一種基于模塊化多電平變流器的儲(chǔ)能功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種電能轉(zhuǎn)換設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種基于模塊化多電平變流器的儲(chǔ)能功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著風(fēng)力發(fā)電的迅猛發(fā)展，風(fēng)電“并網(wǎng)難”問題愈發(fā)凸顯。由于風(fēng)電具有較大的間歇性、波動(dòng)性和隨機(jī)性，風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)于電網(wǎng)而言，是很大的干擾，隨著并網(wǎng)容量的不斷加大，風(fēng)電并網(wǎng)將威脅到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在風(fēng)電場(chǎng)中接入儲(chǔ)能系統(tǒng)（EnergyStorage System ,ESS),可以平滑風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率，減小輸出功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的不利影響，促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電有效接入。此外，由于ESS還能夠運(yùn)行為靜止同步補(bǔ)償器（Stati cSynchronous Compensator，STATCOM)，可以在必要時(shí)給電網(wǎng)提供強(qiáng)有力的無功功率支撐，因此，ESS成為了近些年的研究熱點(diǎn)。
[0003]ESS—般由兩大部分組成:一是由儲(chǔ)能載體組成的儲(chǔ)能裝置;二是由電力電子器件組成的儲(chǔ)能功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(Power Conversion System, PCS)。其中，儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)和釋放;PCS實(shí)現(xiàn)能量在儲(chǔ)能裝置和電網(wǎng)間的交換。作為電網(wǎng)和儲(chǔ)能裝置的連接者，PCS肩負(fù)著兩者間能量雙向傳遞的重任，是ESS的關(guān)鍵設(shè)備之一。隨著風(fēng)電等可再生能源發(fā)電對(duì)大容量ESS需求的增長(zhǎng)及電網(wǎng)對(duì)PCS性能要求的不斷提高，不經(jīng)變壓器直接接入中高壓交流電網(wǎng)的PCS受到了人們極大的關(guān)注。
[0004]目前，受制于當(dāng)前電力電子器件耐壓性能的限制，為使PCS不經(jīng)變壓器直接接入中高壓電網(wǎng)，PCS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)常采用器件串聯(lián)或模塊級(jí)聯(lián)的方式。器件串聯(lián)的方式對(duì)電力電子器件的均一性要求高，同時(shí)，采用這種方案，器件開關(guān)頻率高、開關(guān)損耗大，且并網(wǎng)電流諧波含量較高，需在交流側(cè)配置一定容量的無源濾波器。相比較之下，模塊級(jí)聯(lián)的方式因具有并網(wǎng)電流質(zhì)量高，器件耐壓低、開關(guān)頻率低，便于冗余設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，近年來，愈發(fā)受到研究人員的重視。針對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為模塊級(jí)聯(lián)方式的PCS，許多學(xué)者和工程技術(shù)人員提出了不少方案，但還存在一定局限性，主要體現(xiàn)為：
[0005]1、PCS若采用無公共直流母線的模塊級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其直流環(huán)節(jié)的電容電壓存在2倍頻波動(dòng)，會(huì)影響連接到直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能電池的性能，系統(tǒng)不平衡補(bǔ)償或抗網(wǎng)壓不平衡的能力也較弱。
[0006]2、PCS中的儲(chǔ)能電池若三相分散安置，需對(duì)三相各單元進(jìn)行充放電功率的均衡控制，控制復(fù)雜度增加，同時(shí)，儲(chǔ)能電池的防護(hù)、維護(hù)及更換較為不便，系統(tǒng)擴(kuò)容也缺乏靈活性;若集中安置，當(dāng)儲(chǔ)能電池組發(fā)生故障時(shí)，儲(chǔ)能部分需整體退出運(yùn)行，系統(tǒng)儲(chǔ)能單元冗余能力不足。
[0007]3、儲(chǔ)能單元若經(jīng)帶高頻隔離變壓器的雙向隔離全橋變換器接入PCS級(jí)聯(lián)模塊的直流側(cè)，會(huì)增加系統(tǒng)的體積和造價(jià)，降低系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0008]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題就在于:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供一種系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單、系統(tǒng)擴(kuò)容靈活方便、儲(chǔ)能單元冗余性好、成本低的基于模塊化多電平變流器的儲(chǔ)能功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
[0009]為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提出的技術(shù)方案為:一種基于模塊化多電平變流器的儲(chǔ)能功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括AC/DC變換單元和DC/DC變換單元;所述AC/DC變換單元的交流側(cè)端口與三相交流電網(wǎng)連接，所述DC/DC變換單元并聯(lián)在所述AC/DC變換單元的直流側(cè)直流母線兩極之間，所述DC/DC變換單元的儲(chǔ)能側(cè)端口與儲(chǔ)能單元連接。
