CN103199630A - 一种大容量中压电池储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大容量中压电池储能系统，其中：储能电池单元的输出端与预充电电路的输入端相连传输直流电压，预充电电路的输出端与单相H桥变换器的直流端相连以传输直流电压，单相H桥变换器输出端串联连接电抗，如此构成储能单元，多个储能单元交流侧串联后再与连接电感串联组成一个支路，三个支路首尾相连形成三角形连接，三角形的三个端点再与中压电网三相连接。本发明并网电感由各个储能单元的电感串联组成，单个电感故障对系统影响小，可靠性高。在同等功率下，高电压、小电流、电流谐波小，对电池单体容量要求低；通过旁路可实现冗余，可靠性高；具有对电池的均衡功能。较一次侧星形连接的中压储能系统控制简单，可靠性更高。

Description

一种大容量中压电池储能系统

技术领域

本发明涉及的是一种大容量的中压储能系统，具体是一种采用模块化的交流级联结构储能系统，用于大容量电池储能的场合。属于电储能领域。

背景技术

采用电池储能系统平滑风电和光伏发电功率是是解决新能源并网难和风电“弃风”问题的有效途径。大容量电储能在电网中的应用改变了电能只能传输不能存储的历史，给电网生产和运行带来革命性的影响，极大地促进我国智能电网的发展。

电池储能系统采用DC/AC双向功率变换器，实现电池和电网之间的功率双向流动，功率变换器是储能系统能量控制的核心。大多数储能应用中，功率变换器采用低压方案，交流侧电压一般≤AC690V，单机功率容量一般在数百kW，更大的容量则需通过多台功率变换器在交流侧并联实现。ABB公司的个别型号功率变换器采用IGCT功率器件，直流侧电压可达3-5kV，交流侧电压可达2kV。

低压方案的功率变换器单台容量受限，在大容量场合应用时需通过多台并联的方式扩容并采用升压变压器升压。目前电池储能中应用的功率变换器主要有DC/AC单级结构和DC/DC+DC/AC双级式结构两种结构形式。考虑单级式功率变换器效率<98％，双级式功率变换器效率<96％，变压器损耗2％，储能系统总效率分别为<96％和<94％，系统效率低。

ABB的储能系统的功率变换器直流侧电压过高，需要极其大量电池串联使用，电池的短板效应显著，现有的电池均衡技术无法保证其长期稳定运行。

在公开的中国发明专利《一种模块化中压储能系统》(公开号：CN102355065)中，其一次侧采用星形连接，通过对三个相电压的控制实现充放电与均衡等功能。其不足之处在于，储能系统进行相间均衡和故障冗余控制时需对三相电压的幅值和相位进行适当控制，但三个相电压的控制上相互耦合，控制难度较高，不利于其稳定运行。

在类似链式结构的装置中，一次侧并网均采用集中式的连接电抗，由于结构布置的原因，考虑到可能存在的电抗下端直接对地/相间短路，连接电抗需要按照承受直接短路的电动力设计，成本高、体积大、抗饱和要求高。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提出一种大容量的中压储能系统，三相采用模块化储能单元级联的结构，储能单元内部自带连接电抗器，储能单元级联后采用三角形连接，三角形的三个顶点连接中压电网三线。三个支路电流控制相互解耦，控制简单，可靠性高，可实现对电池的均衡功能。

为实现上述的目的，本发明提供一种大容量中压电池储能系统，包括储能电池单元、预充电电路、单相H桥双向变流器及连接电抗，其中：储能电池单元的输出端与预充电电路的输入端相连传输直流电压，预充电电路的输出端与单相H桥变换器的直流端相连以传输直流电压，单相H桥变换器的输出端与连接电抗串联，如此构成储能单元，多个储能单元交流侧串联后组成一个支路，三个支路首尾相连形成三角形连接，三角形的三个端点再与中压电网三相连接，所述系统采取三相三角形的H桥级联结构，每一线支路由多个储能单元串联构成，储能单元采用单相H桥变换器实现电能的AC/DC双向变换。

所述的储能电池单元是由可充电电池的串并联组成。

所述的预充电电路包括：1个电阻和1个接触器，其中：电阻和接触器并联。

所述的单相H桥变换器包括4个电力电子开关器件和直流电容，4个开关器件连接为单相H桥结构，直流电容并联在直流侧，单相H桥变换器的输出与连接电感串联。

所述的连接电抗既可以是空心电抗器，也可以是带铁芯的电抗器。

本发明中可以利用控制各个储能单元输出电压幅值的相互比例来实现同一线电压支路上的不同储能单元的能量均衡。

本发明中可以利用控制三个线电压支路的电流比例来实现不同线支路上的储能单元的总能量均衡。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：同等功率下，高电压、小电流、电流谐波小，对电池单体容量要求低；通过旁路可实现冗余；具有对电池的均衡功能。MW级大容量时成本较低压储能方案低。较一次侧星形连接的中压储能系统控制简单，可靠性更高。储能单元内部自带连接电抗器，单个连接电抗器只需按照H桥变流器的电压等级进行设计，耐压要求低。由于无需另外串联集中式连接电抗器，整体更加适合模块化布置，可维护性更好，同时减小了占地面积和成本。同等功率下，较三相星形连接方式电流小，对电池单体容量要求更低。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的储能单元示意图。

