一种原边集成式模块化独立控制电池储能系统技术方案

本发明专利技术公开了一种原边集成式模块化独立控制电池储能系统，所述电池储能系统包括电池单元，由串联的多组电池模块组成；主功率变换器，用于控制电池单元的主电流，主功率变换器与电池单元并联，且主功率变换器接入三相交流电网；以及辅助功率变换器，与多组电池模块连接并分别对每组电池模块进行闭环独立控制，用于控制每组电池模块的充放电电流与主电流的差值。本发明专利技术通过主功率变换器和辅助功率变换器实现对电池模块的差异电流部分进行独立控制，而无需对全部电池电流进行独立控制，且原边采用集成单绕组结构，减小变流器的损耗和成本，并提高电池模块的能量利用率。

【技术实现步骤摘要】
一种原边集成式模块化独立控制电池储能系统
本专利技术涉及储能系统领域以及电力电子变换器领域，具体地，涉及一种原边集成式模块化独立控制电池储能系统。
技术介绍
随着环境和能源问题在全球范围内成为焦点，可再生能源发电已经发展成为智能电网的重要动力，其间歇性和波动性对电网电压频率等产生影响。其中，电池储能系统由于具有缓解间歇性电源的功率波动、优化电网质量等功能而备受关注。图1是传统的电池储能系统示意图。如图1所示，将上百只单体电池集中串联，并采用集中型大功率变换器并网。由于单体电池之间SOC(荷电量)、容量、内阻等存在不一致性，大量串联应用使电池容量和能量利用率降低，寿命缩短。图2是现有模块化电池储能系统示意图。如图2所示，根据电池模块化柔性成组概念，将传统电池储能系统中的大规模串联电池组分成若干个低压电池模块，每个电池模块通过功率变换器构成储能模块，再通过不同连接方式接入电网，构成柔性成组储能系统。现有的模块化电池储能系统通常采用全功率独立控制型储能系统。全功率独立控制型柔性成组储能系统主要有三种结构：一、H桥级联型柔性成组储能系统，采用三相交流输出结构，每个子模块直流侧为相互独立的电池模块，经各自的H桥DC/AC变换器后产生低压交流电压，模块级联后产生并网所需交流电压，接入三相交流电网。电池模块充放电时的全部功率通过H桥进行变换及控制，造成变流器的成本、体积、损耗随总功率而增加，中低电压场合应用时效率较低。二、模块化多电平变流器(MMC，modular-multilevel-converter)电池储能系统，在实现交、直流电网功率传输的同时也可以实现储能电池模块的全功率独立控制。子模块电流中包含直流分量、一次谐波分量及二次谐波分量，造成模块开关器件电流应力大，通态损耗较大。变流器的成本、体积随总功率而增加，不适合中低电压场合应用。三、DC-DC级联型柔性成组储能系统，通过N个相同的DC-DC型储能模块级联而成，可以构成单独的直流储能系统，接入中间直流母线或直流电网，也可以通过传统并网变流器接入交流电网。DC-DC变换器结构简单、控制简单、可靠性高，不存在交流分量，开关器件电流应力低于H桥级联，系统效率较高。但是模块全功率通过DC-DC变换器，开关管流过全部电流、绝对损耗较大；DC-DC变换器的成本、体积随总功率而增加，在系统中占较大比例。在以上现有的全功率独立控制型柔性成组储能系统中，不论电流差异大小，电池模块的全部充放电电流都要流过各自的变流器开关器件，造成器件电流应力大、成本高、导通损耗大，随着系统容量的增加，问题更加突出。通常在合理配置电池容量的情况下，各电池模块容量基本在一定范围内，即使是梯次利用电池，容量差异也不会太大，所需要的充放电电流也不会有太大差异，因此没有必要对全部电池电流进行独立控制，而仅需对其中部分的差异电流进行控制，就可以实现电池模块能量利用率的提高。
技术实现思路
鉴于以上问题，本专利技术的目的是提供一种原边集成式模块化独立控制电池储能系统，以解决现有全功率型模块化柔性成组储能系统中，开关器件流过电池模块的全部充放电电流，而导致器件电流应力大、成本高和导通损耗大的问题。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术所述原边集成式模块化独立控制电池储能系统，包括：电池单元，包括串联的多组电池模块；主功率变换器，与电池单元并联，用于控制电池单元的主电流，且主功率变换器接入三相交流电网；以及辅助功率变换器，与多组电池模块连接并分别对每组电池模块进行闭环独立控制，用于控制每组电池模块的充放电电流与所述主电流的差值。优选的，所述主功率变换器包括：第一电容器，与电池单元并联；以及第一开关管至第六开关管，每个开关管分别反并联一个二极管，第一开关管连接在第一电感器的第一端与电池单元的正极之间，第二开关管连接在第一电感器的第一端与电池单元的负极之间，第三开关管连接在第二电感器的第一端与电池单元的正极之间，第四开关管连接在第二电感器的第一端与电池单元的负极之间，第五开关管连接在第三电感器的第一端与电池单元的正极之间，第六开关管连接在第三电感器的第一端与电池单元的负极之间，第一电感器、第二电感器和第三电感器的第二端分别接入三相交流电网的一相。优选的，所述辅助功率变换器包括：原边集成式高频隔离变压器，所述原边集成式高频隔离变压器包括一个集成原边绕组和多个副边绕组；原边变换器，与集成原边绕组连接；以及多个副边变换器，每个副边绕组通过每个副边变换器与每组电池模块对应连接。进一步地，优选的，所述原边变换器包括：第七开关管至第十开关管，每个开关管分别反并联一个二极管，第七开关管连接在集成原边绕组的第一端子与电池单元的正极之间，第八开关管连接在集成原边绕组的第一端子与电池单元的负极之间，第九开关管连接在集成原边绕组的第二端子与电池单元的正极之间，第十开关管连接在集成原边绕组的第二端子与电池单元的负极之间。作为另一优选，所述原边变换器包括：第七开关管，反并联一个二极管，所述第七开关管连接在集成原边绕组的第一端子与电池单元的正极之间；第八开关管，反并联一个二极管，所述第八开关管连接在集成原边绕组的第一端子与电池单元的负极之间；第二电容器，连接在集成原边绕组的第二端子与电池单元的正极之间；以及第三电容器，连接在集成原边绕组的第二端子与电池单元的负极之间。优选的，所述副边变换器包括：第十一开关管至第十四开关管，每个开关管分别反并联一个二极管，所述第十一开关管的第一端连接在电池模块的正极，所述第十一开关管的第二端通过第四电感器连接在副边绕组的第一端子，所述第十二开关管的第一端通过第四电感器连接在副边绕组的第一端子，所述第十二开关管的第二端连接在电池模块的负极，所述第十三开关管连接在副边绕组的第二端子与电池模块的正极之间，所述第十四开关管连接在副边绕组的第二端子与电池模块的负极之间；以及第四电容器，与电池模块并联。作为另一优选，所述副边变换器包括：第十一开关管，反并联一个二极管，所述第十一开关管的第一端连接在电池模块的正极，所述第十一开关管的第二端通过第四电感器连接在副边绕组的第一端子；第十二开关管，反并联一个二极管，所述第十二开关管的第一端通过第四电感器连接在副边绕组的第一端子，所述第十二开关管的第二端连接在电池模块的负极；第四电容器，与电池模块并联；第五电容器，连接在副边绕组的第二端子与电池模块的正极之间；以及第六电容器，连接在副边绕组的第二端子与电池模块的负极之间。优选的，所述主功率变换器通过矢量控制、有功功率和无功功率解耦控制中的一种控制主电流，其中，矢量控制包括正弦脉宽调制(SPWM)和空间矢量脉宽调制(SVPWM)中的一种。优选的，所述辅助功率变换器通过移相控制策略对所述差值进行控制，所述移相控制策略包括桥间移相方式、扩展移相方式、桥间桥内双移相和三移相、脉宽调制(PWM)加移相控制、三角波调制和梯形波调制中的一种或多种。优选的，所述原边变换器与电池单元连接，或所述原边变换器与外部直流电源连接。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：本专利技术中，主功率变换器承担大部分功率，控制电池单元的主电流，提高整机效率；辅助功率变换器控制电池模块充放电电流与主电流之间的差异部分，可适应多组电池模块的不一致性，提高电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种原边集成式模块化独立控制电池储能系统，其特征在于，包括：电池单元，所述电池单元包括串联的多组电池模块；主功率变换器，所述主功率变换器与所述电池单元并联，用于控制所述电池单元的主电流，所述主功率变换器接入三相交流电网；以及辅助功率变换器，与多组电池模块连接并分别对每组电池模块进行闭环独立控制，用于控制每组电池模块的充放电电流与所述主电流的差值。