[00?0]作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述AC/DC變換單元為三相六橋臂結(jié)構(gòu)，每一相包括上橋臂和下橋臂，每一相的上橋臂的下端與下橋臂的上端連接，上橋臂與下橋臂的連接點(diǎn)作為所述AC/DC變換單元的交流側(cè)端口，與三相交流電網(wǎng)連接;所述每一相的上橋臂的上端并聯(lián)，作為AC/DC變換單元的直流側(cè)直流母線的一極，所述每一相的下橋臂的下端并聯(lián)，作為AC/DC變換單元的直流側(cè)直流母線的另一極;所述每一橋臂包括一個(gè)橋臂電感器L和一個(gè)子模塊組，所述橋臂電感器L與所述子模塊組串聯(lián);所述子模塊組包括n(n 2 I)個(gè)半橋型子模塊，所述半橋型子模塊通過串聯(lián)側(cè)端口串聯(lián)。
[0011]作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述DC/DC變換單元包括一個(gè)電感器LI和一個(gè)子模塊組，所述電感器LI與所述子模塊組串聯(lián);所述子模塊組包括m(m > I)個(gè)半橋型子模塊，所述半橋型子模塊通過串聯(lián)側(cè)端口串聯(lián)，所述半橋型子模塊通過儲(chǔ)能側(cè)端口與儲(chǔ)能單元連接。
[0012]作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述半橋型子模塊包括第一開關(guān)管Tl、第二開關(guān)管T2、第一二極管D1、第二二極管D2、電容器C和電阻R;所述第一開關(guān)管Tl的發(fā)射極與第二開關(guān)管T2的集電極串聯(lián)，第一二極管Dl與第一開關(guān)管Tl反向并聯(lián)，第二二極管D2與第二開關(guān)管T2反向并聯(lián);所述電容器C并聯(lián)在第一開關(guān)管Tl的集電極與第二開關(guān)管T2的發(fā)射極之間，所述電阻R并聯(lián)在第一開關(guān)管Tl的集電極與第二開關(guān)管T2的發(fā)射極之間;所述第一開關(guān)管Tl的發(fā)射極與所述第二開關(guān)管T2的發(fā)射極為半橋型子模塊的串聯(lián)側(cè)端口，所述第一開關(guān)管Tl的集電極與所述第二開關(guān)管T2的發(fā)射極為半橋型子模塊的儲(chǔ)能側(cè)端口。
[0013]作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第二開關(guān)管T2的集電極與發(fā)射極之間還并聯(lián)一個(gè)旁路開關(guān)K。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0015]I、本實(shí)用新型所提出的PCS基于模塊化多電平變流器構(gòu)建了PCS的AC/DC變換單元，具有公共直流母線，可以提供三相間的有功功率交換通道，使系統(tǒng)具備較強(qiáng)的不平衡補(bǔ)償和抗網(wǎng)壓不平衡的能力，同時(shí)，可輸出高質(zhì)量的直流電壓，減小直流電壓波動(dòng)對(duì)儲(chǔ)能單元產(chǎn)生的影響。
[0016]2、本實(shí)用新型所提出的PCS基于CBDC (Cascaded Bidirectional DC/DCConverter，級(jí)聯(lián)雙向DC/DC變換器)構(gòu)建了PCS的DC/DC變換單元，通過采用載波移相調(diào)制技術(shù)，可減小流經(jīng)連接電感LI的電流的紋波，在相同輸出電流紋波率的條件下，所需的電感僅為單個(gè)半橋型雙向DC/DC變換器的I/m2，電感的體積和重量得到大大的降低，同時(shí)，DC/DC變換單元輸出電流紋波小也有益于PCS各子模塊直流電容電壓的穩(wěn)定控制。
[0017]3、本實(shí)用新型所提出的PCS將儲(chǔ)能單元單相分散安置于基于CBDC的DC/DC變換單元中各半橋型子模塊，與儲(chǔ)能單元經(jīng)隔離或非隔離型DC/DC變換器三相分散接入各子模塊的PCS相比，既減少了電力電子開關(guān)器件的用量及儲(chǔ)能單元維護(hù)、更換的工作量，又降低了儲(chǔ)能單元充放電功率均衡控制的復(fù)雜度，系統(tǒng)儲(chǔ)能容量擴(kuò)充也更方便，需要擴(kuò)容時(shí)，只需要在DC/DC變換單元里增加一個(gè)或若干個(gè)子模塊及與之相連的儲(chǔ)能單元，同時(shí)，與儲(chǔ)能電池集中安置的PCS相比，所述PCS具備更好的儲(chǔ)能單元冗余能力，當(dāng)某組儲(chǔ)能單元發(fā)生故障需退出運(yùn)行時(shí)，可將與之相連的子模塊旁路，系統(tǒng)仍可繼續(xù)運(yùn)行。
【附圖說明】
[0018]圖I為本實(shí)用新型一種基于模塊化多電平變流器的儲(chǔ)能功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
[0019]圖2為本實(shí)用新型一種基于模塊化多電平變流器的儲(chǔ)能功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中半橋型子模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下結(jié)合說明書附圖和具體優(yōu)選的實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述，但并不因此而限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
[0021]在本實(shí)施例中，如圖I所示，一種基于模塊化多電平變流器的儲(chǔ)能功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括AC/DC(Alternating Current / Direct Current，交流/直流）變換單元和DC/DC(Direct Current / Direct Current，直流/直流)變換單元;AC/DC變換單元的交流側(cè)端口與三相交流電網(wǎng)連接，DC/DC變換單元并聯(lián)在AC/DC變換單元的直流側(cè)直流母線兩極之間，DC/DC變換單元的儲(chǔ)能側(cè)端口與儲(chǔ)能單元連接。在本實(shí)施例中，AC/DC變換單元為三相六橋臂結(jié)構(gòu)，每一相包括上橋臂和下橋臂，每一相的上橋臂的下端與下橋臂的上端連接，上橋臂與下橋臂的連接點(diǎn)作為AC/DC變換單元的交流側(cè)端口，與三相交流電網(wǎng)連接;每一相的上橋臂的上端并聯(lián)后作為AC/DC變換單元的直流側(cè)直流母線的一極，每一相的下橋臂的下端并聯(lián)后作為AC/DC變換單元的直流側(cè)直流母線的另一極。每一橋臂包括一個(gè)橋臂電感器L和一個(gè)子模塊組，橋臂電