專利名稱：一種大容量中壓電池儲能系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種大容量的中壓儲能系統(tǒng)，具體是一種采用模塊化的交流級聯(lián)結(jié)構(gòu)儲能系統(tǒng)，用于大容量電池儲能的場合。屬于電儲能領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
采用電池儲能系統(tǒng)平滑風電和光伏發(fā)電功率是是解決新能源并網(wǎng)難和風電“棄風”問題的有效途徑。大容量電儲能在電網(wǎng)中的應(yīng)用改變了電能只能傳輸不能存儲的歷史，給電網(wǎng)生產(chǎn)和運行帶來革命性的影響，極大地促進我國智能電網(wǎng)的發(fā)展。電池儲能系統(tǒng)采用DC/AC雙向功率變換器，實現(xiàn)電池和電網(wǎng)之間的功率雙向流動，功率變換器是儲能系統(tǒng)能量控制的核心。大多數(shù)儲能應(yīng)用中，功率變換器采用低壓方案，交流側(cè)電壓一般彡AC690V，單機功率容量一般在數(shù)百kW，更大的容量則需通過多臺功率變換器在交流側(cè)并聯(lián)實現(xiàn)。ABB公司的個別型號功率變換器采用IGCT功率器件，直流側(cè)電壓可達3-5kV,交流側(cè)電壓可達2kV。低壓方案的功率變換器單臺容量受限，在大容量場合應(yīng)用時需通過多臺并聯(lián)的方式擴容并采用升壓變壓器升壓。目前電池儲能中應(yīng)用的功率變換器主要有DC/AC單級結(jié)構(gòu)和DC/DC+DC/AC雙級式結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)形式?？紤]單級式功率變換器效率〈98%，雙級式功率變換器效率〈96%，變壓器損耗2%，儲能系統(tǒng)總效率分別為〈96%和〈94%，系統(tǒng)效率低。ABB的儲能系統(tǒng)的功率變換器直流側(cè)電壓過高，需要極其大量電池串聯(lián)使用，電池的短板效應(yīng)顯著，現(xiàn)有的電池均衡技術(shù)無法保證其長期穩(wěn)定運行。在公開的中國發(fā)明專利《一種模塊化中壓儲能系統(tǒng)》(公開號:CN102355065)中，其一次側(cè)采用星形連接，通過對三個相電壓的控制實現(xiàn)充放電與均衡等功能。其不足之處在于，儲能系統(tǒng)進行相 間均衡和故障冗余控制時需對三相電壓的幅值和相位進行適當控制，但三個相電壓的控制上相互耦合，控制難度較高，不利于其穩(wěn)定運行。在類似鏈式結(jié)構(gòu)的裝置中，一次側(cè)并網(wǎng)均采用集中式的連接電抗，由于結(jié)構(gòu)布置的原因，考慮到可能存在的電抗下端直接對地/相間短路，連接電抗需要按照承受直接短路的電動力設(shè)計，成本高、體積大、抗飽和要求高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種大容量的中壓儲能系統(tǒng)，三相采用模塊化儲能單元級聯(lián)的結(jié)構(gòu)，儲能單元內(nèi)部自帶連接電抗器，儲能單元級聯(lián)后采用三角形連接，三角形的三個頂點連接中壓電網(wǎng)三線。三個支路電流控制相互解耦，控制簡單，可靠性高，可實現(xiàn)對電池的均衡功能。為實現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明提供一種大容量中壓電池儲能系統(tǒng)，包括儲能電池單元、預(yù)充電電路、單相H橋雙向變流器及連接電抗，其中:儲能電池單元的輸出端與預(yù)充電電路的輸入端相連傳輸直流電壓，預(yù)充電電路的輸出端與單相H橋變換器的直流端相連以傳輸直流電壓，單相H橋變換器的輸出端與連接電抗串聯(lián)，如此構(gòu)成儲能單元，多個儲能單元交流側(cè)串聯(lián)后組成一個支路，三個支路首尾相連形成三角形連接，三角形的三個端點再與中壓電網(wǎng)三相連接，所述系統(tǒng)采取三相三角形的H橋級聯(lián)結(jié)構(gòu)，每一線支路由多個儲能單元串聯(lián)構(gòu)成，儲能單元采用單相H橋變換器實現(xiàn)電能的AC/DC雙向變換。