高压直挂式储能装置及功率控制方法制造方法及图纸

本公开提供了一种高压直挂式储能装置，包括：与A相、B相及C相线路分别相连的A相H桥功率模块、B相H桥功率模块及C相H桥功率模块，分别包括级联的两个以上的H桥功率模块，并且A相、B相及C相线路采用星型连接方式；直流侧电容，每个H桥功率模块的直流侧均并联一个直流侧电容；蓄电池及超级电容，分别作为能量型储能元件及功率型储能元件；以及隔离型三端口有源桥式变换器，一侧连接至电容的一侧，另一侧与蓄电池及超级电容同时连接。本公开还提供了一种高压直挂式储能装置的功率控制方法。

High pressure direct hanging energy storage device and power control method

【技术实现步骤摘要】
高压直挂式储能装置及功率控制方法
本公开属于电力电子储能
，更具体地涉及一种高压直挂式储能装置及功率控制方法。
技术介绍
大力发展可再生能源，减少温室气体排放，建设环境友好型国家对我国的国家能源安全、环境改善、经济可持续发展等具有非常重要的意义。风力发电、光伏等可再生能源发电作为最具备大规模开发及应用前景的发电方式，技术日趋成熟，逐渐被广泛应用。然而可再生能源具有间歇性、波动性和随机性等特点，这导致其大规模并网会严重影响电网的稳定性、电能质量及经济性。储能是智能电网、可再生能源高占比能源系统、能源互联网的重要组成部分和关键支撑技术。储能能够为电网运行提供调峰、调频、备用、黑启动、需求响应支撑等多种服务，是提升传统电力系统灵活性、经济性和安全性的重要手段；储能能够显著提高风、光等可再生能源的消纳水平，支撑分布式电力及微网，是推动主体能源由化石能源向可再生能源更替的关键技术；储能能够促进能源生产消费开放共享和灵活交易、实现多能协同，是构建能源互联网，推动电力体制改革和促进能源新业态发展的核心基础。储能系统由于其能够灵活快速地调整有功/无功功率的吞吐、提高电能质量等一系列优点，得到了广泛关注和研究。现有储能元件主要分为能量型和功率型，仅使用一种储能元件难以同时满足功率、能量等应用需求，采用混合储能技术则可以有效节约工程成本，提升效率。短时充放电速率和输出功率的压力由功率型储能元件承担，能量型储能元件则可以保证系统容量。当前储能装置的结构主要分为两种：一种是通过升压变压器接入电网；另一种是通过多电平拓扑接入电网；前者存在效率低、体积大、成本高等一系列问题。后者包含链式和MMC两种结构，可实现无变压器直接接入中高压电网，运行效率较高，其电池储能单元采用分布式配置，易于其实现能量管理，同时可以减少储能单元串联数，从而提高装置的安全和可靠性。相比于MMC结构，链式结构在复杂性、成本等方面具有一定优势。当前链式结构储能装置多采用链式H桥直挂电池组，或者链式H桥经DC/DC变换器接电池组，其优点是结构简单，但受限于电池的功率密度，难以响应快速功率调节需求，如新能源场站快速调频场合；同时，由于电池充放电功率无法得到有效控制，导致电池寿命降低；采用复合储能，如电池+超级电容，可以同时获得装置的高功率/能量密度，目前常见于低压应用场合，需要通过升压变压器接入10kV及以上电压等级电网，目前还未见将其与链式拓扑相结合的设计。
技术实现思路
