本發(fā)明并予以實(shí)施，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明，但本發(fā)明并不限于本實(shí)施例。

實(shí)施例1

如圖6所示，基于MMC拓?fù)涞姆稚⑹交旌蟽?chǔ)能與電力補(bǔ)償系統(tǒng)，采用單星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，變換器與子模塊串聯(lián)于電路中，其子模塊采用T型模塊結(jié)構(gòu)的子模塊。

該子模塊的介質(zhì)儲(chǔ)能部分采用一個(gè)鉛蓄電池和一個(gè)超級(jí)電容。

該T型模塊結(jié)構(gòu)可等效為單刀三擲開關(guān)，其原理性拓?fù)淙鐖D1所示，拓?fù)淇衫斫鉃橐粋€(gè)單刀三擲開關(guān)、鉛蓄電池以及超級(jí)電容的組合。

T型模塊結(jié)構(gòu)的子模塊是通過四個(gè)功率開關(guān)構(gòu)成的等效單刀三擲開關(guān)，控制任意時(shí)刻接入電路中的元件，可以選擇鉛蓄電池接入、超級(jí)電容接入或者旁路。

如圖3所示，T型模塊結(jié)構(gòu)中，逆阻型IGBT S_c1發(fā)射極與逆阻型IGBTS_c2集電極相連，逆阻型IGBT S_c1集電極與逆阻型IGBT S_c2發(fā)射極相連，共同構(gòu)成了一個(gè)雙向開關(guān)；

如圖5所示，在T型模塊結(jié)構(gòu)的子模塊中，IGBT S_b1集電極與鉛蓄電池正極相連，IGBT S_b1發(fā)射極同時(shí)與雙向開關(guān)一端、IGBT S_b2集電極以及子模塊正輸出端相連，雙向開關(guān)另一端與超級(jí)電容正極相連，IGBT S_b2發(fā)射極同時(shí)與鉛蓄電池負(fù)極、超級(jí)電容負(fù)極以及子模塊負(fù)輸出端相連。

工作時(shí)，IGBT S_b1導(dǎo)通，其他IGBT關(guān)斷時(shí)鉛蓄電池接入主電路；

逆阻型IGBT S_c1和逆阻型IGBT S_c2同時(shí)導(dǎo)通，其他IGBT關(guān)斷時(shí)超級(jí)電容接入主電路；

IGBT S_b2導(dǎo)通，其他IGBT關(guān)斷時(shí)該子模塊被旁路，即鉛蓄電池與超級(jí)電容皆不接入主電路；

當(dāng)所有IGBT均關(guān)斷時(shí)，認(rèn)為閉鎖該子模塊；

任意時(shí)刻子模塊僅會(huì)處于以上四種工作狀態(tài)中的一種。

實(shí)施例2

如圖6所示，基于MMC拓?fù)涞姆稚⑹交旌蟽?chǔ)能與電力補(bǔ)償系統(tǒng)，采用單星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，變換器與子模塊串聯(lián)于電路中，其子模塊為橋臂模塊結(jié)構(gòu)的子模塊。

該橋臂模塊結(jié)構(gòu)的子模塊的介質(zhì)儲(chǔ)能部分采用一個(gè)鋰電池和一個(gè)超級(jí)電容。

該橋臂模塊結(jié)構(gòu)可等效為單刀三擲開關(guān)，其原理性拓?fù)淙鐖D1所示，拓?fù)淇衫斫鉃橐粋€(gè)單刀三擲開關(guān)、鋰電池以及超級(jí)電容的組合。

如圖2所示，在橋臂模塊結(jié)構(gòu)的功率級(jí)部分中，IGBT S_c1集電極與IGBT S_b1發(fā)射極、IGBT S_c2發(fā)射極、IGBT S_b2集電極相連；IGBT S_c1發(fā)射極與二極管D_c1陽極相連，二極管D_c1陰極與二極管D_c2陽極相連，二極管D_c2陰極與IGBT S_c2集電極相連；IGBT S_c1、二極管D_c1、IGBT S_c2以及二極管D_c2共同構(gòu)成了一個(gè)雙向開關(guān)；其中二極管D_c1陰極與二極管D_c2陽極連接處為雙向開關(guān)一端，IGBT S_c2發(fā)射極與IGBT S_b2集電極連接處為雙向開關(guān)另一端；

如圖4所示，橋臂模塊結(jié)構(gòu)的子模塊中，IGBT S_b1集電極與鋰電池正極相連，IGBT S_b1發(fā)射極同時(shí)與雙向開關(guān)一端、IGBT S_b2集電極以及子模塊正輸出端相連，雙向開關(guān)另一端與超級(jí)電容正極相連，IGBT S_b2發(fā)射極同時(shí)與鋰電池負(fù)極、超級(jí)電容負(fù)極以及子模塊負(fù)輸出端相連。

工作時(shí)，IGBT S_b1導(dǎo)通，其他IGBT關(guān)斷時(shí)鋰電池接入主電路；

IGBT S_c1和IGBT S_c2同時(shí)導(dǎo)通，其他IGBT關(guān)斷時(shí)超級(jí)電容接入主電路；

IGBT S_b2導(dǎo)通，其他IGBT關(guān)斷時(shí)該子模塊被旁路，即鋰電池與超級(jí)電容皆不接入主電路；

當(dāng)所有IGBT均關(guān)斷時(shí)，認(rèn)為閉鎖該子模塊；

任意時(shí)刻子模塊僅會(huì)處于以上四種工作狀態(tài)中的一種。

通過脈沖調(diào)制方式，可以靈活控制每個(gè)子模塊單元，控制子模塊間的能量流動(dòng)，重新分配各子模塊能量，可以控制系統(tǒng)的輸入輸出功率，控制能量流向。

電池功率密度小、能量密度大，適合處理低頻大功率流動(dòng)，電容功率密度大，能量密度小，適合處理高頻小功率流動(dòng)。

通過控制系統(tǒng)輸入電流控制電網(wǎng)輸入系統(tǒng)的無功和有功功率，使用電池進(jìn)行儲(chǔ)能和低頻無功補(bǔ)償，使用電容進(jìn)行高頻無功補(bǔ)償。

本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)簡單，利用雙向開關(guān)管，實(shí)現(xiàn)了子模塊中兩種儲(chǔ)能介質(zhì)的協(xié)同工作，這種多介質(zhì)的協(xié)同工作非常有助于現(xiàn)有儲(chǔ)能技術(shù)在壽命、響應(yīng)速度、轉(zhuǎn)換效率等多維度上取得技術(shù)經(jīng)濟(jì)性兼顧與優(yōu)化。