所述的儲能電池單元是由可充電電池的串并聯(lián)組成。所述的預(yù)充電電路包括:1個電阻和I個接觸器，其中:電阻和接觸器并聯(lián)。所述的單相H橋變換器包括4個電力電子開關(guān)器件和直流電容，4個開關(guān)器件連接為單相H橋結(jié)構(gòu)，直流電容并聯(lián)在直流側(cè)，單相H橋變換器的輸出與連接電感串聯(lián)。所述的連接電抗既可以是空心電抗器，也可以是帶鐵芯的電抗器。本發(fā)明中可以利用控制各個儲能單元輸出電壓幅值的相互比例來實現(xiàn)同一線電壓支路上的不同儲能單元的能量均衡。本發(fā)明中可以利用控制三個線電壓支路的電流比例來實現(xiàn)不同線支路上的儲能單元的總能量均衡。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:同等功率下，高電壓、小電流、電流諧波小,對電池單體容量要求低；通過旁路可實現(xiàn)冗余；具有對電池的均衡功能。MW級大容量時成本較低壓儲能方案低。較一次側(cè)星形連接的中壓儲能系統(tǒng)控制簡單，可靠性更高。儲能單元內(nèi)部自帶連接電抗器，單個連接電抗器只需按照H橋變流器的電壓等級進行設(shè)計，耐壓要求低。由于無需另外串聯(lián)集中式連接電抗器，整體更加適合模塊化布置，可維護性更好，同時減小了占地面積和成本。同等功率下，較三相星形連接方式電流小，對電池單體容量要求更低。



通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:圖1為本發(fā)明一實施例的儲能單元示意圖。圖2為本發(fā)明一實施例的大容量中壓儲能系統(tǒng)的整體的結(jié)構(gòu)圖。圖3為本發(fā)明一實施例的電路原理圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。如圖1-2所示，本發(fā)明所提供的大容量中壓電池儲能系統(tǒng)包括:3N個儲能電池單元、3N個預(yù)充電電路、3N個單相H橋變換器、3N個連接電抗。其中:3N個儲能電池的輸出端分別與3N個預(yù)充電電路的輸入端相連傳輸直流電壓，3N個預(yù)充電電路的輸出端分別與3N個單相H橋變換器的直流端相連以傳輸直流電壓，3N個H橋變換器輸出端串聯(lián)3N個連接電
抗，如此構(gòu)成3N個結(jié)構(gòu)相同的儲能單元AB1、AB2......ABN，BC1、BC2......BCN，CA1、CA2......CAN。線電壓UAB支路由N個儲能單元ABl、AB2……ABN交流側(cè)串聯(lián)組成；線電壓UBC支路由N個儲能單元BCl、BC2……BCN交流側(cè)串聯(lián)組成；線電壓UCA支路由N個儲能單元CAl、CA2……CAN交流側(cè)串聯(lián)組成；三個支路首尾相連，構(gòu)成三角形連接，三角形的三個端點再與中壓電網(wǎng)三相連接。實施例本實施例為2MW*2h電池儲能系統(tǒng)，額定電壓10kV。如圖3所示，本實施例的儲能單元包括:1個蓄電池組、I個電阻、I個接觸器、I組電容、4個IGBT和I個連接電抗組成。A、B、C三相各20個儲能單元，按照圖2的方式連接構(gòu)成整個中壓儲能系統(tǒng)。本實施例中，所述的I個蓄電池單元額定電壓960V，標稱容量200Ah。本實施例中，所述的預(yù)充電電路由I個電阻Rl、l個接觸器Kl組成。其中:電阻Rl和接觸器Kl并聯(lián)。電阻R1、接觸器Kl的一端連接至蓄電池組的正極，為預(yù)充電電路的輸入端；電阻Rl和接觸器Kl的另一端為預(yù)充電電路的輸出端。Rl的阻值是200歐姆，Kl的額定電壓1200VDC，額定電流100A。本實施例中，所述的單相H橋變換器由I組電容器(:1、1681'器件￥1、￥2、￥3、￥4和連接電抗L組成。其中:V1和V2串聯(lián)構(gòu)成一個支路，V3和V4串聯(lián)構(gòu)成一個支路，上述兩個支路和電容器組Cl再并聯(lián)，H橋變換器的輸出與連接電感L串聯(lián)。電容器組Cl額定電壓1400VDC，容量4000uF。IGBT器件V1、V2、V3、V4額定電壓1700V，額定電流200A。H橋變換器的連接電抗L電感量ImH，額定電壓800V，額定電流200A。