CN107612408B - 一种储能变流器和储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能变流器和储能系统。该储能变流器包括：若干个功率变换单元及对应的供电单元；功率变换单元包括控制模组，功率变换单元的交流端用于连接第一电网，功率变换单元的直流端用于连接一个能量存储设备；控制模组用于连接能量存储设备；供电单元包括：直流供电子模块、第一二极管、交流供电子模块；直流供电子模块的输入端用于连接能量存储设备，输出端与第一二极管串联后，与交流供电子模块的输出端并联连接功率变换单元的控制模组；交流供电子模块的输入端用于连接第一电网；直流供电子模块用于向功率变换单元的控制模组输出第一电压，交流供电子模块用于向功率变换单元的控制模组输出第二电压；其中，第一电压小于第二电压。

Description

一种储能变流器和储能系统

技术领域

本发明涉及储能技术领域，特别涉及一种储能变流器和储能系统。

背景技术

储能系统可以实现储能电池与电网间的交直流转换，而这主要是依赖储能变流器这一核心设备实现的。储能变流器能够完成储能电池与电网间的双向能量流动，通常具有多种工作模式，例如并网充电、并网放电、有功输入输出、无功输入输出、离网充电和离网放电等。储能变流器无论在哪种模式下均要能够正常工作，这就需要高可靠性的供电方式，使得给储能变流器电源供电在任何一种模式下均不能中断。而与储能变流器相连的电网供电有可能中断，单纯采用电网供电并不可靠；储能电池的电能十分宝贵，成本较高，长期离网工作时还容易出现亏电的情况，影响电池寿命，因此单从电池供取电也不经济划算；大容量储能变流器采用模块化级联技术，功率模块众多，很难用一个供电电源给所有模块单元控制器和其他配套用电设备供电。

因此，为了保证大容量储能变流器的正常工作，需要更优秀的电源供电技术方案，提高储能变流器的电源供电可靠性。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的储能变流器和储能系统。

根据本发明的一个方面，提供了一种储能变流器，包括：

若干个功率变换单元，以及与各功率变换单元分别对应的供电单元；

所述功率变换单元包括控制模组，所述功率变换单元的交流端用于连接第一电网，所述功率变换单元的直流端用于连接一个能量存储设备；所述控制模组用于连接所述能量存储设备；所述控制模组包括如下中的一种或多种：单元控制器，电池管理系统，信号采样转换模块；

所述供电单元包括：直流供电子模块、第一二极管、交流供电子模块；

所述直流供电子模块的输入端用于连接所述能量存储设备，输出端与所述第一二极管串联后，与所述交流供电子模块的输出端并联连接所述功率变换单元的控制模组；

所述交流供电子模块的输入端用于连接所述第一电网；

所述直流供电子模块用于向所述功率变换单元的控制模组输出第一电压，所述交流供电子模块用于向所述功率变换单元的控制模组输出第二电压；其中，所述第一电压小于所述第二电压。

可选地，所述直流供电子模块包括：第一熔断器，DC/DC模块，第二熔断器；

所述第一熔断器的第一端用于与所述能量存储设备的正极连接，第二端与所述DC/DC模块输入端的正极连接；

所述第二熔断器的第一端用于与所述能量存储设备的负极连接，第二端与所述DC/DC模块输入端的负极连接；

所述DC/DC模块输出端的正极通过所述第一二极管连接所述功率变换单元的控制模组，所述DC/DC模块输出端的负极直接连接所述功率变换单元的控制模组。

可选地，所述交流供电子模块包括第一变压器和整流模块，所述第一变压器的原边用于连接所述第一电网，副边与所述整流模块的交流端连接，所述整流模块的直流端与所述功率变换单元的控制模组连接。

