一种模块化中压储能系统

摘要

本发明公开一种模块化中压储能系统，包括储能电池单元、预充电电路、单相H桥变换器以及连接电感，其中：储能电池单元的输出端与预充电电路的输入端相连传输直流电压，预充电电路的输出端与单相H桥变换器的直流端相连以传输直流电压，如此构成储能单元，三相中的各个储能单元交流侧串联后一端为模块化中压储能系统的中性点，另一端与连接电感连接，连接电感的另一端与电网构成中压储能系统的三相。本发明在同等功率下，高电压、小电流、电流谐波小，对电池单体容量要求低；通过旁路可实现冗余，可靠性高；具有对电池的均衡功能。MW级大容量时成本较低压方案低。

权利要求

1.一种模块化中压储能系统，其特征在于包括储能电池单元、预充电电路、单相H桥变换器以及连接电感，其中：储能电池单元的输出端与预充电电路的输入端相连传输直流电压，预充电电路的输出端与单相H桥变换器的直流端相连以传输直流电压，如此构成储能单元，三相中的各个储能单元交流侧串联后一端为模块化中压储能系统的中性点，另一端与连接电感连接，连接电感的另一端与电网构成中压储能系统的三相。

2.根据权利要求1所述的模块化中压储能系统，其特征在于：所述三相储能单元级联后采用星形连接。

3.根据权利要求1所述的模块化中压储能系统，其特征在于：通过控制各个所述储能单元输出电压幅值的相互比例来实现同一相上的不同储能单元的能量均衡。

4.根据权利要求1所述的模块化中压储能系统，其特征在于：通过控制三相各自的电压幅值比例来实现不同相上的储能单元的总能量均衡。

5.根据权利要求1所述的模块化中压储能系统，其特征在于：所述的储能电池单元是由可充电电池的串并联组成。

说明书

一种模块化中压储能系统

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种模块化的中压储能系统，具体是一种采用级联结构的模块化储能系统，用于大容量电池储能场合。属于电池储能领域。

背景技术

[0002] 采用电池储能平滑风电和光伏发电功率是是解决新能源并网难和风电“弃风”问题的有效途径。大规模电池储能在电网中的应用将改变电能只能传输不能存储的历史，给电网生产和运行带来革命性的影响，极大地促进我国智能电网的发展。

[0003] 电池储能系统采用AC/DC双向功率变换器，实现电池和电网之间的功率双向流动，功率变换器是储能系统能量控制的核心。目前电池储能中应用的功率变换器主要有DC/AC单级结构和DC/DC+DC/AC双级式结构两种结构形式。大多数储能应用中，功率变换器采用低压方案，交流侧电压一般≤AC690V，单机功率容量一般在数百kW，更大的容量则需通过多台功率变换器在交流侧并联实现。ABB公司的个别型号功率变换器采用IGCT功率器件，直流侧电压可达3-5kV，交流侧电压可达2kV【ABB的资料】。

[0004] DC/AC单级结构是将电池组直接接于功率变换器直流母线端、再经功率变换器逆变后接入电网。DC/DC+DC/AC双级结构将电池电压经第一级的DC/DC变换后得到稳定的直流电压，再经过DC/AC变换器逆变后接入电网。加入DC/DC稳压环节消除了电池电压变化对后级DC/AC变换器控制的影响。但增加的DC/DC环节也增加了开关损耗、体积和成本，降低了效率。

[0005] 低压方案的功率变换器单台容量受限，在大容量场合应用时需通过多台并联的方式扩容并采用升压变压器升压。考虑单级式功率变换器效率<98％，双级式功率变换器效率<96％，变压器损耗2％，储能系统总效率分别为<96％和<94％，系统效率低。

[0006] ABB的储能系统的功率变换器直流侧电压过高，需要极其大量电池串联使用，电池的短板效应显著，现有的电池均衡技术无法保证其长期稳定运行。

发明内容

[0007] 本发明针对现有技术存在的不足，提出一种模块化的中压储能系统，三相采用模块化储能单元级联的结构，三相储能单元级联后采用星形连接，同等功率下，高电压、小电流、电流谐波小，对电池单体容量要求低，可靠性高，具有对电池的均衡功能。