如此使得單個線支路的總電感量為20mH。本實施例的工作過程如下:1、保持每個儲能單元的單相H橋變換器的開關(guān)器件Vl、V2、V3、V4處于關(guān)斷狀態(tài)。2、將由20個標稱電壓48V/200Ah磷酸鐵鋰電池模塊串聯(lián)組成額定電壓960V，標稱容量200Ah的蓄電池單元。每個儲能單元左側(cè)蓄電池單元輸入直流電，由于蓄電池單元壓隨著其電量的變化而變化，其電壓波動范圍800 - 1200VDC。3、首先經(jīng)過電阻Rl給電容器組Cl充電，給電容器組Cl的初始充電電流15 — 20A，經(jīng)過3s后電容器組Cl上電壓上升到接近直流輸入電壓。閉合Kl將電阻Rl旁路，電容器組Cl電壓與蓄電池組電壓完全相等。4、從電網(wǎng)給儲能系統(tǒng)充電時，控制UAB、UBC、UCA三個支路的儲能單元H橋變換器，使得流入儲能系統(tǒng)電流lab、Ibc, Ica與Uab、Ubc、Uca的相位差為90度，同時其三個支路輸出電壓Uvab、Uvbc、Uvca的相位略超前于電網(wǎng)線電壓Usab、Usbc和Usca —定電角度即可。調(diào)節(jié)兩者之間的相位角差即可調(diào)節(jié)充電功率的大小。5、從儲能系統(tǒng)向電網(wǎng)放電時，控制UAB、UBC、UCA三個支路的儲能單元H橋變換器，使得流入儲能系統(tǒng)電流lab、Ibc, Ica與Uab、Ubc、Uca的相位差為90度，同時其三個支路輸出電壓Uvab、Uvbc、Uvca的相位略滯后于電網(wǎng)電壓Usab、Usbc和Usca —定電角度即可。調(diào)節(jié)兩者之間的相位角差即可調(diào)節(jié)放電功率的大小。6、儲能系統(tǒng)放電時，當UAB支路的20個儲能單元存儲的能量不均等時，按照各個儲能單元存儲的能量的比例控制各個儲能單元的單相H橋變換器的輸出電壓幅值，可使得UAB支路上的每個儲能單元的輸出有功功率與其存儲的能量成正比。從而達到UAB支路上的各個儲能單元間能量均衡、防止過放電的目的。
7、同理操作，可使儲能系統(tǒng)放電時，UBC支路、UCA支路的儲能單元間能量達到均衡，防止過放電。8、儲能系統(tǒng)充電時，當UAB支路的20個儲能單元存儲的能量不均等時，按照各個儲能單元可充電的能量的比例控制各個儲能單元的單相H橋變換器的輸出電壓幅值，可使得UAB支路上的每個儲能單元的輸如有功功率與其可充電的能量成正比。從而達到UAB支路上的各個儲能單元間能量均衡、防止過充電的目的。9、同理操作，可使儲能系統(tǒng)放電時，UBC支路、UCA支路的儲能單元間能量達到均衡，防止過充電。10、儲能系統(tǒng)放電時，如儲能系統(tǒng)UAB支路20個儲能單元存儲的總能量、UBC支路20個儲能單元存儲的總能量和UCA支路20個儲能單元存儲的總能量三者不相等，控制UAB,UBC,UCA三個支路的儲能單元H橋變換器，使支路輸出總電壓UVab、UVbc、UVca之比等于三個支路上儲能單元存儲的總能量之比。從而可以實現(xiàn)UAB、UBC、UCA三個支路之間的放電能量均衡。11、儲能系統(tǒng)充電時，如儲能系統(tǒng)UAB支路20個儲能單元存儲的總能量、UBC支路20個儲能單元存儲的總能量和UCA支路20個儲能單元存儲的總能量三者不相等，控制UAB,UBC,UCA三個支路的儲能單元H橋變換器，使支路輸出總電壓UVab、UVbc、UVca之比等于三個支路上儲能單元可充電的總能量之比。從而可以實現(xiàn)UAB、UBC、UCA三個支路之間的充電能量均衡。本實施例的優(yōu)點在于IOkV直掛電網(wǎng)，無變壓器，單機容量大、效率高;MW級同等容量下成本較低壓方案低；同等容量下，本實施例較低壓方案電壓高、電流小、電流諧波小，對電池單體容量要求低；可實現(xiàn)對電池的均衡功能。當某一個儲能單元故障時可通過對其H橋變換器的開關(guān)器件的控制旁路故障儲能單元，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的故障冗余運行。相比一次側(cè)星形連接中壓儲能系統(tǒng)，同等容量下其儲能單元較多，因此所需儲能單元功率和電流更小，對電池容量要求更低。