可选地，所述储能变流器还包括：并网电抗器；

所述若干个功率变换单元级联成若干条功率变换链路；

所述并网电抗器包括若干条支路，各支路的第一端分别用于连接第一电网一个相位的端口，各支路的第二端分别连接一条功率变换链路。

可选地，所述功率变换单元还包括第一开关、第二开关、限流电阻、H桥电路和LCL电路；

所述第一开关的第一端用于连接所述能量存储设备的正极，第二端通过所述限流电阻连接所述LCL电路的第一电感的第一端；

所述第二开关的第一端用于连接所述能量存储设备的正极，第二端直接连接所述LCL电路的第二电感的第一端；

所述第一电感的第二端分别连接所述LCL电路的第一电容和所述H桥电路的直流端的第一端口；

所述第二电感的第二端分别连接所述LCL电路的第一电容和所述H桥电路的直流端的第二端口；

所述H桥电路的交流端用于连接所述第一电网。

依据本发明的另一方面，提供了一种储能系统，包括第一电网、若干台能量存储设备，如上述任一项所述的储能变流器。

可选地，该系统还包括：

若干台散热设备、第三开关、第二变压器、第四开关、第三变压器；其中，各散热设备分别对应所述储能变流器中的一个或多个功率变换单元；

所述散热设备为双路供电，第一路通过所述第三开关连接所述第二变压器的副边，所述第二变压器的原边用于连接一与所述第一电网相独立的第二电网；第二路通过所述第四开关连接所述第三变压器的副边，所述第三变压器的原边连接所述储能变流器中的交流端。

可选地，该系统还包括：并网开关；

所述储能变流器和所述第一电网间通过并网开关连接。

可选地，该系统还包括：

主控制器，分别与所述并网开关的控制端、所述储能变流器的各所述功率变换单元中的控制模组、第三开关的控制端和第四开关的控制端连接；

主供电模块，用于为二次回路和主控制器供电，所述二次回路中至少包括所述第三开关和第四开关。

可选地，所述主供电模块包括：

第四变压器，其原边用于连接并联的第一电网和第二电网，其副边连接一个在线式不间断电源的第一端；所述在线式不间断电源的第二端用于连接所述主控制器和所述二次回路。

由上述可知，本发明的技术方案，为储能变流器的各功率变换单元对应设置供电单元，并采用与可与能量存储设备连接的直流供电子模块和可与交流电网连接的交流供电子模块向功率变换单元的控制模组进行供电，其中直流输出的电压小于交流输出的电压，并在直流输出端正极串联一个二极管。通过该技术方案实现的储能变流器，能够在接入交流电网和能量存储设备后，通过交流电网为各功率变换单元供电，当交流电网故障时，可以无缝切换到由能量存储设备进行供电，实现了交直流混合分时供电，保证了储能变流器的稳定运行，并且各功率变换单元独立供电，当任何一个功率变换单元故障时将其和对应的供电单元切断即可，不影响其他功率变换单元的正常运行。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的一种储能变流器的结构示意图；

图2示出了根据本发明一个实施例的储能变流器内部电路拓扑图；

图3示出了根据本发明一个实施例的一种储能系统的结构示意图；

图4示出了根据本发明另一个实施例的一种储能系统的结构示意图；

图5示出了根据本发明一个实施例的散热设备供电电路原理图；

图6示出了根据本发明一个实施例的主供电模块电路原理图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1示出了根据本发明一个实施例的一种储能变流器的结构示意图。如图1所示，储能变流器100包括：

若干个功率变换单元110，以及与各功率变换单元110分别对应的供电单元120。功率变换单元110包括控制模组111，功率变换单元110的交流端用于连接第一电网，功率变换单元110的直流端用于连接一个能量存储设备；控制模组110用于连接能量存储设备；供电单元120包括：直流供电子模块121、第一二极管122、交流供电子模块123；直流供电子模块121的输入端用于连接能量存储设备，输出端与第一二极管122串联后，与交流供电子模块123的输出端并联连接功率变换单元110的控制模组111；交流供电子模块123的输入端用于连接第一电网；直流供电子模块121用于向功率变换单元110的控制模组111输出第一电压，交流供电子模块123用于向功率变换单元110的控制模组111输出第二电压；其中，第一电压小于第二电压。

其中，能量存储设备可以是储能电池组，具体可以是锂电池、铅酸电池、铅碳电池等电化学二次电池。各功率变换单元连接的电池种类可以不同，即可以是以上的任一种电池，也可以是两种或以上电池的混用。但如果一个功率变换单元连接的是一个储能电池组，那该储能电池组内的电池种类应当是相同的。控制模组111可以包括单元控制器，电池管理系统和信号采样转换模块，用于控制功率变换单元的运行和对储能电池组的管理。

第一电网可以是三相交流电网，其电压等级可以是三相6KV、10KV乃至35KV，其可以给能量存储设备供电也可以从能量存储设备中汲取电能，一旦第一电网掉电，储能变流器100需工作在离网模式。在一种情况下，直流供电子模块121可以输出220V的电压，交流供电子模块123可以输出300V左右的电压，正常工况时，由于第一二极管122的正极电压小于负极电压，因此此时直流供电子模块不输出电压，由交流供电子模块为控制模组111进行供电。当第一电网掉电时，第一二极管122导通，由交流供电子模块123无缝切换到了直流供电子模块121进行供电；当第一电网恢复时，又由直流供电子模块121无缝切换到了交流供电子模块123进行供电。需要注意的是，第一电压和第二电压应在控制模组的正常工况范围内，使得控制模组能够不被电压击穿而损坏。

