一种高压直流级联储能系统及其控制保护方法技术方案

本发明专利技术公开了一种高压直流级联储能系统及其控制保护方法。所述储能系统包括功率阀体、高压直流接入电路和控制器，其中，功率阀体由n个基于全桥拓扑的DCDC功率模块组成，DCDC功率模块一侧直流端口串联接入高压直流，一侧直流端口各自接入电池簇，实现低压电池到高压直流的变换；高压直流接入电路包括直流电压、电流采样、限流电感、隔离接触器、预充电回路组成，实现高压直流母线的接入和功率阀体的软启动；控制器通过光纤与各功率模块进行通信，采集功率模块电气信息并下发调制指令，实现储能系统的控制和保护。所述控制方法包括非线性滤波直流电压控制及直接直流电流控制，并具备高压直流短路时的故障阻断能力。压直流短路时的故障阻断能力。压直流短路时的故障阻断能力。

【技术实现步骤摘要】
一种高压直流级联储能系统及其控制保护方法


[0001]本专利技术属于电力电子技术和储能
，具体涉及一种高压直流级联储能系统及其控制保护方法。

技术介绍

[0002]当前高压储能系统以基于SVG(Static Var Generator链式静止无功补偿器)拓扑的交流型高压级联储能技术为主，相对传统的低压储能系统其主要优势在于电池分簇接入不并联、单机容量大、直接并网效率高，成为当前高压储能系统的主要技术路线。如现有技术1(CN108011379 A)公开了一种基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器，包括由若干个模块单元级联组成的多种单相和三相主功率电路，以及若干条与主功率电路相并联的由电感和电容串联构成的支路。但该方案存在一些缺点，如功率模块接电池直流侧存在较大的二倍频波动，需要加入较大的LC滤波器或DCDC变换电路，增加了系统体积和成本。
[0003]基于DCDC功率模块串联的直流型高压级联储能系统，以其系统拓扑简单、滤波环节占比小、容量易于扩展等交流型高压级联储能不具备的特点，正在得到研究和应用，如现有技术2(CN105897018A)公开了一种高压大容量储能变流器的拓扑结构，其包括采用各相电路并联连接的模块化级联结构，每一相由对称设置的上桥臂和下桥臂组成，所述上桥臂由子模块串、电感和电阻串联而成，所述下桥臂由电阻、电感和子模块串串联而成；其控制方法包括控制DC/DC变流器对超级电容进行充放电，平滑交流侧输入输出电流，以稳定直流侧母线电压。然而，目前研究的高压直流级联储能系统多以半桥型DCDC模块为主，其对于高压直流侧过流、短路故障不具备快速阻断能力，当高压侧发生故障时易累及电池侧发生严重故障，安全风险较高。
[0004]现有技术3(CN114465316A)公开了一种级联型高压直挂DC
‑
DC电池储能系统及其参数设计方法。所述级联型高压直挂DC
‑
DC电池储能系统，包括直流母线和直流链路,且直流母线和直流链路通过直流电抗器连接,所述直流链路包括两个以上级联的Η桥子模块，任意一个Η桥子模块包括全桥单元、电池单元和低通滤波器，所述全桥单元包括IGBT模块和反并联二极管。本方案相对于D1的改进之处在于可以通过采集功率模块的电气信息下发调制指令，采用非线性滤波直流电压及直接直流电流控制方法实现对电流、电压的控制，产生的有益技术效果在于可以实现储能系统的控制和保护，具备高压直流短路时的故障阻断能力。
[0005]因此，直流型高压级联储能系统对安全、高效、可靠的电路拓扑和控制保护技术具有迫切需求。