【技术特征摘要】
1.一种原边集成式模块化独立控制电池储能系统，其特征在于，包括：电池单元，所述电池单元包括串联的多组电池模块；主功率变换器，所述主功率变换器与所述电池单元并联，用于控制所述电池单元的主电流，所述主功率变换器接入三相交流电网；以及辅助功率变换器，与多组电池模块连接并分别对每组电池模块进行闭环独立控制，用于控制每组电池模块的充放电电流与所述主电流的差值。2.根据权利要求1所述的原边集成式模块化独立控制电池储能系统，其特征在于，所述主功率变换器包括：第一电容器，与所述电池单元并联；以及第一开关管至第六开关管，所述第一开关管至第六开关管的每个开关管分别反并联一个二极管，第一开关管连接在第一电感器的第一端与所述电池单元的正极之间，第二开关管连接在第一电感器的第一端与所述电池单元的负极之间，第三开关管连接在第二电感器的第一端与所述电池单元的正极之间，第四开关管连接在第二电感器的第一端与所述电池单元的负极之间，第五开关管连接在第三电感器的第一端与所述电池单元的正极之间，第六开关管连接在第三电感器的第一端与所述电池单元的负极之间，第一电感器、第二电感器和第三电感器的第二端分别接入所述三相交流电网的一相。3.根据权利要求1所述的原边集成式模块化独立控制电池储能系统，其特征在于，所述辅助功率变换器包括：原边集成式高频隔离变压器，所述原边集成式高频隔离变压器包括一个集成原边绕组和多个副边绕组；原边变换器，与所述集成原边绕组连接；以及多个副边变换器，每个副边绕组通过每个副边变换器与每组电池模块对应连接。4.根据权利要求3所述的原边集成式模块化独立控制电池储能系统，其特征在于，所述原边变换器包括：第七开关管至第十开关管，所述第七开关管至第十开关管的每个开关管分别反并联一个二极管，第七开关管连接在所述集成原边绕组的第一端子与所述电池单元的正极之间，第八开关管连接在所述集成原边绕组的第一端子与所述电池单元的负极之间，第九开关管连接在所述集成原边绕组的第二端子与所述电池单元的正极之间，第十开关管连接在所述集成原边绕组的第二端子与所述电池单元的负极之间。5.根据权利要求3所述的原边集成式模块化独立控制电池储能系统，其特征在于，所述原边变换器包括：第七开关管，所述第七开关管反并联一个二极管，所述第七开关管连接在所述集成原边绕组的第一端子与所述电池单元的正极之间；第八开关管，所述第八开关管反并联一个二极管，...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁晖，李乾，李丹，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京,11