为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种高压直挂式储能装置及功率控制方法。根据本公开的一个方面，一种高压直挂式储能装置，包括：与A相、B相及C相线路分别相连的A相H桥功率模块、B相H桥功率模块及C相H桥功率模块，其中，所述A相H桥功率模块、B相H桥功率模块及C相H桥功率模块分别包括级联的两个以上的H桥功率模块，并且A相、B相及C相线路采用星型连接方式；直流侧电容，每个H桥功率模块的直流侧均并联一个所述直流侧电容；蓄电池及超级电容，分别作为能量型储能元件及功率型储能元件；以及隔离型三端口有源桥式变换器，所述隔离型三端口有源桥式变换器的一侧连接至所述电容的一侧，另一侧与蓄电池及超级电容同时连接。根据本公开的至少一个实施方式，隔离型三端口有源桥式变换器包括：原边全桥电路，一侧与所述直流侧电容连接；高频隔离变压器，原边与所述原边全桥电路的另一侧连接；第一副边全桥电路，一侧与所述高频隔离变压器的第一副边连接，另一侧与第一稳压电容和所述蓄电池连接；以及第二副边全桥电路，一侧与所述高频隔离变压器的第二副边连接，另一侧与第二稳压电容和所述超级电容连接。根据本公开的至少一个实施方式，将所述原边全桥电路与所述直流侧电容等效为第一交流方波电压源，将所述第一副边全桥电路与所述第一稳压电容等效为第二交流方波电压源，将所述第二副边全桥电路与所述第二稳压电容等效为第三交流方波电压源，通过调整所述第一交流方波电压源与第二交流方波电压源和第三交流方波电压源之间的移相角来调节所述蓄电池的功率和所述超级电容的功率。根据本公开的另一方面，提供了一种上述的高压直挂式储能装置的功率控制方法，通过作为能量型储能元件的蓄电池及作为功率型储能元件的超级电容、和隔离型三端口有源桥式变换器来对高压直挂式储能装置的直流母线电压进行稳压控制，其中，对基于直流电压给定值与级联的第i个H桥功率模块的直流母线电压值得到的直流电压进行PI控制，得到功率参考值，通过低通滤波器进行功率分配，从而分别得到蓄电池的功率指令值及超级电容的功率指令值，得到所述第一交流方波电压源与第二交流方波电压源和第三交流方波电压源之间的移相角，通过所述移相角对所述隔离型三端口有源桥式变换器中的全桥电路进行移相PWM控制，从而对高压直挂式储能装置的直流母线电压进行稳压控制。根据本公开的至少一个实施方式，通过式1计算得到所述第一交流方波电压源与第二交流方波电压源和第三交流方波电压源之间的移相角，其中，Pbat为蓄电池的输出功率指令值，Psc为超级电容的输出功率指令值，N1为高频隔离变压器的原边与第一副边的匝数比，N2为高频隔离变压器的原边与第二副边的匝数比，Udc为原边直流电压源的电压值，Ubat为第一副边电压源的电压值，Udc为第二副边电压源的电压值，为第一交流方波电压源与第二交流方波电压源之间的移相角，为第一交流方波电压源与第三交流方波电压源之间的移相角，fs为变换器的开关频率，Lbat为第一副边的漏感值，Lsc为第二副边的漏感值。根据本公开的至少一个实施方式，通过自适应功率系数来调整超级电容的超级电容的输出功率指令值，以防止超级电容的荷电状态SOC过早到达荷电状态上限值或下限值。根据本公开的至少一个实施方式，根据式2计算得到所述自适应功率系数，其中，Ksc为自适应功率系数，SOCsc为超级电容的荷电状态值，SOCscH为超级电容的荷电状态上限值，SOCscL为超级电容的荷电状态下限值，hsoc为荷电状态上限设定值，lsoc为荷电状态下限设定值，Psc,ref为超级电容的输出功率参考值，当超级电容的输出功率参考值Psc,ref小于0且SOCsc小于hsoc，或超级电容的输出功率参考值Psc,ref大于等于0且SOCsc大于等于lsoc时，超级电容的输出功率指令值为超级电容输出功率参考值，当超级电容的输出功率参考值Psc,ref小于0且SOCsc接近SOCscH并大于等于hsoc，或超级电容的输出功率参考值Psc,ref大于等于0且SOCsc接近SOCscL并低于lsoc时，根据Ksc与Psc,ref来调整超级电容的输出功率指令值。根据本公开的至少一个实施方式，所述高压直挂式储能装置通过有功功率和无功功率的解耦控制来进行有功功率补偿及无功功率补偿。