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CN105871238A - 含全桥dc/dc 的组合级联式储能变流器结构 - Google Patents

含全桥dc/dc 的组合级联式储能变流器结构 Download PDF

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CN105871238A
CN105871238A CN201610245058.1A CN201610245058A CN105871238A CN 105871238 A CN105871238 A CN 105871238A CN 201610245058 A CN201610245058 A CN 201610245058A CN 105871238 A CN105871238 A CN 105871238A
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CN
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switching tube
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kth
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吴俊勇
熊飞
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艾洪克
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Beijing Jiaotong University
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Abstract

本发明公开一种含全桥DC/DC的组合级联式储能变流器结构，其由相同的三相电路组成，每一相电路包括n个全桥DC/DC变流器和相对应的n个H桥DC/AC变流器。第k全桥DC/DC变流器的输入端连接第k外部电源，第k H桥DC/AC变流器的输入来自第k全桥DC/DC变流器的输出，其输出包括第一和第二输出端。第一H桥DC/AC变流器的第一输出端经第一输出滤波电感器作为该相电路的第一输出端；第n H桥DC/AC变流器的第二输出端经第二输出滤波电感器后作为该相电路的第二输出端；当1≤k＜n时，第k H桥DC/AC变流器的第二输出端与第k+1 H桥DC/AC变流器的第一输出端相连，其中k、n为自然数，且1≤k≤n，各相电路的第一输出端和第二输出端作为该相电路的输出。

Description

含全桥DC/DC的组合级联式储能变流器结构
技术领域
本发明涉及电力变换技术领域，更具体地，涉及一种含全桥DC/DC的组合级联式储能变流器结构。
背景技术
随着传统能源的日渐匮乏和环境问题的日趋严重，新能源技术得到快速发展，可再生能源发电技术是目前世界各国专家研究的热点，有两个方面的问题尤其引人关注。
其一，由于风能和太阳能等可再生能源具有波动性和间歇性，在并网运行时有较大的不确定性，给电力系统的控制和稳定带来了极大的挑战。友好的、可调度的可再生能源电能是人们追求的目标。大功率储能和功率调节技术是解决该问题的关键，迫切需要能够实现双向有功功率调节和无功补偿的统一功率变换装置。此外，大功率电池储能系统在电力系统调峰调频辅助服务、光储式电动汽车充换电站和用户侧需求响应等应用领域的需求也越来越大。
