[發明專利]一種基于模塊化多電平變流器的高放電深度復合型儲能系統

在審

• 申請號: 201710042771.0
• 申請日: 2017-01-20
• 公開（公告）號: CN106712062A
• 公開（公告）日: 2017-05-24
• 發明（設計）人: 張建忠;胡省;孫耀東;王偉;鄧富金
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H02J3/32
• 分類號: H02J3/32
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 徐激波

技術領域

本發明屬于儲能系統技術領域，具體涉及一種基于模塊化多電平變流器的高放電深度復合型儲能系統。

背景技術

建設儲能裝置是解決可再生能源發電波動、提高電網對新能源的消納能力和提高能源使用效率的一個重要途徑。目前規模化的電力儲能技術主要有抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導儲能、電池儲能、超級電容器儲能等。其中電池儲能是能量型儲能的典型代表，電池儲能是目前最有投資/成本效益的儲能技術之一，具有模塊化、響應快、商業化程度高的特點。然而，電池儲能具有循環壽命短、功率密度低的缺點，不適合用于短時大功率和頻繁充放電的場合，為此，出現了一種兼有能量型儲能和功率型儲能元件的復合儲能系統，從而優化了儲能電池的壽命同時又具備大功率、頻繁充放電的能力。特別地，近年來出現了一種基于模塊化多電平變流器(MMC)的復合型儲能系統(張建忠，胡省，王偉，孫耀東，一種基于模塊化多電平變流器的復合型儲能系統，中國發明專利，2016，申請號：201611204892.2)，它將能量型儲能元件和功率型儲能元件分別接在模塊化多電平變流器的直流側和內部單元模塊中，構成了分布式的功率型儲能模式，簡化了功率型儲能元件的連接和電壓均衡控制，降低了儲能系統復雜度和成本。但是這種基于模塊化多電平變流器的復合型儲能系統存在功率型儲能元件放電深度低的問題，即當功率型儲能元件(典型采用超級電容器)放電時，其端電壓基本上曾平方關系下降，到達一定放電深度后會造成模塊化多電平變流器因直流電壓過低，從而無法繼續由直流側向交流側提供電能，造成功率型儲能元件放電深度較低，儲能元件的容量未能得到充分利用。可見，還需要對該復合型儲能系統進行革新從而進一步提高其綜合性能。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術存在的問題，提供一種基于模塊化多電平變流器的高放電深度復合型儲能系統。

本發明的技術方案是：一種基于模塊化多電平變流器的高放電深度復合型儲能系統，包括能量型儲能元件、DC/DC變換器、MMC(模塊化多電平變流器)子模塊、電抗器、電源、緩沖電感；

所述的MMC子模塊包括功率型儲能元件、儲能電感、半橋DC/DC電路、電解電容器和MMC半橋子模塊；

所述MMC子模塊內部集成有功率型儲能元件，典型地由若干個超級電容器串聯組合而成，形成分布式儲能的方式；功率型儲能元件通過儲能電感與半橋DC/DC電路連接，所述的半橋DC/DC電路輸出端連接于電解電容器的兩端，電解電容器與MMC半橋子模塊并聯連接，MMC半橋子模塊的輸入腳i和輸出腳o即為MMC子模塊的輸入和輸出腳，依次將每個橋臂上的MMC子模塊輸出腳與下個MMC子模塊的輸入腳相連接，并將三相上橋臂第一個的MMC子模塊輸入腳連接組成MMC的直流正母線，三相下橋臂最后一個MMC子模塊輸出腳連接組成MMC的直流負母線，將每相上橋臂最后一個MMC子模塊的輸出和下橋臂第一個MMC子模塊的輸入與緩沖電感連接，上下橋臂的緩沖電感相互連接之后并將其與電抗器連接，電抗器的輸出端與位于復合型儲能系統外部的電源連接；

所述能量型儲能元件典型地由蓄電池經串聯、先串后并或先并后串組合而成，并輔以主動電池能量均衡系統或者被動電池能量均衡系統，能量型儲能元件通過DC/DC變換器與MMC的直流母線連接。

本發明中利用DC/DC變換器和半橋DC/DC電路實現了兩種儲能元件之間，以及儲能元件與模塊化多電平變流器之間的控制相互獨立、互不影響，提高了儲能元件的放電深度。

作為優選，所述半橋DC/DC電路有兩種工作模式，當功率型儲能元件需要放電時，半橋DC/DC電路工作于Boost升壓模式，當功率型儲能元件需要充電時，半橋DC/DC電路工作于Buck降壓模式。

作為優選，典型地采用電池作為能量型儲能元件時，在儲存能量或者釋放能量的過程中，會導致電池端電壓的改變，所以電池連接的DC/DC變換器的控制方式為電壓外環電流內環控制，這樣能夠保證模塊化多電平變流器在電池儲存或者釋放能量的過程中，其端電壓保持不變。典型地采用超級電容器作為功率型儲能元件時，與超級電容器連接的半橋DC/DC電路也采用電壓外環電流內環的控制方式，電壓外環用于控制MMC子模塊的電解電容器電壓平均值保持不變，電流內環用于控制超級電容器的儲存或者釋放的能量。

與功率型儲能元件連接的半橋DC/DC電路可以根據各功率型儲能元件的能量差異調節占空比，從而實現各功率型儲能元件之間的能量平衡。此能量差異包括橋臂內部之間、上下橋臂間以及相間各子模塊的能量差異。