鏈式可變直流模擬源與高壓儲能變換器一體的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種鏈式可變直流模擬源與高壓儲能變換器一體機，包括多繞組移相變壓器和3N個功率單元，N為正整數(shù)，每N個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相，三相星型連接，引出的三個高壓輸出端經(jīng)并網(wǎng)電抗器接入電網(wǎng)；所述3N個功率單元包括m個儲能單元和n個模擬單元，m+n=3N且m、n均為自然數(shù)，其中：每個儲能單元包括并聯(lián)的第一H橋功率模塊和儲能電池；每個模擬單元包括并聯(lián)的第二H橋功率模塊和電池模擬裝置；所述電池模擬裝置包括電抗器、PWM整流器、直流電容和端子。本實用新型能夠批量化地檢測儲能電池的工作特性，極大降低了企業(yè)的投資，提供了一種驗證高壓儲能變換器控制策略尤其相內(nèi)、相間均衡特性的實驗平臺。
【專利說明】鏈式可變直流模擬源與高壓儲能變換器一體機
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及電力系統(tǒng)儲能【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種鏈式可變直流模擬源與高壓儲能變換器一體機，用于對儲能電池的模擬和對高壓儲能系統(tǒng)控制策略的驗證。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著傳統(tǒng)能源的枯竭和環(huán)境的日益惡化，可再生能源得到廣泛地應(yīng)用。光伏、風電等可再生能源受到其自身固有的波動性和間歇性特點的制約，在大規(guī)模并網(wǎng)后，會帶來輸出功率波動的問題，嚴重威脅了電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。電池儲能技術(shù)可以有效平滑新能源發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出，提高電力系統(tǒng)的安全性、可靠性，但電池儲能系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用至少面臨著以下兩大難題:
[0003]一是儲能電池價格高昂，大規(guī)模電池組集成技術(shù)難度大，項目開發(fā)建設(shè)成本高。高壓儲能變換器在研發(fā)過程中按照功率要求匹配一套相應(yīng)的儲能電池，會極大地增加企業(yè)的研發(fā)成本和初期設(shè)計風險，一旦出錯將造成社會資源的重大浪費。另外，儲能電池在使用前需要對電池電壓、容量、內(nèi)阻、充放電電壓電流特性等數(shù)十項參數(shù)進行測試，目前普遍采用的直流電源充電，電阻式放電方法會讓大量電能轉(zhuǎn)化為熱能而白白消耗，隨著儲能電池的大規(guī)模應(yīng)用，這種能源浪費問題更加凸顯。亟需開發(fā)一種既節(jié)能又高效的批量化電池檢測裝置，并且能夠在儲能項目的開發(fā)初期，用替代裝置模擬電池特性進行變換器的結(jié)構(gòu)和算法的創(chuàng)新。
[0004]二是缺乏針對大型高壓儲能系統(tǒng)控制策略的驗證手段。大規(guī)模儲能系統(tǒng)應(yīng)用，為了提高整機效率，必然向高壓化發(fā)展，如何有效控制儲能電池的組內(nèi)、組間能量流動，驗證高壓儲能變換器的相內(nèi)、相間均衡問題，成為變換器設(shè)計與控制策略研究的重中之中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實用新型的目的在于提供一種鏈式可變直流模擬源與高壓儲能變換器一體機，能夠批量化地檢測儲能電池的工作特性，降低了功耗，通過電池模擬裝置與實際儲能電池的配合，降低了實驗投資和占地面積，是一種較為理想的驗證高壓儲能變換器控制策略尤其相內(nèi)、相間均衡特性的實驗平臺。
[0006]實現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案是:
[0007]—種鏈式可變直流模擬源與高壓儲能變換器一體機，外接電網(wǎng)和并網(wǎng)電抗器，所述一體機包括多繞組移相變壓器和3N個功率單元，N為正整數(shù)，其中:
[0008]所述多繞組移相變壓器的原邊接入所述電網(wǎng)；
[0009]每N個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相，三相星型連接，引出的三個高壓輸出端經(jīng)所述并網(wǎng)電抗器接入所述電網(wǎng)；
[0010]所述3N個功率單元包括m個儲能單元和η個模擬單元，m+n=3N且m、η均為自然數(shù)，其中:
[0011]每個儲能單元包括并聯(lián)的第一 H橋功率模塊和儲能電池，該儲能單元通過其內(nèi)的第一H橋功率模塊的兩個輸出端與同相相鄰的儲能單元或者模擬單元串聯(lián)；
[0012]每個模擬單元包括并聯(lián)的第二 H橋功率模塊和電池模擬裝置，該模擬單元通過其內(nèi)的第二 H橋功率模塊的兩個輸出端與同相相鄰的儲能單元或者模擬單元串聯(lián)；所述電池模擬裝置包括電抗器、PWM (脈沖寬度調(diào)制)整流器、直流電容和端子，其中:
[0013]所述電抗器的一端連接所述多繞組移相變壓器的一組次級繞組，另一端連接所述PWM整流器的輸入端；
[0014]所述PWM整流器、直流電容和端子均與所述第二 H橋功率模塊并聯(lián)。
[0015]上述的鏈式可變直流模擬源與高壓儲能變換器一體機，其中，所述第一 H橋功率模塊和第二 H橋功率模塊結(jié)構(gòu)相同，包括四個帶反并聯(lián)二極管的開關(guān)器件，每兩個開關(guān)器件串聯(lián)形成的支路相互并聯(lián)；相串聯(lián)的兩個開關(guān)器件的串聯(lián)端作為一個輸出端。
[0016]上述的鏈式可變直流模擬源與高壓儲能變換器一體機，其中，所述每個儲能單元還包括電阻、開關(guān)和電容，其中:
[0017]所述儲能電池的一端通過所述電阻連接所述第一 H橋功率模塊的一輸入端，儲能電池的另一端連接所述第一 H橋功率模塊的另一輸入端；
[0018]所述開關(guān)與所述電阻并聯(lián)；
[0019]所述電容與所述第一 H橋功率模塊并聯(lián)。
[0020]上述的鏈式可變直流模擬源與高壓儲能變換器一體機，其中，所述儲能電池為鋰電池、液流電池、鈉硫電池、鉛酸電池或者超級電容器。
[0021]本實用新型的有益效果是:本實用新型通過模擬單元的電池模擬裝置模擬電池充電、放電與儲能特性，測試并采集在相同工作狀態(tài)下的儲能單元電池組的工作信息，通過增加儲能單元的數(shù)量就能夠批量化的進行檢測，降低了功耗，并且通過串聯(lián)輸出側(cè)將能量回饋電網(wǎng)，較為節(jié)能環(huán)保。同時，由于儲能電池成本和占地面積均遠高于模擬裝置，通過電池模擬裝置來模擬多種儲能電池的外部特性，能夠大大減少電池投資，降低初期設(shè)計風險，便于驗證高壓儲能變換器在工作時的相內(nèi)、相間均衡特性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本實用新型的鏈式可變直流模擬源與高壓儲能變換器一體機的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2是本實用新型中儲能單元的電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3是本實用新型中模擬單元的電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖4是本實用新型的一體機在6kV高壓電網(wǎng)下的串聯(lián)原理示意圖。
【具體實施方式】
[0026]下面將結(jié)合附圖對本實用新型作進一步說明。
[0027]請參閱圖1、圖2和圖3，本實用新型的鏈式可變直流模擬源與高壓儲能變換器一體機，包括多繞組移相變壓器11和3N個功率單元，N為正整數(shù)，其中:
[0028]多繞組移相變壓器11的原邊12作為一體機的高壓輸入端接入電網(wǎng)7 ;每N個功率單元(Al-AN，Bl-BN或者C1-CN)串聯(lián)構(gòu)成一相，三相星型連接，引出的三個高壓輸出端A、B、C作為一體機的輸出端，經(jīng)并網(wǎng)電抗器6接入電網(wǎng)7;[0029]3N個功率單元包括m個儲能單元15和η個模擬單元14,m+n=3N且m、n均為自然數(shù)，具體單元數(shù)目根據(jù)一體機的測試目的進行優(yōu)化配置，例如，用于批量測試儲能電池工作特性的工況，則增加儲能單元15的數(shù)量；用以驗證高壓儲能變換器控制策略時，則增加模擬單元14的數(shù)量；其中:
[0030]每個儲能單元15包括并聯(lián)的第一 H橋功率模塊21和儲能電池E，該儲能單元E通過其內(nèi)的第一 H橋功率模塊21的兩個輸出端與同相相鄰的儲能單元15或者模擬單元14串聯(lián)；第一 H橋功率模塊21包括四個帶反并聯(lián)二極管的開關(guān)器件S1-Sl開關(guān)器件可以為IGBT、晶閘管或大功率MOSFET等功率半導(dǎo)體器件；每兩個開關(guān)器件(S1和S3，S2和S4)串聯(lián)形成的支路相互并聯(lián)，該并聯(lián)支路的兩端作為第一 H橋功率模塊21的兩個輸入端；相串聯(lián)的兩個開關(guān)器件(S1和S3，S2和S4)的串聯(lián)端作為一個輸出端，即:開關(guān)器件S1與開關(guān)器件S2的公共端，以及開關(guān)器件S3與開關(guān)器件S4的公共端作為此儲能單元15與外界進行能量交換的端口，與同相相鄰單元串聯(lián)；本實施例中，儲能單元15還包括電阻R、開關(guān)K和電容Cl，其中:儲能電池E的一端通過電阻R連接第一 H橋功率模塊21的一輸入端，儲能電池E的另一端連接第一 H橋功率模塊21的另一輸入端；開關(guān)K與電阻R并聯(lián)；電容Cl與第一 H橋功率模塊21并聯(lián)，即接在第一 H橋功率模塊21的兩個輸入端之間；當儲能電池E處于充電狀態(tài)，電流經(jīng)S1反并二極管、電阻R、儲能電池E正端、負端、S4反并二極管(或經(jīng)S2反并二極管、電阻R、儲能電池E正端、負端、S3反并二極管)將能量儲存在儲能電池E中；當儲能電池E處于放電狀態(tài)，電流經(jīng)S3、儲能電池E負端、正端、開關(guān)K、S2 (或經(jīng)S4、儲能電池E負端、正端、開關(guān)K、S1)將儲存的能量釋放；
[0031]每個模擬單元14包括并聯(lián)的第二 H橋功率模塊33和電池模擬裝置，該模擬單元14通過其內(nèi)的第二 H橋功率模塊33的兩個輸出端與同相相鄰的儲能單元15或者模擬單元14串聯(lián)；電池模擬裝置包括電抗器34、PWM整流器31、直流電容C和端子321 ；電抗器34的一端連接多繞組移相變壓器11的一組次級繞組13，另一端連接PWM整流器31的輸入端；PWM整流器31、直流電容C和端子321均與第二 H橋功率模塊33并聯(lián)；PWM整流器31包括六個帶反并聯(lián)二極管的開關(guān)器件(S3C1、S35、S36、S37、S38和S39),具體如圖3所示；模擬單元14為交-直-交變換電路，第一級是由電抗器34和PWM整流器31組成的三相PWM整流電路，第二級是由直流電容C和用于引出直流電壓Vdc的端子321組成的直流電容模塊32，第三級是第二 H橋功率模塊33，第二 H橋功率模塊33與第一 H橋功率模塊21的結(jié)構(gòu)相同，也包括四個開關(guān)器件(S31、S32、S33和S34),如圖3所示；模擬單元14的第一級三相PWM整流電路能夠四象限運行，通過PWM整流器31模擬各類儲能電池的電壓、電量等工作特性，且輸出直流電壓在700-1100V之間大小可調(diào)，以配合高壓儲能變換器的策略實現(xiàn)。具體的輸出電壓要與儲能電池的電壓相匹配，也要與不同的網(wǎng)側(cè)電壓(如6kV或IOkV)相適應(yīng)；如圖3所示，本實施例中，當處于模擬儲能電池放電狀態(tài)時，接收6路高頻PWM脈沖(由控制器件產(chǎn)生)來控制PWM整流器31的6個開關(guān)器件S35、S36、S37、S38、S39、S3tl，與電抗器34共同作用，產(chǎn)生與輸入電壓相位一致的正弦電流波形，此時，電路工作在第一、三象限，能量由左向右流動，經(jīng)第二 H橋功率模塊33反饋電網(wǎng)；當處于模擬儲能電池充電狀態(tài)時，PWM整流器31輸入電壓與電流方向相反，電路工作在第二、四象限，電抗器34對電流平滑濾波，能量由并網(wǎng)電抗器6經(jīng)第二 H橋功率模塊33從右向左流動。
[0032]儲能電池E為鋰電池、液流電池、鈉硫電池、鉛酸電池或者超級電容器等電化學(xué)儲能電池。由于各個儲能單元15相互獨立，不同儲能單元15的儲能電池類型可以不同，模擬單元14的電池模擬裝置可以根據(jù)不同類型儲能電池的特點進行模擬。