其二，电池储能可分为分布式储能和集中式储能两大类，目前由于电力电子开关器件的性能限制，使单台储能变流器的功率一般都不大于500kW。以我国两大电网公司建设的最大的电池储能示范工程为例，国家电网公司在张北建成的“风光储输”示范工程，其中储能系统是20MW/95MWh，共使用70台储能变流器和13台升压变压器；南方电网公司在深圳宝清建成的储能电站示范工程是4MW/16MWh，共包含8个模块16台储能变流器，每个模块最大功率都是500kW。实际上这都是沿用了分布式储能的技术路线来解决大功率集中式储能的问题，按此推算，如果要建设一座百兆瓦级别的储能电站，需使用200台储能逆变器和数十台升压变压器，不但占地面积大、系统控制复杂、协调困难，诸多变流器并联运行所带来的环流问题还会降低系统整体效率，而且诸多的升压变压器造成较大的无功损耗，需要增加无功补偿等辅助设备。可见，亟需找到一条新的大功率集中式储能变流器的技术路线。
Dedoncker R W等申请了Power conversion apparatus for DC-DCconversion using dual active bridges美国专利(U.S.Patent No:5027264)，提出由两台方波输入电压和功率调节，并借助于变压器漏电感和外接电感实现零电压开关。中国实用新型专利CN 202617004U在此基础上加以改进，得到了一种隔离型双向DC/DC变换器。而经典的级联式H桥DC/AC变换器基于多个单相电压型全桥逆变电路单元的串联，借助于适当的控制策略，可实现交流和直流侧双向的功率流动。若将两者加以改进并有机融合，可实现双向高效DC/AC的功率变换。中国发明专利“一种组合式双向DC/AC变流器拓扑结构”(公开号CN103178742A)提出了一种“隔离型半桥DC/DC”与“H桥级联式DC/AC”相结合的组合级联式双向变流器的拓扑结构，可以作为大功率储能变流器的选择之一。虽然半桥DC/DC具有一定的成本优势，但由于功率开关管工作于不平衡状态，不同的电压应力和损耗对长期运行可能存在隐患。因此，需要提供一种含全桥DC/DC的组合级联式大功率储能变流器拓扑结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含全桥DC/DC的组合级联式储能变流器结构。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种含全桥DC/DC的组合级联式储能变流器结构，该结构由相同的三相电路组成，每一相电路包括n个隔离型全桥DC/DC变流器和相对应的n个级联式H桥DC/AC变流器，其中第k全桥DC/DC变流器的输入端连接第k外部电源；第k H桥DC/AC变流器的输入来自第k全桥DC/DC变流器的输出，其输出包括第一输出端和第二输出端。
第一H桥DC/AC变流器的第一输出端经第一输出滤波电感器作为该相电路的第一输出端；第n H桥DC/AC变流器的第二输出端经第二输出滤波电感器后作为该相电路的第二输出端；当1≤k＜n时，第k H桥DC/AC变流器的第二输出端与第k+1 H桥DC/AC变流器的第一输出端相连，其中，k、n为自然数，且1≤k≤n。
各相电路的第一输出端和第二输出端作为该相电路的输出。
第k全桥DC/DC变流器包括Ⅰ侧全桥和Ⅱ侧全桥，其中Ⅰ侧全桥包括由第一开关管和第二开关管组成的左桥臂及由第三开关管和第四开关管组成的右桥臂。第一开关管和第三开关管的连接点与第二开关管和第四开关管的连接点作为Ⅰ侧全桥的输入端，其连接第k外部电源作为该相电路的输入；第一开关管和第二开关管的连接点与第三开关管和第四开关管的连接点作为Ⅰ侧全桥的输出端，其经谐振电感器后与高频隔离变压器的一次侧并联。
Ⅱ侧全桥包括由第五开关管和第六开关管组成的左桥臂及由第七开关管和第八开关管组成的右桥臂。第五开关管和第六开关管的连接点与第七开关管和第八开关管的连接点作为Ⅱ侧全桥的输入端，其与高频隔离变压器的二次侧并联；第五开关管和第七开关管的连接点与第六开关管和第八开关管的连接点作为Ⅱ侧全桥的输出端，其与电容器并联后作为第k H桥DC/AC变流器的输入。