可见，图1所示的储能变流器，为储能变流器的各功率变换单元对应设置供电单元，并采用与可与能量存储设备连接的直流供电子模块和可与交流电网连接的交流供电子模块向功率变换单元的控制模组进行供电，其中直流输出的电压小于交流输出的电压，并在直流输出端正极串联一个二极管。通过该技术方案实现的储能变流器，能够在接入交流电网和能量存储设备后，通过交流电网为各功率变换单元供电，当交流电网故障时，可以无缝切换到由能量存储设备进行供电，实现了交直流混合分时供电，保证了储能变流器的稳定运行，并且各功率变换单元独立供电，当任何一个功率变换单元故障时将其和对应的供电单元切断即可，不影响其他功率变换单元的正常运行。

在本发明的一个实施例中，上述储能变流器中，直流供电子模块121包括：第一熔断器124，DC/DC模块125，第二熔断器126；第一熔断器124的第一端用于与能量存储设备的正极连接，第二端与DC/DC模块125输入端的正极连接；第二熔断器126的第一端用于与能量存储设备的负极连接，第二端与DC/DC模块125输入端的负极连接；DC/DC模块125输出端的正极通过第一二极管122连接功率变换单元110的控制模组111，DC/DC模块125输出端的负极直接连接功率变换单元110的控制模组111。

上述各器件的连接关系可以参照图2。图2示出了根据本发明一个实施例的储能变流器内部电路拓扑图。以能量存储设备电压范围为550V～850V的储能电池组为例，熔断器124和熔断器126分别连接在该储能电池组的正负两级上，起到保护电路作用，防止过电流损坏储能电池组和其他器件，两个熔断器的另一端接到DC/DC模块125的输入端，该DC/DC模块125可以是一个宽输入电压范围(例如本例中的550V～850V)的直流隔离变换电源。其工作流程可以参照前述实施例，在此不再赘述。

在本发明的一个实施例中，上述储能变流器中，交流供电子模块123包括第一变压器127和整流模块128，第一变压器127的原边用于连接第一电网，副边与整流模块128的交流端连接，整流模块128的直流端与功率变换单元110的控制模组111连接。在一种工况下，第一变压器127可将10KV的高压交流电降至220V的低压交流电，再通过整流模块128将其整流为300V左右的直流电，整流模块128输出的电压可能存在一定波动。

在本发明的一个实施例中，上述储能变流器还包括：并网电抗器130；若干个功率变换单元110级联成若干条功率变换链路；并网电抗器130包括若干条支路，各支路的第一端分别用于连接第一电网一个相位的端口，各支路的第二端分别连接一条功率变换链路。

在第一电网是三相电网时，并网电抗器包括三条支路，相应地，功率变换链路也有三条，各功率变换链路一端与并网电抗器的一个支路连接，另一端可以组成星形连接或三角形连接。在本实施例中，考虑到各功率变换单元采用级联式拓扑，等效开关频率很高，输出电压电流的谐波含量较少，因此不需要传统的LCL滤波器，而是选用并网电抗器。图3示出了这种情况下的储能系统的结构示意图，各能量存储设备选用储能电池组，三条功率变换链路星形连接，每条功率变换链路中级联n个功率变换单元，n为正整数。

在本发明的一个实施例中，上述储能变流器中，功率变换单元110还包括第一开关112、第二开关113、限流电阻114、H桥电路115和LCL电路116；第一开关112的第一端用于连接能量存储设备的正极，第二端通过限流电阻114连接LCL电路116的第一电感117的第一端；第二开关113的第一端用于连接能量存储设备的正极，第二端直接连接LCL电路116的第二电感118的第一端；第一电感117的第二端分别连接LCL电路116的第一电容119和H桥电路115的直流端的第一端口；第二电感118的第二端分别连接LCL电路116的第一电容119和H桥电路115的直流端的第二端口；H桥电路115的交流端用于连接第一电网。

在本实施例中，H桥电路115中的功率器件可以选用绝缘栅双极型晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT和电子注入增强栅晶体管IEGT中的一种或多种。第一电容119起到滤波和电压支撑的作用，第一电感117和第二电感118与第一电容119配合，可以对直流电流进行滤波，减小高频谐波以及2倍频电流的含量。在接入到第一电网和能量存储设备后，先闭合第一开关112，断开第二开关113，为H桥电路115中的功率器件进行预充电；预充电完成后，断开第一开关112，闭合第二开关113进行正常工作。其中第一开关112和第二开关113可选用接触器。