[0033]請參閱圖4，本實用新型的一體機在6kV高壓電網(wǎng)下的串聯(lián)原理示意圖，每個單元H橋功率模塊21或33逆變輸出電壓為430V，每相單元數(shù)N=8，則串聯(lián)相電壓為3440V，線電壓達到了 6000V。同理，當一體機工作于IOkV高壓電網(wǎng)，控制每單元H橋功率模塊21或33輸出電壓480V，每相單元數(shù)N取12，則可滿足系統(tǒng)在IOkV電網(wǎng)下的應(yīng)用。此處舉例并不是限定本一體機僅在這兩種工況下運行，事實上這種鏈式結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)于I一500kV電網(wǎng)下的應(yīng)用。所述兩種功率單元都具有模塊化的結(jié)構(gòu)特點，便于制造與安裝。當需要改變電壓等級或改變系統(tǒng)容量時，只需相應(yīng)的增減串聯(lián)單元數(shù)目即可。
[0034]以上實施例僅供說明本實用新型之用，而非對本實用新型的限制，有關(guān)【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員，在不脫離本實用新型的精神和范圍的情況下，還可以作出各種變換或變型，因此所有等同的技術(shù)方案也應(yīng)該屬于本實用新型的范疇，應(yīng)由各權(quán)利要求所限定。
【權(quán)利要求】
1.一種鏈式可變直流模擬源與高壓儲能變換器一體機，外接電網(wǎng)和并網(wǎng)電抗器，其特征在于，所述一體機包括多繞組移相變壓器和3N個功率單元，N為正整數(shù)，其中: 所述多繞組移相變壓器的原邊接入所述電網(wǎng)； 每N個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相，三相星型連接，引出的三個高壓輸出端經(jīng)所述并網(wǎng)電抗器接入所述電網(wǎng)； 所述3N個功率單元包括m個儲能單元和η個模擬單元，m+n=3N且m、n均為自然數(shù),其中: 每個儲能單元包括并聯(lián)的第一 H橋功率模塊和儲能電池，該儲能單元通過其內(nèi)的第一H橋功率模塊的兩個輸出端與同相相鄰的儲能單元或者模擬單元串聯(lián)； 每個模擬單元包括并聯(lián)的第二 H橋功率模塊和電池模擬裝置，該模擬單元通過其內(nèi)的第二 H橋功率模塊的兩個輸出端與同相相鄰的儲能單元或者模擬單元串聯(lián)；所述電池模擬裝置包括電抗器、PWM整流器、直流電容和端子，其中: 所述電抗器的一端連接所述多繞組移相變壓器的一組次級繞組，另一端連接所述PWM整流器的輸入端； 所述PWM整流器、直流電容和端子均與所述第二 H橋功率模塊并聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鏈式可變直流模擬源與高壓儲能變換器一體機，其特征在于，所述第一 H橋功率模塊和第二 H橋功率模塊結(jié)構(gòu)相同，包括四個帶反并聯(lián)二極管的開關(guān)器件，每兩個開關(guān)器件串聯(lián)形成的支路相互并聯(lián)；相串聯(lián)的兩個開關(guān)器件的串聯(lián)端作為一個輸出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鏈式可變直流模擬源與高壓儲能變換器一體機，其特征在于，所述每個儲能單元還包括電阻、開關(guān)和電容，其中: 所述儲能電池的一端通過所述電阻連接所述第一H橋功率模塊的一輸入端，儲能電池的另一端連接所述第一H橋功率模塊的另一輸入端； 所述開關(guān)與所述電阻并聯(lián)； 所述電容與所述第一 H橋功率模塊并聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的鏈式可變直流模擬源與高壓儲能變換器一體機，其特征在于，所述儲能電池為鋰電池、液流電池、鈉硫電池、鉛酸電池或者超級電容器。
【文檔編號】H02J3/32GK203387195SQ201320464616
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月31日
【發(fā)明者】陳國棟, 王山山, 周悅, 曹瑞霞, 王瑞婷, 朱沁 申請人:上海電氣集團股份有限公司