當某一個儲能單元故障時，其影響僅僅限于故障的儲能單元所在支路，對其他支路完全沒有影響，不存在一次側(cè)星形結(jié)構(gòu)中存在的對其他兩相的影響問題。在實現(xiàn)三個支路的均衡時，其電壓控制也是完全解耦的，不存在一次側(cè)星形結(jié)構(gòu)中需要協(xié)調(diào)三相電壓之間的幅值和相位的問題。因此，控制上更加簡單，可靠性更聞。由于每個儲能單元內(nèi)部均自帶連接電抗器，每個支路上的儲能單元內(nèi)部的連接電抗共同起到平波作用，單個電抗器電感量要求小，耐壓要求低。由于無需外部串聯(lián)集中式連接電抗器，整體結(jié)構(gòu)更加模塊化，方便維護和更換，同時減小了占地面積和成本。以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種大容量中壓電池儲能系統(tǒng)，其特征在于包括儲能電池單元、預(yù)充電電路、單相H橋變換器以及連接電感，其中:儲能電池單元的輸出端與預(yù)充電電路的輸入端相連傳輸直流電壓，預(yù)充電電路的輸出端與單相H橋變換器的直流端相連以傳輸直流電壓，單相H橋變換器的輸出端與連接電抗串聯(lián)，如此構(gòu)成儲能單元，多個儲能單元交流側(cè)串聯(lián)后組成一個支路，三個支路首尾相連形成三角形連接，三角形的三個端點再與中壓電網(wǎng)三相連接，所述系統(tǒng)采取三相三角形的H橋級聯(lián)結(jié)構(gòu)，每一線支路由多個儲能單元串聯(lián)構(gòu)成，儲能單元采用單相H橋變換器實現(xiàn)電能的AC/DC雙向變換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大容量中壓電池儲能系統(tǒng)，其特征在于:通過控制各個所述儲能單元輸出電壓幅值的相互比例來實現(xiàn)同一線電壓支路上不同儲能單元的能量均衡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大容量中壓電池儲能系統(tǒng)，其特征在于:通過控制三個線電壓支路的電流幅值比例來實現(xiàn)不同線電壓支路上的儲能單元的總能量均衡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的模塊化中壓儲能系統(tǒng)，其特征在于:所述的儲能電池單元是由可充電電池的串并聯(lián)組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的大容量中壓電池儲能系統(tǒng)，其特征在于:所述的單相H橋變換器包括4個電力電子開關(guān)器件和直流電容，4個開關(guān)器件連接為單相H橋結(jié)構(gòu)，直流電容并聯(lián)在直流側(cè)，單相H橋變換器的輸出與連接電感串聯(lián)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種大容量中壓電池儲能系統(tǒng)，其中儲能電池單元的輸出端與預(yù)充電電路的輸入端相連傳輸直流電壓，預(yù)充電電路的輸出端與單相H橋變換器的直流端相連以傳輸直流電壓，單相H橋變換器輸出端串聯(lián)連接電抗，如此構(gòu)成儲能單元，多個儲能單元交流側(cè)串聯(lián)后再與連接電感串聯(lián)組成一個支路，三個支路首尾相連形成三角形連接，三角形的三個端點再與中壓電網(wǎng)三相連接。本發(fā)明并網(wǎng)電感由各個儲能單元的電感串聯(lián)組成，單個電感故障對系統(tǒng)影響小，可靠性高。在同等功率下，高電壓、小電流、電流諧波小，對電池單體容量要求低；通過旁路可實現(xiàn)冗余，可靠性高；具有對電池的均衡功能。較一次側(cè)星形連接的中壓儲能系統(tǒng)控制簡單，可靠性更高。
文檔編號H02J15/00GK103199630SQ20131008068
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月13日
發(fā)明者郭海峰, 凌志斌, 李永興, 張百華, 李勇琦, 陳滿 申請人:中國南方電網(wǎng)有限責任公司調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司, 上海交通大學