第k H桥DC/AC变流器包括Ⅲ侧全桥，其包括由第九开关管和第十开关管组成的左桥臂及由第十一开关管和第十二开关管组成的右桥臂。第九开关管和第十一开关管的连接点与第十开关管和第十二开关管的连接点作为Ⅲ侧全桥的输入端；第九开关管和第十开关管的连接点引出左桥臂的输出端作为所述第k H桥DC/AC变流器的第一输出端，第十开关管和第十二开关管的连接点引出右桥臂的输出端作为所述第k H桥DC/AC变流器的第二输出端。
优选地，第一输出滤波电感器和第二输出滤波电感器的电抗值为零或不为零。
优选地，各开关管是与二极管反向并联的金属氧化层半导体场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管。
本发明的有益效果如下：
1)根据优化的控制策略调整隔离型全桥DC/DC变流器原副边全桥各自内部的相移，可使变换器在输入输出电压有一定差别时仍能实现零电压开关以及达到较高的工作效率。
2)通过调整隔离型全桥DC/DC变流器原副边全桥之间的移相角可进行功率的调节，并可实现能量的双向流动。
3)隔离型全桥DC/DC变流器可在较高的开关频率下工作，可大大减小隔离变压器的体积和造价。
4)通过多个H桥的级联方式，可以使装置直接接入高压电网(10kV或35kV)，省去了并网变压器，进一步降低装置成本。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出含全桥DC/DC的组合级联式储能变流器结构。
图2示出当直流侧电压U11＝U12＝......＝U1n＝500V，U21＝U22＝......＝U2n稳压控制为600V时，控制功率从直流侧到交流侧输出333kW时电感Ls两侧的电压Up0、Up1以及变压器原边输入电流ip的稳态波形。
图3示出当直流侧电压U11＝U12＝......＝U1n＝700V，U21＝U22＝......＝U2n稳压控制为600V时，控制功率从直流侧到交流侧输出333kW时电感Ls两侧的电压Up0、Up1以及变压器原边输入电流ip的稳态波形。
图4示出当直流侧电压U11＝U12＝......＝U1n＝500V，U21＝U22＝......＝U2n稳压控制为600V时，控制功率从直流侧到交流侧输出111kW时电感Ls两侧的电压Up0、Up1以及变压器原边输入电流ip的稳态波形。
图5示出当直流侧电压U11＝U12＝......＝U1n＝700V，U21＝U22＝......＝U2n稳压控制为600V时，控制功率从直流侧到交流侧输出111kW时电感Ls两侧的电压Up0、Up1以及变压器原边输入电流ip的稳态波形。
图6示出当U21＝U22＝......＝U2n稳压控制为600V时，控制功率从交流侧到直流侧输入320kW翻转至从直流侧到交流侧输出320kW时交流侧三相电流电压暂态波形以及A相第一级H桥直流侧电压波形。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
一种含全桥DC/DC的组合级联式储能变流器结构，该结构由相同的三相电路组成，每一相电路包括n个隔离型全桥DC/DC变流器和相对应的n个级联式H桥DC/AC变流器，其中第k全桥DC/DC变流器的输入端连接第k外部电源(U1k)；第k H桥DC/AC变流器的输入来自第k全桥DC/DC变流器的输出(U2k)，其输出包括第一输出端和第二输出端。
第一H桥DC/AC变流器的第一输出端经第一输出滤波电感器(Lo1)作为该相电路的第一输出端；第n H桥DC/AC变流器的第二输出端经第二输出滤波电感器(Lo2)后作为该相电路的第二输出端；当1≤k＜n时，第k H桥DC/AC变流器的第二输出端与第k+1H桥DC/AC变流器的第一输出端相连，其中，k、n为自然数，且1≤k≤n。
该三相电路的中性点为N，各相电路的第一输出端和第二输出端作为该相电路的输出，其电压分别为UOA、UOB和UOC。