根据本公开的至少一个实施方式，根据各相储能元件的荷电状态平均值、三相储能元件的荷电状态平均值及电网电压定向角度，来计算得到负序电压的幅值及相角，并且基于负序电压的幅值及相角将负序电压叠加至PWM调制波中，以便进行储能元件的相间荷电状态平衡。根据本公开的至少一个实施方式，在第i相的第k个H桥功率模块的PWM调制波中叠加与基波相电流同向或反向的电压分量，使得该H桥功率模块吸收或释放有功功率，从而进行储能元件的相内荷电状本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高压直挂式储能装置，其特征在于，包括：与A相、B相及C相线路分别相连的A相H桥功率模块、B相H桥功率模块及C相H桥功率模块，其中，所述A相H桥功率模块、B相H桥功率模块及C相H桥功率模块分别包括级联的两个以上的H桥功率模块，并且A相、B相及C相线路采用星型连接方式；直流侧电容，每个H桥功率模块的直流侧均并联一个所述直流侧电容；蓄电池及超级电容，分别作为能量型储能元件及功率型储能元件；以及隔离型三端口有源桥式变换器，所述隔离型三端口有源桥式变换器的一侧连接至所述电容的一侧，另一侧与蓄电池及超级电容同时连接。

【技术特征摘要】
1.一种高压直挂式储能装置，其特征在于，包括：与A相、B相及C相线路分别相连的A相H桥功率模块、B相H桥功率模块及C相H桥功率模块，其中，所述A相H桥功率模块、B相H桥功率模块及C相H桥功率模块分别包括级联的两个以上的H桥功率模块，并且A相、B相及C相线路采用星型连接方式；直流侧电容，每个H桥功率模块的直流侧均并联一个所述直流侧电容；蓄电池及超级电容，分别作为能量型储能元件及功率型储能元件；以及隔离型三端口有源桥式变换器，所述隔离型三端口有源桥式变换器的一侧连接至所述电容的一侧，另一侧与蓄电池及超级电容同时连接。2.如权利要求1所述的高压直挂式储能装置，其特征在于，隔离型三端口有源桥式变换器包括：原边全桥电路，一侧与所述直流侧电容连接；高频隔离变压器，原边与所述原边全桥电路的另一侧连接；第一副边全桥电路，一侧与所述高频隔离变压器的第一副边连接，另一侧与第一稳压电容和所述蓄电池连接；以及第二副边全桥电路，一侧与所述高频隔离变压器的第二副边连接，另一侧与第二稳压电容和所述超级电容连接。3.如权利要求2所述的高压直挂式储能装置，其特征在于，将所述原边全桥电路与所述直流侧电容等效为第一交流方波电压源，将所述第一副边全桥电路与所述第一稳压电容等效为第二交流方波电压源，将所述第二副边全桥电路与所述第二稳压电容等效为第三交流方波电压源，通过调整所述第一交流方波电压源与第二交流方波电压源和第三交流方波电压源之间的移相角来调节所述蓄电池的功率和所述超级电容的功率。4.一种根据如权利要求1至3中任一项所述的高压直挂式储能装置的功率控制方法，其特征在于，通过作为能量型储能元件的蓄电池及作为功率型储能元件的超级电容、和隔离型三端口有源桥式变换器来对高压直挂式储能装置的直流母线电压进行稳压控制，其中，对基于直流电压给定值与级联的第i个H桥功率模块的直流母线电压值得到的直流电压进行PI控制，得到功率参考值，通过低通滤波器进行功率分配，从而分别得到蓄电池的功率指令值及超级电容的功率指令值，得到所述第一交流方波电压源与第二交流方波电压源和第三交流方波电压源之间的移相角，通过所述移相角对所述隔离型三端口有源桥式变换器中的全桥电路进行移相PWM控制，从而对高压直挂式储能装置的直流母线电压进行稳压控制。5.如权利要求4所述的功率控制方法，其特征在于，通过式1计算得到所述第一交流方波电压源与第二交流方波电压源和第三交流方波电压源之间的移相角，其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿华，赵晟凯，张承慧，邢相洋，胡顺全，
申请(专利权)人：清华大学，山东大学，
类型：发明
国别省市：北京,11