图4示出了根据本发明另一个实施例的一种储能系统的结构示意图，如图4所示，储能系统400包括第一电网410、若干台能量存储设备420，如上述任一实施例中的储能变流器100。其中，能量存储设备420可以是储能电池组，具体可以是锂电池、铅酸电池、铅碳电池等电化学二次电池。各功率变换单元连接的电池种类可以不同，即可以是以上的任一种电池，也可以是两种或以上电池的混用。但如果一个功率变换单元连接的是一个储能电池组，那该储能电池组内的电池种类应当是相同的。第一电网410可以是三相交流电网，其电压等级可以是三相6KV、10KV乃至35KV，其可以给能量存储设备420供电也可以从能量存储设备420中汲取电能，一旦第一电网410掉电，储能变流器100需工作在离网模式。

若干台散热设备430，第三开关440、第二变压器450、第四开关460、第三变压器470；其中，各散热设备430分别对应储能变流器100中的一个或多个功率变换单元110；散热设备430为双路供电，第一路通过第三开关440连接第二变压器450的副边，第二变压器450的原边用于连接一与第一电网410相独立的第二电网；第二路通过第四开关460连接第三变压器470的副边，第三变压器470的原边连接储能变流器100的交流端。其中，散热设备可以是风机设备，支持220V交流供电；第三开关440和第四开关可以选用继电器，开关逻辑是相互关联的，其中，第三开关440可以是常闭的，第四开关460是常开的。这样正常情况下由第二电网为散热设备进行供电，如果第二电网发生故障，那么则断开第三开关440，闭合第四开关460，由储能系统400中的第一电网410进行供电。

在本发明的一个实施例中，上述系统还包括：并网开关480；储能变流器100和第一电网410间通过并网开关480连接。

在上面的实施例中，如果第一电网410发生故障，那么断开并网开关480，使得储能变流器工作在离网模式。这时如果第三开关440断开，第四开关460闭合，散热设备430由能量存储设备420进行供电。这样使得散热设备430有了多重供电保障，并且不浪费能量存储设备420的电能(能量存储设备中的电能宝贵，相对成本更高)。其电路原理图如图5所示。

在本发明的一个实施例中，上述系统还包括：主控制器490，分别与并网开关480的控制端、储能变流器100的各功率变换单元110中的控制模组111、第三开关440的控制端和第四开关460的控制端连接；主供电模块4010，用于为二次回路和主控制器490供电，二次回路中至少包括第三开关440和第四开关460。二次回路中还可以包括灯光电路等其他常规电路。主控制器490可以发送高级控制指令，实现调峰调频、应急供电、后备电源、平滑功率或者负荷曲线，以及改善电能质量等，以及使储能变流器100工作于并网充电、并网放电、有功输入输出、无功输入输出、离网充电和离网放电等模式。

在本发明的一个实施例中，上述系统中，主供电模块4010包括：第四变压器4011和在线式不间断电源4012，第四变压器4011原边用于连接并联的第一电网410和第二电网，副边连接一个在线式不间断电源4012的第一端；在线式不间断电源4012的第二端用于连接主控制器490和二次回路。其电路原理图如图6所示。

本实施例采用的这种供电方式的优点主要有：一、通过在线式不间断电源(On-line Uninterrupted Power Supply)4012获得了质量较高的电压，避免了电网电压波动造成的干扰；二、双电网供电加上在线式不间断电源，三重保障，保证了主控制器490和二次回路的供电连续性。

综上所述，本发明实施例的优点在于，提出了一种为各功率变换单元独立供电的储能变流器，结合储能变流器的级联式拓扑结构特点，各功率变换单元对应设置供电单元，并采用与可与能量存储设备连接的直流供电子模块和可与交流电网连接的交流供电子模块向功率变换单元的控制模组进行供电，其中直流输出的电压小于交流输出的电压，并在直流输出端正极串联一个二极管。通过该技术方案实现的储能变流器，能够在接入交流电网和能量存储设备后，通过交流电网为各功率变换单元供电，当交流电网故障时，可以无缝切换到由能量存储设备进行供电，实现了交直流混合分时供电，保证了储能变流器的稳定运行，并且各功率变换单元独立供电，当任何一个功率变换单元故障时将其和对应的供电单元切断即可，不影响其他功率变换单元的正常运行。

