基于模块化多电平变换器的相间分布式储能系统技术方案

本发明专利技术涉及一种模块化多电平变换器的相间分布式储能系统，包括模块化多电平变换器、隔离型直流变换模组、储能模组；所述模块化多电平变换器中每相桥臂相同编号的子模块直流输出端与对应编号的隔离型直流变换单元输入端相连，所述隔离型直流变换单元的输出端与储能单元的输入端相连。本发明专利技术的系统采用相间集中互联与整体对称分布的能量存储方式，克服了传统集中储能系统可靠性低和传统分布式储能系统控制复杂不易管理的缺陷，大大减少了储能单元数量和系统控制复杂度，为电力系统提供高质量、操作安全、控制简单的分布式储能系统。

Interphase Distributed Energy Storage System Based on Modular Multilevel Converter

【技术实现步骤摘要】
基于模块化多电平变换器的相间分布式储能系统
本专利技术涉及一种相间分布式储能系统，具体涉及一种电力电子
中的基于模块化多电平变换器的相间分布式储能系统。
技术介绍
太阳能、风能等可再生能源大规模并网应用已成为21世纪人类社会发展的重要标志。随着系统功率等级和可再生能源并网需求不断增大，其间歇性和波动性给系统稳定运行带来的问题越来越凸显。为抑制可再生能源发电并网波动，加入储能系统作为额外备用实现系统调频、调压以及动态供需平衡，以此改善电能质量，保障电网供电系统安全可靠运行。模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)作为一种多电平功率变换装置，具备高度模块化、可扩展性强、等效开关频率高、容错能力强等优点，已广泛应用于柔性直流输电中。可将其与储能单元相结合组成基于MMC的储能系统，该系统利用其模块化特性可灵活调控储能单元两端电压范围，提高了系统工作效率和可靠性。同时，其具备公共直流母线，在电力能量路由器和交直流混合能源互联网中展现出良好的应用前景。近年来，基于MMC的储能系统按拓扑应用形式可分为集中式储能系统和分布式储能系统，按是否隔离可分为非隔离型储能系统和隔离型储能系统。传统集中式储能系统，将储能单元(energystorageunit,ESU)直接并联于高压直流侧，结构简单，但其储能单元串联数量较多，容量利用率较低，一旦出现故障则需停机维修，严重影响系统可靠性。传统分布式储能系统将储能单元分散接入MMC各子模块(sub-module,SM)的直流侧，储能单元两端电压灵活可控。但由于储能单元的内阻、容量等不可避免的存在一些差异，即使各个子模块的输出功率一致，其荷电状态的差异也会逐渐增大，因此，需对各子模块中储能单元荷电状态进行复杂的均衡控制。同时，分布于各个子模块中的储能单元给其安装、维护、更换、管理带来大大不便，且随着系统容量的增大，子模块数目增加，其子模块间电容电压不平衡更加严重，导致其各个模块电容电压平衡更加难以控制。因此，基于模块化多电平变换器的储能系统拓扑改进已刻不容缓。基于MMC的储能系统中非隔离式储能无隔离变压器，系统成本小，应用较为广泛，但在中高压领域，考虑控制安全及延长储能系统使用寿命，需增加高频隔离变压器装置构成隔离式储能系统。因此，本专利技术所述的基于MMC的相间分布式储能系统避免了传统集中储能系统可靠性低和传统分布式储能系统控制复杂不易管理的缺点，涉及了基于模块化多电平变换器的相间分布式储能系统。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服传统集中式储能系统储能单元容量利用率低、可靠性低和传统分布式储能系统控制复杂，储能单元装配、维护、管理不便的缺陷，提供了基于模块化多电平变换器的相间分布式储能系统，采用相间集中互联与整体对称分布的能量存储方式，结合了集中式储能系统和分布式储能系统两者的优点，大大减少了储能单元数量和系统控制复杂度，为电力系统提供高质量、操作安全、控制简单的分布式储能系统。