如图1示的含全桥DC/DC的组合级联式储能变流器结构，以A相为例，第k全桥DC/DC变流器包括Ⅰ侧全桥和Ⅱ侧全桥，其中Ⅰ侧全桥包括由第一开关管(S1)和第二开关(S2)管组成的左桥臂及由第三开关管(S3)和第四开关管(S4)组成的右桥臂。第一开关管(S1)和第三开关管(S3)的连接点与第二开关管(S2)和第四开关管(S4)的连接点作为Ⅰ侧全桥的输入端，其连接第k外部电源(U1k)作为该相电路的输入；第一开关管(S1)和第二开关管(S2)的连接点与第三开关管(S3)和第四开关管(S4)的连接点作为Ⅰ侧全桥的输出端，其经谐振电感器(Ls)后与高频隔离变压器(T)的一次侧并联。
Ⅱ侧全桥包括由第五开关管(S5)和第六开关管(S6)组成的左桥臂及由第七开关管(S7)和第八开关管(S8)组成的右桥臂。第五开关管(S5)和第六开关管(S6)的连接点与第七开关管(S7)和第八开关管(S8)的连接点作为Ⅱ侧全桥的输入端，其与高频隔离变压器(T)的二次侧并联；第五开关管(S5)和第七开关管(S7)的连接点与第六开关管(S6)和第八开关管(S8)的连接点作为Ⅱ侧全桥的输出端，其与电容器(C)并联后作为第kH桥DC/AC变流器的输入。
第k H桥DC/AC变流器包括Ⅲ侧全桥，其包括由第九开关管(S9)和第十开关管(S10)组成的左桥臂及由第十一开关管(S11)和第十二开关管(S12)组成的右桥臂。第九开关管(S9)和第十一开关管(S11)的连接点与第十开关管(S10)和第十二开关管(S12)的连接点作为Ⅲ侧全桥的输入端；第九开关管(S9)和第十开关管(S10)的连接点引出左桥臂的输出端作为所述第k H桥DC/AC变流器的第一输出端，第十一开关管(S11)和第十二开关管(S12)的连接点引出右桥臂的输出端作为所述第k H桥DC/AC变流器的第二输出端。
该相电路的输出电压为UOA。
下面给出含全桥DC/DC的组合级联式大功率储能变流器的典型工作波形，以说明其优点。取图1中的Ls＝65μH，C＝10mF，Lo1＝Lo2＝2mH，变压器变比为1:1，利用Matlab/Smiulink进行电磁暂态仿真。
图2～图5为输入侧直流侧电压U11＝U12＝......＝U1n在不同电压等级下以及在不同的输出功率下电感Ls两侧的电压Up0、Up1以及电流ip的稳态波形。
当直流侧电压U11＝U12＝......＝U1n＝500V，U21＝U22＝......＝U2n稳压控制为600V时，控制功率从直流侧到交流侧输出333kW时电感Ls两侧的电压Up0、Up1以及变压器原边输入电流ip的稳态波形如图2所示。
当直流侧电压U11＝U12＝......＝U1n＝700V，U21＝U22＝......＝U2n稳压控制为600V时，控制功率从直流侧到交流侧输出333kW时电感Ls两侧的电压Up0、Up1以及变压器原边输入电流ip的稳态波形如图3所示。
当直流侧电压U11＝U12＝......＝U1n＝500V，U21＝U22＝......＝U2n稳压控制为600V时，控制功率从直流侧到交流侧输出111kW时电感Ls两侧的电压Up0、Up1以及变压器原边输入电流ip的稳态波形如图4所示。
当直流侧电压U11＝U12＝......＝U1n＝700V，U21＝U22＝......＝U2n稳压控制为600V时，控制功率从直流侧到交流侧输出111kW时电感Ls两侧的电压Up0、Up1以及变压器原边输入电流ip的稳态波形如图5所示。
可知，DC/DC变换器通过调节原副边全桥内的移相角以及全桥间的移相角来满足不同工况下对功率输出以及性能优化的需求。
当U21＝U22＝......＝U2n稳压控制为600V时，控制功率从交流侧到直流侧输入320kW翻转至从直流侧到交流侧输出320kW时交流侧三相电流电压暂态波形以及A相第一级H桥直流侧电压波形如图6所示，其中，Va、Vb、Vc为各相电路的交流侧电压，ia、ib、ic为各相电路的交流测电流，Udc为A相第一级H桥直流侧电压，Pref为设定功率，Po为实际功率。
图6显示了当给定有功功率指令翻转时，级联的H桥DC/AC变换器能够迅速调整并跟踪上新的功率指令。在此动态过程中，H桥直流侧电压先略微下降，然后在DC/DC的电压闭环控制作用下，回到额定值600V。