对整个储能系统而言，则是分别从功率变换单元、风机以及主控制器和二次回路三个方面入手，对应设计了交直流混合分时供电、双电源保障供电和双电网加在线式不间断电源的多重优化供电方案，且以电网供电为主，储能系统的储能存储设备供电为辅，主辅结合，互为补充，从而保证了储能系统整体的控制电源供电可靠连续，保障了储能变流器无论在何种工作模式下均能正常工作。提高了储能系统的整体可靠性和经济性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种储能变流器，其特征在于，该储能变流器包括：

若干个功率变换单元，以及与各功率变换单元分别对应的供电单元；

所述功率变换单元包括控制模组，所述功率变换单元的交流端用于连接第一电网，所述功率变换单元的直流端用于连接一个能量存储设备；所述控制模组用于连接所述能量存储设备；所述控制模组包括如下中的一种或多种：单元控制器，电池管理系统，信号采样转换模块；

所述供电单元包括：直流供电子模块、第一二极管、交流供电子模块；

所述直流供电子模块的输入端用于连接所述能量存储设备，输出端与所述第一二极管串联后，与所述交流供电子模块的输出端并联连接所述功率变换单元的控制模组；

所述交流供电子模块的输入端用于连接所述第一电网；

所述直流供电子模块用于向所述功率变换单元的控制模组输出第一电压，所述交流供电子模块用于向所述功率变换单元的控制模组输出第二电压；其中，所述第一电压小于所述第二电压；

所述储能变流器还包括：并网电抗器；

所述若干个功率变换单元级联成若干条功率变换链路；

所述并网电抗器包括若干条支路，各支路的第一端分别用于连接第一电网一个相位的端口，各支路的第二端分别连接一条功率变换链路。

2.如权利要求1所述的储能变流器，其特征在于，所述直流供电子模块包括：第一熔断器，DC/DC模块，第二熔断器；

所述第一熔断器的第一端用于与所述能量存储设备的正极连接，第二端与所述DC/DC模块输入端的正极连接；

所述第二熔断器的第一端用于与所述能量存储设备的负极连接，第二端与所述DC/DC模块输入端的负极连接；

所述DC/DC模块输出端的正极通过所述第一二极管连接所述功率变换单元的控制模组，所述DC/DC模块输出端的负极直接连接所述功率变换单元的控制模组。

3.如权利要求1所述的储能变流器，其特征在于，所述交流供电子模块包括第一变压器和整流模块，所述第一变压器的原边用于连接所述第一电网，副边与所述整流模块的交流端连接，所述整流模块的直流端与所述功率变换单元的控制模组连接。

4.如权利要求1所述的储能变流器，其特征在于，

所述功率变换单元还包括第一开关、第二开关、限流电阻、H桥电路和LCL电路；

所述第一开关的第一端用于连接所述能量存储设备的正极，第二端通过所述限流电阻连接所述LCL电路的第一电感的第一端；

所述第二开关的第一端用于连接所述能量存储设备的正极，第二端直接连接所述LCL电路的第一电感的第一端；

所述第一电感的第二端分别连接所述LCL电路的第一电容的一端和所述H桥电路的直流端的第一端口；

所述第一电感的第一端用于连接所述能量存储设备的负极；

所述第二电感的第二端分别连接所述LCL电路的第一电容的另一端和所述H桥电路的直流端的第二端口；

所述H桥电路的交流端用于连接所述第一电网。

5.一种储能系统，其特征在于，该储能系统包括第一电网、若干台能量存储设备，如权利要求1-4中任一项所述的储能变流器。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，该系统还包括：

若干台散热设备、第三开关、第二变压器、第四开关、第三变压器；其中，各散热设备分别对应所述储能变流器中的一个或多个功率变换单元；

所述散热设备为双路供电，第一路通过所述第三开关连接所述第二变压器的副边，所述第二变压器的原边用于连接一与所述第一电网相独立的第二电网；第二路通过所述第四开关连接所述第三变压器的副边，所述第三变压器的原边连接所述储能变流器中的交流端。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，该系统还包括：并网开关；

所述储能变流器和所述第一电网间通过并网开关连接。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，该系统还包括：

主控制器，分别与所述并网开关的控制端、所述储能变流器的各所述功率变换单元中的控制模组、第三开关的控制端和第四开关的控制端连接；

主供电模块，用于为二次回路和主控制器供电，所述二次回路中至少包括所述第三开关和第四开关。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述主供电模块包括：

第四变压器，其原边用于连接并联的第一电网和第二电网，其副边连接一个在线式不间断电源的第一端；所述在线式不间断电源的第二端用于连接所述主控制器和所述二次回路。

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