整流和复合储能一体化直流发电系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种整流和复合储能一体化直流发电系统，包括：交流发电机组和复合储能型模块化多电平整流器，复合储能型模块化多电平整流器包括m相电路，每相电路包括上桥臂和下桥臂，上桥臂由n个储能子模块的输出端依次串联后与桥臂电抗器串联构成，下桥臂由桥臂电抗器与n个储能子模块的输出端依次串联构成；每相电路的上桥臂的上端分别与直流电网的正极相连，每相电路的下桥臂的下端分别与直流电网的负极相连，每相电路上桥臂的下端与下桥臂的上端相连形成该相的交流输出端，并且m相电路的交流输出端与交流发电机组的输出端相连，其中，m和n均为正整数。该系统控制灵活，集成度高，适用于直流微网、舰船中压直流综合电力系统等场合。

【技术实现步骤摘要】
整流和复合储能一体化直流发电系统
本技术涉及舰船中压直流综合电力系统
，特别涉及一种同时具有整流和复合储能功能的直流发电系统。
技术介绍
随着电力电子技术的快速发展，直流配电由于在功率密度、电能质量等方面的优势得到了越来越广泛的重视和应用，如区域配电网络、微网以及舰船综合电力系统等。为满足舰船中压直流综合电力系统中的直流发电需求，通常需要配备柴油发电机或汽轮发电机以及整流装置。常规的二极管整流系统输出电压低、电流谐波大，电压稳定性差，采用PWM(Pulsewidthmodulation，脉冲宽度调制)整流技术是未来的发展方向。一方面，为了平抑脉冲负载的功率波动、提高系统稳定性和供电可靠性，还需要配备一定容量的储能系统。尤其在舰船综合电力系统中，大量高能脉冲武器的使用对于电力系统的冲击很大，储能系统发挥着越来越关键的作用。然而，常规的大规模储能需要大量的电池单体串并联，不仅效率低、可靠性差，而且需要额外配置能量管理系统作SOC(Stateofcharge，荷电状态)均衡控制。另一方面，由单一类型的储能元件构成的储能系统，难以同时满足对于瞬时大功率波动和长时间持续供电的需求，需要开发一种复合储能系统，合理使用不同特性的储能元件满足电网不同的需求。为满足舰船中压直流综合电力系统的这些需求，通常需要配备PWM整流装置和各种储能装置，但大量中压直流变换器的总成本高，体积也较大，难以满足舰船中压直流综合电力系统等对体积功率密度有很高要求的场合。
技术实现思路
本技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本技术的目的在于提出一种整流和复合储能一体化直流发电系统，该系统同时兼具PWM整流和复合储能功能，能够平抑脉冲负载对于电网和发电机组的冲击，控制灵活，集成度高，适用于直流微网、舰船中压直流综合电力系统等场合。为达到上述目的，本技术提出了一种整流和复合储能一体化直流发电系统，包括：交流发电机组；复合储能型模块化多电平整流器，所述复合储能型模块化多电平整流器包括m相电路，每相电路包括上桥臂和下桥臂，其中，所述上桥臂由n个储能子模块的输出端依次串联后与桥臂电抗器串联构成，所述下桥臂由桥臂电抗器与n个储能子模块的输出端依次串联构成；所述每相电路的上桥臂的上端分别与直流电网的正极相连，所述每相电路的下桥臂的下端分别与所述直流电网的负极相连，所述每相电路上桥臂的下端与下桥臂的上端相连形成该相的交流输出端，并且m相电路的交流输出端与所述交流发电机组的输出端相连，其中，m和n均为正整数。本技术的整流和复合储能一体化直流发电系统，兼具PWM整流和混合储能功能，使得一套变换器可同时实现整流发电和储能两个功能，节省成本；由于超级电容充放电响应速度快，适合提供高频充放电功率，而电池持续供电时间长，适合提供低频充放电功率，因此同时使用电池和超级电容复合储能，不仅可以减小脉冲负载对发电机组的冲击，也有利于提高电池寿命；采用三绕组高频变压器不仅解决了电池接入高压电网的绝缘问题，而且充分利用超级电容和电池复合储能的充放电功率互补特性，减少了变压器的数量、体积和成本；采用分散式储能，每个储能元件都可以独立控制其充放电电流，通过控制算法可实现储能元件之间的SOC均衡，避免储能元件的大规模串并联。进一步地，所述储能子模块包括：第一超级电容、第一电池、第一三绕组高频变压器、第一和第二原边DC/AC变换器、副边AC/DC变换器以及MMC子模块，其中，所述第一和第二原边DC/AC变换器的直流输入端X1+、X1-和X2+、X2-分别与所述第一电池和所述第一超级电容并联，所述交流输出端分别与所述第一三绕组高频变压器的两个原边绕组并联，所述副边AC/DC变换器的交流输入端与所述第一三绕组高频变压器的副边绕组并联，直流输出端X3+、X3-与所述MMC子模块的直流输入端相联，所述MMC子模块的输出端X4+、X4-构成储能子模块的输出端。可选地，所述储能子模块中的原边DC/AC变换器两电平半桥结构或者两电平全桥结构。可选地，所述副边AC/DC变换器采用两电平半桥结构或者两电平全桥结构。可选地，所述储能子模块中的MMC子模块采用两电平半桥变换器，或两电平全桥变换器，或混合使用两电平半桥和全桥变换器。进一步地，所述储能子模块包括：第二超级电容、第二电池、第二三绕组高频变压器、第三和第四原边DC/AC变换器、副边三电平AC/DC变换器以及三电平MMC子模块，其中，副边AC/DC变换器的交流输入端与所述第二三绕组高频变压器的副边绕组并联，三个直流输出端X3+、X3、X3-分别与所述三电平MMC子模块的三个直流输入端相连，三电平MMC子模块的输出端X4+、X4-构成储能子模块的输出端。进一步地，所述储能子模块中的三电平MMC子模块结构由第一至第四开关器件构成，第一开关器件的集电极与所述副边三电平AC/DC变换器的直流输出端X3+相连，所述第一开关器件的发射极与第二开关器件的集电极相连后作为所述三电平MMC子模块的正输出端X4+，所述第二开关器件的发射极与第三开关器件的集电极相连后与所述副边三电平AC/DC变换器的直流输出端X3相连，所述第三开关器件的发射极与第四开关器件的集电极相连后作为所述三电平MMC子模块的负输出端X4-，所述第四开关器件的发射极与所述副边三电平AC/DC变换器的直流输出端X3-相连。可选地，所述储能子模块中的副边三电平AC/DC变换器飞跨电容型三电平半桥结构，或者二极管箝位型三电平半桥结构，或者有源箝位型三电平半桥结构。本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。附图说明本技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为根据本技术实施例的整流和复合储能一体化直流发电系统的结构示意图；图2为根据本技术实施例的一个储能子模块内部组成示意图；图3为根据本技术实施例的原边DC/AC变换器采用两电平半桥结构的储能子模块的结构示意图；图4为根据本技术实施例的原边DC/AC变换器采用两电平全桥结构的储能子模块的结构示意图；图5为根据本技术实施例的副边AC/DC变换器采用两电平半桥结构的储能子模块的结构示意图；图6为根据本技术实施例的副边AC/DC变换器采用两电平全桥结构的储能子模块的结构示意图；图7为根据本技术实施例的储能子模块中MMC子模块结构之一：半桥变换器的结构示意图；图8为根据本技术实施例的储能子模块中MMC子模块结构之一：全桥变换器的结构示意图；图9为根据本技术实施例的副边采用三电平AC/DC变换器和三电平MMC子模块的储能子模块内部组成示意图；图10为根据本技术实施例的三电平MMC子模块结构示意图；图11为根据本技术实施例的副边三电平AC/DC变换器结构之一：飞跨电容本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种整流和复合储能一体化直流发电系统，其特征在于，包括：/n交流发电机组；/n复合储能型模块化多电平整流器，所述复合储能型模块化多电平整流器包括m相电路，每相电路包括上桥臂和下桥臂，其中，所述上桥臂由n个储能子模块的输出端依次串联后与桥臂电抗器串联构成，所述下桥臂由桥臂电抗器与n个储能子模块的输出端依次串联构成；所述每相电路的上桥臂的上端分别与直流电网的正极相连，所述每相电路的下桥臂的下端分别与所述直流电网的负极相连，所述每相电路上桥臂的下端与下桥臂的上端相连形成该相的交流输出端，并且m相电路的交流输出端与所述交流发电机组的输出端相连，其中，m和n均为正整数。/n