本发明所提出的结构借助移相控制实现了能量的双向流动，可应用于基于电池储能的大功率调节、储能电站、平滑可再生能源发电输出功率和微电网中的调频调压等场合，真正实现了大功率集中式储能。无需升压变压器，可直接接入10kV或35kV高压电网，单台储能变流器功率可达1MW至10MW(接入10kV)或30MW至50MW(接入35kV)，是对现有分布式储能变流器技术的突破，成为未来建设储能电站的首选技术；另外，还有集中控制、响应速度快、调节幅度大；既可调节有功功率，也可调节和补偿无功功率，“一机两用”；可带电维护，可靠性高；高/低压实现电气隔离，安全性好；电池电压匹配能力强，可适用于锂离子电池、铅酸电池、液流电池，甚至电动汽车淘汰的动力电池，实现动力电池的梯次化利用。
本发明适用于电力系统的储能电站、大型可再生能源电站并网、光储式电动汽车充换电站和用户侧需求响应，具有广阔的应用前景。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种含全桥DC/DC的组合级联式储能变流器结构，其特征在于，该结构由相同的三相电路组成，每一相电路包括n个隔离型全桥DC/DC变流器和相对应的n个级联式H桥DC/AC变流器，其中
第k全桥DC/DC变流器的输入端连接第k外部电源；
第k H桥DC/AC变流器的输入来自所述第k全桥DC/DC变流器的输出，其输出包括第一输出端和第二输出端；
其中，第一H桥DC/AC变流器的第一输出端经第一输出滤波电感器作为该相电路的第一输出端；第n H桥DC/AC变流器的第二输出端经第二输出滤波电感器后作为该相电路的第二输出端；当1≤k＜n时，第k H桥DC/AC变流器的第二输出端与第k+1H桥DC/AC变流器的第一输出端相连，其中，k、n为自然数，且1≤k≤n；
所述各相电路的第一输出端和第二输出端作为该相电路的输出。
2.根据权利要求1所述的变流器结构，其特征在于，所述第k全桥DC/DC变流器包括Ⅰ侧全桥和Ⅱ侧全桥，其中
所述Ⅰ侧全桥包括由第一开关管和第二开关管组成的左桥臂及由第三开关管和第四开关管组成的右桥臂，所述第一开关管和第三开关管的连接点与所述第二开关管和第四开关管的连接点作为Ⅰ侧全桥的输入端，其连接所述第k外部电源作为该相电路的输入，所述第一开关管和第二开关管的连接点与所述第三开关管和第四开关管的连接点作为Ⅰ侧全桥的输出端，其经谐振电感器后与高频隔离变压器的一次侧并联；
所述Ⅱ侧全桥包括由第五开关管和第六开关管组成的左桥臂及由第七开关管和第八开关管组成的右桥臂，所述第五开关管和第六开关管的连接点与所述第七开关管和第八开关管的连接点作为Ⅱ侧全桥的输入端，其与高频隔离变压器的二次侧并联，所述第五开关管和第七开关管的连接点与所述第六开关管和第八开关管的连接点作为Ⅱ侧全桥的输出端，其与电容器并联后作为所述第k H桥DC/AC变流器的输入。
3.根据权利要求1所述的变流器结构，其特征在于，所述第k H桥DC/AC变流器包括Ⅲ侧全桥，其包括由第九开关管和第十开关管组成的左桥臂及由第十一开关管和第十二开关管组成的右桥臂，其中
所述第九开关管和第十一开关管的连接点与所述第十开关管和第十二开关管的连接点作为Ⅲ侧全桥的输入端；
所述第九开关管和第十开关管的连接点引出左桥臂的输出端作为所述第k H桥DC/AC变流器的第一输出端，所述第十开关管和第十二开关管的连接点引出右桥臂的输出端作为所述第k H桥DC/AC变流器的第二输出端。
4.根据权利要求1所述的变流器结构，其特征在于，所述的第一输出滤波电感器和第二输出滤波电感器的电抗值为零或不为零。
5.根据权利要求2或3所述的变流器结构，其特征在于，所述各开关管是与二极管反向并联的金属氧化层半导体场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管。
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