[0008] 本发明是通过以下技术方案实现的：本发明所述的模块化中压储能系统包括储能电池单元、预充电电路、单相H桥变换器以及连接电感，其中：储能电池单元的输出端与预充电电路的输入端相连传输直流电压，预充电电路的输出端与单相H桥变换器的直流端相连以传输直流电压，如此构成储能单元，三相中的各个储能单元交流侧串联后一端为模块化中压储能系统的中性点，另一端与连接电感连接，连接电感的另一端与电网构成中压储能系统的三相。

[0009] 所述的储能电池单元是由可充电电池的串并联组成。

[0010] 所述的预充电电路包括：1个电阻和1个接触器，其中：电阻和接触器并联。

[0011] 所述的单相H桥变换器包括4个电力电子开关器件和直流电容，4个开关器件连接为单相H桥结构，直流电容并联在直流侧。

[0012] 所述的连接电感既可以是专门的电感器，也可以是变压器的漏感。

[0013] 本发明中，采取三相星形的H桥级联结构，每一相由多个储能单元串联构成，储能单元采用单相H桥变换器实现电能的AC/DC双向变换。

[0014] 本发明中可以利用控制各个储能单元输出电压幅值的相互比例来实现同一相上的不同储能单元的能量均衡。

[0015] 本发明中可以利用控制三相各自的电压幅值比例来实现不同相上的储能单元的总能量均衡。

[0016] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：同等功率下，高电压、小电流、电流谐波小，对电池单体容量要求低；通过旁路可实现冗余，可靠性高；具有对电池的均衡功能。MW级大容量时成本较低压方案低。

附图说明

[0017] 图1为本发明一实施例的储能单元示意图。

[0018] 图2为本发明一实施例的模块化中压储能系统的整体的结构图。

[0019] 图3为本发明一实施例的电路原理图。

具体实施方式

[0020] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0021] 如图1-2所示，本发明所提供的模块化中压储能系统包括：3N个储能电池单元、3N个预充电电路、3N个单相H桥变换器、3个连接电感。其中：3N个储能电池的输出端分别与3N个预充电电路的输入端相连传输直流电压，3N个预充电电路的输出端分别与3N个单相H桥变换器的直流端相连以传输直流电压，如此构成3N个结构相同的储能单元A1、A2……AN，B1、B2……BN，C1、C2……CN。A相N个储能单元A1、A2……AN交流侧串联后一端为模块化中压储能系统的中性点O，另一端与连接电感La连接，连接电感La的另一端与电网构成中压储能系统三相中的一相。另外2N个储能单元B1、B2……BN，C1、C2……CN和2个连接电感Lb、Lc采用上述相同的方式与模块化中压储能系统的中性点O、电网的B、C两相连接构成模块化中压储能系统的另外两相。
实施例

[0022] 本实施例为2MW电池储能系统，额定电压10kV。

[0023] 如图3所示，本实施例的功率模块包括：1个蓄电池组、1个电阻、1个接触器、4个IGBT和1组电容组成。A、B、C三相各11个储能单元，按照图2的方式连接构成整个中压储能系统。

[0024] 本实施例中，所述的1个蓄电池单元额定电压1200V，标称容量400Ah。

[0025] 本实施例中，所述的预充电电路由1个电阻R1、1个接触器K1组成。其中：R1和K1并联。电阻R1、接触器K1的一端连接至蓄电池组的正极，为预充电电路的输入端；电阻R1和接触器K1的另一端为预充电电路的输出端。R1的阻值是200欧姆，K1的额定电压1200VDC，额定电流250A。

[0026] 本实施例中，所述的单相H桥变换器由1组电容器C1、IGBT器件V1、V2、V3、V4组成。其中：V1和V2串联构成一个支路，V3和V4串联构成一个支路，上述两个支路和电容器组C1在并联。电容器组C1额定电压1400VDC，容量4000uF。IGBT 器件V1、V2、V3、V4额定电压1700V，额定电流200A。