【技术特征摘要】
1.一种整流和复合储能一体化直流发电系统，其特征在于，包括：
交流发电机组；
复合储能型模块化多电平整流器，所述复合储能型模块化多电平整流器包括m相电路，每相电路包括上桥臂和下桥臂，其中，所述上桥臂由n个储能子模块的输出端依次串联后与桥臂电抗器串联构成，所述下桥臂由桥臂电抗器与n个储能子模块的输出端依次串联构成；所述每相电路的上桥臂的上端分别与直流电网的正极相连，所述每相电路的下桥臂的下端分别与所述直流电网的负极相连，所述每相电路上桥臂的下端与下桥臂的上端相连形成该相的交流输出端，并且m相电路的交流输出端与所述交流发电机组的输出端相连，其中，m和n均为正整数。


2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述储能子模块包括：
第一超级电容、第一电池、第一三绕组高频变压器、第一和第二原边DC/AC变换器、副边AC/DC变换器以及MMC子模块，其中，所述第一和第二原边DC/AC变换器的直流输入端X1+、X1-和X2+、X2-分别与所述第一电池和所述第一超级电容并联，所述交流输出端分别与所述第一三绕组高频变压器的两个原边绕组并联，所述副边AC/DC变换器的交流输入端与所述第一三绕组高频变压器的副边绕组并联，直流输出端X3+、X3-与所述MMC子模块的直流输入端相联，所述MMC子模块的输出端X4+、X4-构成储能子模块的输出端。


3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述储能子模块中的原边DC/AC变换器两电平半桥结构或者两电平全桥结构。


4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述副边AC/DC变换器采用两电平半桥结构或...

【专利技术属性】
技术研发人员：王奎，李姗，陈琳，郑泽东，杨平西，李永东，
申请(专利权)人：清华大学，中国船舶重工集团公司第七〇四研究所，
类型：新型
国别省市：北京;11