为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：一种基于模块化多电平变换器的相间分布式储能系统，包括：模块化多电平变换器1、隔离型直流变换模组2、储能模组3；所述模块化多电平变换器1包括三相六个桥臂、正高压直流母线P和负高压直流母线N，输入端接三相高压交流电，输出端分别接正高压直流母线P和负高压直流母线N；所述每相桥臂包含上、下两个桥臂，每相桥臂由n个子模块SMik及1个桥臂电抗器Lij串联而成。其中，n为大于1的自然数，i＝P,N，j＝A,B,C，k＝1,2,···n；所述每相桥臂子模块均有两个端口，分别为交流输入端和直流输出端，n个子模块通过其交流输入端互相串联连接，直流输出端包括两个端子，分别为上输出端子jik1，下输出端子jik2；所述隔离型直流变换模组2包括2n个隔离型直流变换单元DC/DCik，所述储能模组3包括2n个储能单元ESUik；所述每相桥臂相同编号的子模块SMik直流输出端与对应编号的隔离型直流变换单元DC/DCik输入端相连，所述隔离型直流变换单元DC/DCik的输出端与储能单元ESUik的输入端相连。优选地，所述模块化多电平变换器(1)的子模块采用半桥子模块，所述半桥子模块采用两种不同的接入方式，所述半桥子模块的内部包括2个功率开关管和1个电容，所述2个功率开关管串联后与所述电容并联。优选地，所述模块化多电平变换器(1)中每相上桥臂和下桥臂连接在一起，连接点为三相高压交流电输入端之一，所述每相上桥臂的两个端点中，一个端点连接下桥臂和交流电输入端，另一个端点与其它上桥臂的端点共同连接至正高压直流母线P；所述每相下桥臂的两个端点中，一个端点连接上桥臂和交流电输入端，另一个端点与其它下桥臂的端点共同连接至负高压直流母线N。优选地，所述模块化多电平变换器(1)的交流电输入端接三相高压交流电，端子电压为USj，j＝A,B,C；所述系统输入交流电相数、桥臂电压电平数目以及每相桥臂子模块的结构可根据系统容量等级、系统故障冗余工作模式以及子模块中功率开关管的耐压等级进行调整。优选地，所述隔离型直流变换模组2包括2n个隔离型直流变换单元DC/DCik，所述隔离型直流变换单元DC/DCik外部包含3个输入端口、1个输出端口；所述隔离型直流变换单元DC/DCik内部包含4个脉冲变换单元和1个三输入一输出的高频变压器；所述4个脉冲变换单元分为3个前级脉冲变换单元和1个后级脉冲变换单元；所述前级脉冲变换单元均采用全桥逆变电路、半桥逆变电路、带LLC谐振的全桥逆变电路或带其它谐振的全桥逆变电路，所述后级脉冲变换单元采用全桥整流电路、全桥整流电路后加Buck-Boost电路；所述隔离型直流变换单元DC/DCik外部3个输入端口分别与所述模块化多电平变换器1中三相桥臂对应编号的子模块SMik直流输出端口相连；所述隔离型直流变换单元DC/DCik外部1个输出端口与所述储能模组3对应编号的储能单元ESUik输入端口相连。优选地，所述隔离型直流变换单元DC/DCik内部前级脉冲变换单元均采用全桥逆变电路，后级脉冲变换单元采用全桥整流电路；所述前级脉冲变换单元的输入侧与所述模块化多电平变换器1中三相桥臂对应编号的子模块SMik直流输出侧相连，输出侧与三输入一输出的高频变压器输入侧相连；所述三输入一输出的高频变压器输出侧与后级脉冲变换单元相连。优选地，所述隔离型直流变换单元DC/DCik内部前级脉冲变换单元均采用全桥逆变电路，后级脉冲变换单元采用全桥整流电路后加Buck-Boost电路；所述前级脉冲变换单元输入侧与所述模块化多电平变换器1中三相桥臂对应编号的子模块SMik直流输出侧相连，输出侧与三输入一输出的高频变压器相连；所述三输入一输出的高频变压器输出侧与后级脉冲变换单元相连。