技术实现思路

[0006]基于上述问题，本专利技术提出一种高压直流级联储能系统及其控制保护方法，以解决当前直流型高压级联储能系统存在安全性不高、控制保护不全面的问题。
[0007]第一方面，本专利技术提出了一种高压直流级联储能系统，包括功率阀体、高压直流接入电路、主控制器，其特征在于，
[0008]功率阀体包括多个基于全桥拓扑的DCDC功率模块，DCDC功率模块一侧直流端口串联接入高压直流，一侧直流端口各自接入电池簇，用于低压电池到高压直流的变换。
[0009]优选地，DCDC功率模块数量的计算方式为：
[0010][0011]其中，U
dc_bus
为高压侧正负极间直压，U
c
为模块串联侧电压，k为直流母线电压波动裕度，N
dcmin
为电池簇输出电压范围的最小值。
[0012]优选地，DCDC功率模块包括：模块旁路开关(Km1)、全桥电路、支撑电容(Cm1)、滤波电感(Lm1)，全桥电路包括4个开关器件(Q1～Q4)及其反并联二极管(D1～D4)，所述开关器件以高频开关动作与支撑电容(Cm1)、滤波电感(Lm1)组成DCDC变换电路，用于电池侧直流到串联侧直流的电压变换。
[0013]优选地，第四开关器件(Q4)持续导通，由电池侧向串联侧形成降压电路，由串联侧向电池侧形成升压电路；当直流侧发生短路故障，各开关器件闭锁，电池侧电流被开关器件阻断，可以迅速切除故障电流，避免故障反馈扩大。
[0014]优选地，DCDC功率模块包括：电池侧接触器(Km2)、电池侧预充电接触器(Km3)、预充电电阻(Rm1)和直流熔断器(Fu1)；
[0015]电池侧接触器用于接通和切断功率模块与电池簇的连接；
[0016]电池侧预充电接触器和预充电电阻组合用于系统从电池侧启动时，对模块内支撑电容进行充电软起；
[0017]直流熔断器用于当电池侧直流短路时故障电流的切除。
[0018]优选地，高压直流接入电路包括：正负极限流电感(L1、L2)、正、负极直流电压采样(T1、T2)、正、负极电流采样(LA1、LA2)、正、负极高压真空接触器(QC1、QC2)、正、负极预充电接触器(QC3、QC4)、正、负极预充电电阻(CR1、CR2)，用于高压直流母线的接入和功率阀体从高压直流侧启动时的充电软起；
[0019]其中，限流电感用于电流滤波；
[0020]直流电压、电流采样用于采集高压直流侧的电压、信号，用于高压侧的功率控制和故障保护；
[0021]高压接触器用于接通和切断阀体与高压直流侧的连接；
[0022]预充电回路由预充电高压真空接触器和预充电电阻组成，用于系统侧高压直流侧启动时对阀体功率模块内电容的充电；
[0023]主控制器通过光纤与各功率模块进行通信，采集功率模块电气信息并下发调制指令，用于储能系统的控制和保护。
[0024]优选地，所述阀体采用模块化多电平结构，由六个桥臂及电抗器组成，所述桥臂由N个功率模块串联组成，所述功率模块包含全桥模块、半桥模块两种类型，所述桥臂N个模块中至少有N/2个全桥模块。
[0025]第二方面，本专利技术还提出了一种高压直流级联储能系统控制保护方法，包括非线性补偿直流电压控制及直接直流电流控制，其特征在于：
[0026]所述非线性补偿直流电压控制包括指令前馈电压及非线性滤波电压反馈环节，电压前馈环节用于提高电压环响应快速性，非线性电压反馈环节用于补偿电压偏差，同时保证系统的稳定性；
[0027]所述直接电流控制包括电流外环及电流内环，电流外环通过输出电流反馈环节保证输出电流的准确性，电流内环采用直流无差拍电流环提高设备的电流动态响应速度。
[0028]优选地，所述非线性补偿直流电压控制包括：
[0029]步骤A：通过直流电压采样获得直流电压值U
dc
，接受外部指令为U
dcset
；
[0030]步骤B：对U
dc
进行滤波，滤除高频分量得到U
dcavr
；
[0031]步骤C：计算直流电压偏差量U
dcsub
，有：
[0032]U
dces
＝U
dcset
‑
U
dcavr
[0033本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高压直流级联储能系统，包括功率阀体、高压直流接入电路、主控制器，其特征在于，功率阀体包括多个基于全桥拓扑的DCDC功率模块，DCDC功率模块一侧直流端口串联接入高压直流，一侧直流端口各自接入电池簇，用于低压电池到高压直流的变换。2.根据权利要求1所述的一种高压直流级联储能系统，其特征在于，DCDC功率模块数量的计算方式为：其中，U
dc_bus
为高压侧正负极间直压，U
c
为模块串联侧电压，k为直流母线电压波动裕度，U
dcmin
为电池簇输出电压范围的最小值。3.根据权利要求1所述的一种高压直流级联储能系统，其特征在于，DCDC功率模块包括：模块旁路开关(Km1)、全桥电路、支撑电容(Cm1)、滤波电感(Lm1)，全桥电路包括4个开关器件(Q1～Q4)及其反并联二极管(D1～D4)，所述开关器件以高频开关动作与支撑电容(Cm1)、滤波电感(Lm1)组成DCDC变换电路，用于电池侧直流到串联侧直流的电压变换。4.根据权利要求3所述的一种高压直流级联储能系统，其特征在于，第四开关器件(Q4)持续导通，由电池侧向串联侧形成降压电路，由串联侧向电池侧形成升压电路；当直流侧发生短路故障，各开关器件闭锁，电池侧电流被开关器件阻断，可以迅速切除故障电流，避免故障反馈扩大。5.根据权利要求1所述的一种高压直流级联储能系统，其特征在于，DCDC功率模块包括：电池侧接触器(Km2)、电池侧预充电接触器(Km3)、预充电电阻(Rm1)和直流熔断器(Fu1)；电池侧接触器用于接通和切断功率模块与电池簇的连接；电池侧预充电接触器和预充电电阻组合用于系统从电池侧启动时，对模块内支撑电容进行充电软起；直流熔断器用于当电池侧直流短路时故障电流的切除。6.根据权利要求1所述的一种高压直流级联储能系统，其特征在于，高压直流接入电路包括：正负极限流电感(L1、L2)、正、负极直流电压采样(T1、T2)、正、负极电流采样(LA1、LA2)、正、负极高压真空接触器(QC1、QC2)、正、负极预充电接触器(QC3、QC4)、正、负极预充电电阻(CR1、CR2)，用于高压直流母线的接入和功率阀体从高压直流侧启动时的充电软起；其中，限流电感用于电流滤波；直流电压、电流采样用于采集高压直流侧的电压、信号，用于高压侧的功率控制和故障保护；高压接触器用于接通和切断阀体与高压直流侧的连接；预充电回路由预充电高压真空接触器和预充电电阻组成，用于系统侧高压直流侧启动时对阀体功率模块内电容的充电；主控制器通过光纤与各功率模块进行通信，采集功率模块电气信息并下发调制指令，用于储能系统的控制和保护。
7.根据权利要求1所述的一种高压直流级联储能系统，其特征在于，所述阀体采用模块化多电平结构，由六个桥臂及电抗器组成，所述桥臂由N个功率模块串联组成，所述功率模块包含全桥模块、半桥模块两种类型，所述桥臂N个模块中至少有N/2个全桥模块。8.基于权利要求1
‑
7所述高压...

【专利技术属性】
技术研发人员：李思，王继慷，陆红斌，王娟，任雷浩，于华龙，梅红明，刘树，刘静佳，任兴旺，何岩，
申请(专利权)人：北京四方继保工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：