[0027] 本实施例中，所述的储能系统A、B、C的三相与电网的连接电感La、Lb、Lc额定电流150A，电感量均为15mH。

[0028] 本实施例的工作过程如下：1、保持每个储能单元的单相H桥变流器的开关器件V1、V2、V3、V4处于关断状态。

[0029] 2、将由315节3.2V/400Ah磷酸铁锂电池单体串联组成额定电压1200V，标称容量400Ah的蓄电池组。每个储能单元左侧蓄电池组输入端直流电，由于蓄电池组电压随着其电量的变化而变化，其电压范围900－1200VDC。

[0030] 3、首先经过电阻R1给电容器组C1充电，给电容器组C1的初始充电电流4.5－6A，经过8s后电容器组C1上电压上升到接近直流输入电压。闭合K1将电阻R1旁路，电容器组C1电压与蓄电池组电压完全相等。

[0031] 4、从电网给储能系统充电时，控制A、B、C三相的储能单元H桥变流器，使得流入储能系统电流Iva、Ivb、Ivc与Uva、Uvb、Uvc的相位差为90度，同时其三相输出电压Uva、Uvb、Uvc的相位略超前于电网电压Usa、Usb和Usc一定电角度即可。调节两者之间的相位角差即可调节充电功率的大小。

[0032] 5、从储能系统向电网放电时，控制A、B、C三相的储能单元H桥变流器，使得流入储能系统电流Iva、Ivb、Ivc与Uva、Uvb、Uvc的相位差为90度，同时其三相输出电压Uva、Uvb、Uvc的相位略滞后于电网电压Usa、Usb和Usc一定电角度即可。调节两者之间的相位角差即可调节放电功率的大小。

[0033] 6、储能系统放电时，当A相的11个储能单元存储的能量不均等时，按照各个储能单元存储的能量的比例控制各个储能单元的单相H桥变流器的输出电压幅值，可使得A相上的每个储能单元的输出有功功率与其存储的能量成正比。从而达到A相的各个储能单元间能量均衡、防止过放电的目的。

[0034] 7、同理操作，可使储能系统放电时，B、C相的储能单元间能量达到均衡，防止过放电。

[0035] 8、储能系统充电时，当A相的11个储能单元可充电的能量不均等时，按照各个储能单元可充电的能量的比例控制各个储能单元的单相H桥变流器的输出电压幅值，可使得A相上的每个储能单元的输如有功功率与其可充电的能量成正比。从而达到A相的各个储能单元间能量均衡、防止过充电的目的。

[0036] 9、同理操作，可使储能系统放电时，B、C相的储能单元间能量达到均衡，防止过充电。

[0037] 10、储能系统放电时，如储能系统A相11个储能单元存储的总能量、B相11个储能单元存储的总能量和C相11个储能单元存储的总能量三者不相等，控制A、B、C三相的储能单元H桥变流器，使储能系统中性点偏移，其三相输出电压Uva、Uvb、Uvc之比等于三相上储能单元存储的总能量之比。从而可以实现A、B、C三相之间的放电能量均衡。

[0038] 11、储能系统充电时，如储能系统A相11个储能单元可充电的总能量、B相11个储能单元可充电的总能量和C相11个储能单元可充电的总能量三者不相等，控制A、B、C三相的储能单元H桥变流器，使储能系统中性点偏移，其三相输出电压Uva、Uvb、Uvc之比等于三相上储能单元可充电的总能量之比。从而可以实现A、B、C三相之间的充电能量均衡。

[0039] 在一般的实施方式中，采用低压功率变换方案。单台PCS容量受限，在大容量场合应用时需通过多台并联的方式扩容并采用升压变压器升压。变压器增加了系统成本，其损耗降低了系统效率。本实施例的优点在于10kV直挂电网，无变压器，单机容量大、效率高；MW级同等容量下成本较低压方案低；同等容量下，本实施例较低压方案电压高、电流小、电流谐波小，对电池单体容量要求低；可实现对电池的均衡功能。当某一个储能单元故障时可通过对其H桥变流器的开关器件的控制旁路故障储能单元，实现储能系统的故障冗余运行。

[0040] 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。