优选的，所述隔离型直流变换单元DC/DCik内部前级脉冲变换单元均采用半桥逆变电路，后级脉冲变换单元采用全桥整流电路；所述前级脉冲变换单元输入侧与所述模块化多电平变换器1中三相桥臂对应编号的子模块SMik直流输出侧相连，输出侧与三输入一输出的高频变压器相连；所述三输入一输出的高频变压器输出侧与后级脉冲变换单元相连。优选的，所述隔离型直流变换单元DC/DCik内部前级脉冲变换单元均采用带LLC谐振的全桥逆本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于模块化多电平变换器的相间分布式储能系统，其特征在于，包括：模块化多电平变换器(1)、隔离型直流变换模组(2)、储能模组(3)；所述模块化多电平变换器(1)包括三相六个桥臂、正高压直流母线P和负高压直流母线N，输入端接三相高压交流电，输出端分别接正高压直流母线P和负高压直流母线N；所述每相桥臂包含上、下两个桥臂，每相桥臂由n个子模块SMik及1个桥臂电抗器Lij串联而成。其中，n为大于1的自然数，i＝P,N，j＝A,B,C，k＝1,2,···n；所述每相桥臂子模块均有两个端口，分别为交流输入端和直流输出端，n个子模块通过交流输入端互相串联连接，直流输出端包括两个端子，分别为上输出端子jik1，下输出端子jik2；所述隔离型直流变换模组(2)包括2n个隔离型直流变换单元DC/DCik，所述储能模组(3)包括2n个储能单元ESUik；所述每相桥臂相同编号的子模块SMik直流输出端与对应编号的隔离型直流变换单元DC/DCik输入端相连，所述隔离型直流变换单元DC/DCik的输出端与储能单元ESUik的输入端相连。

【技术特征摘要】
1.一种基于模块化多电平变换器的相间分布式储能系统，其特征在于，包括：模块化多电平变换器(1)、隔离型直流变换模组(2)、储能模组(3)；所述模块化多电平变换器(1)包括三相六个桥臂、正高压直流母线P和负高压直流母线N，输入端接三相高压交流电，输出端分别接正高压直流母线P和负高压直流母线N；所述每相桥臂包含上、下两个桥臂，每相桥臂由n个子模块SMik及1个桥臂电抗器Lij串联而成。其中，n为大于1的自然数，i＝P,N，j＝A,B,C，k＝1,2,···n；所述每相桥臂子模块均有两个端口，分别为交流输入端和直流输出端，n个子模块通过交流输入端互相串联连接，直流输出端包括两个端子，分别为上输出端子jik1，下输出端子jik2；所述隔离型直流变换模组(2)包括2n个隔离型直流变换单元DC/DCik，所述储能模组(3)包括2n个储能单元ESUik；所述每相桥臂相同编号的子模块SMik直流输出端与对应编号的隔离型直流变换单元DC/DCik输入端相连，所述隔离型直流变换单元DC/DCik的输出端与储能单元ESUik的输入端相连。2.如权利要求1所述的基于模块化多电平变换器的相间分布式储能系统，其特征在于：所述模块化多电平变换器(1)的子模块采用半桥子模块，所述半桥子模块采用两种不同的接入方式，所述半桥子模块的内部包括两个功率开关管和1个电容，所述两个功率开关管串联后与所述电容并联。3.如权利要求1所述的基于模块化多电平变换器的相间分布式储能系统，其特征在于：所述模块化多电平变换器(1)中每相上桥臂和下桥臂连接在一起，连接点为三相高压交流电输入端之一，所述每相上桥臂的两个端点中，一个端点连接下桥臂和交流电输入端，另一个端点与其它上桥臂的端点共同连接至正高压直流母线P；所述每相下桥臂的两个端点中，一个端点连接上桥臂和交流电输入端，另一个端点与其它下桥臂的端点共同连接至负高压直流母线N。4.如权利要求1所述的基于模块化多电平变换器的相间分布式储能系统，其特征在于：所述模块化多电平变换器(1)的交流电输入端接...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓峰，李泽杰，王有云，
申请(专利权)人：北京交通大学，天水电气传动研究所有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京,11