图2为本发明一实施例的大容量中压储能系统的整体的结构图。

图3为本发明一实施例的电路原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-2所示，本发明所提供的大容量中压电池储能系统包括：3N个储能电池单元、3N个预充电电路、3N个单相H桥变换器、3N个连接电抗。其中：3N个储能电池的输出端分别与3N个预充电电路的输入端相连传输直流电压，3N个预充电电路的输出端分别与3N个单相H桥变换器的直流端相连以传输直流电压，3N个H桥变换器输出端串联3N个连接电抗，如此构成3N个结构相同的储能单元AB1、AB2……ABN，BC1、BC2……BCN，CA1、CA2……CAN。线电压UAB支路由N个储能单元AB1、AB2……ABN交流侧串联组成；线电压UBC支路由N个储能单元BC1、BC2……BCN交流侧串联组成；线电压UCA支路由N个储能单元CA1、CA2……CAN交流侧串联组成；三个支路首尾相连，构成三角形连接，三角形的三个端点再与中压电网三相连接。

实施例

本实施例为2MW*2h电池储能系统，额定电压10kV。

如图3所示，本实施例的储能单元包括：1个蓄电池组、1个电阻、1个接触器、1组电容、4个IGBT和1个连接电抗组成。A、B、C三相各20个储能单元，按照图2的方式连接构成整个中压储能系统。

本实施例中，所述的1个蓄电池单元额定电压960V，标称容量200Ah。

本实施例中，所述的预充电电路由1个电阻R1、1个接触器K1组成。其中：电阻R1和接触器K1并联。电阻R1、接触器K1的一端连接至蓄电池组的正极，为预充电电路的输入端；电阻R1和接触器K1的另一端为预充电电路的输出端。R1的阻值是200欧姆，K1的额定电压1200VDC，额定电流100A。

本实施例中，所述的单相H桥变换器由1组电容器C1、IGBT器件V1、V2、V3、V4和连接电抗L组成。其中：V1和V2串联构成一个支路，V3和V4串联构成一个支路，上述两个支路和电容器组C1再并联，H桥变换器的输出与连接电感L串联。电容器组C1额定电压1400VDC，容量4000uF。IGBT器件V1、V2、V3、V4额定电压1700V，额定电流200A。H桥变换器的连接电抗L电感量1mH，额定电压800V，额定电流200A。如此使得单个线支路的总电感量为20mH。

本实施例的工作过程如下：

1、保持每个储能单元的单相H桥变换器的开关器件V1、V2、V3、V4处于关断状态。

2、将由20个标称电压48V/200Ah磷酸铁锂电池模块串联组成额定电压960V，标称容量200Ah的蓄电池单元。每个储能单元左侧蓄电池单元输入直流电，由于蓄电池单元压随着其电量的变化而变化，其电压波动范围800－1200VDC。

3、首先经过电阻R1给电容器组C1充电，给电容器组C1的初始充电电流15－20A，经过3s后电容器组C1上电压上升到接近直流输入电压。闭合K1将电阻R1旁路，电容器组C1电压与蓄电池组电压完全相等。

4、从电网给储能系统充电时，控制UAB、UBC、UCA三个支路的储能单元H桥变换器，使得流入储能系统电流Iab、Ibc、Ica与Uab、Ubc、Uca的相位差为90度，同时其三个支路输出电压Uvab、Uvbc、Uvca的相位略超前于电网线电压Usab、Usbc和Usca一定电角度即可。调节两者之间的相位角差即可调节充电功率的大小。

5、从储能系统向电网放电时，控制UAB、UBC、UCA三个支路的储能单元H桥变换器，使得流入储能系统电流Iab、Ibc、Ica与Uab、Ubc、Uca的相位差为90度，同时其三个支路输出电压Uvab、Uvbc、Uvca的相位略滞后于电网电压Usab、Usbc和Usca一定电角度即可。调节两者之间的相位角差即可调节放电功率的大小。

6、储能系统放电时，当UAB支路的20个储能单元存储的能量不均等时，按照各个储能单元存储的能量的比例控制各个储能单元的单相H桥变换器的输出电压幅值，可使得UAB支路上的每个储能单元的输出有功功率与其存储的能量成正比。从而达到UAB支路上的各个储能单元间能量均衡、防止过放电的目的。

7、同理操作，可使储能系统放电时，UBC支路、UCA支路的储能单元间能量达到均衡，防止过放电。

8、储能系统充电时，当UAB支路的20个储能单元存储的能量不均等时，按照各个储能单元可充电的能量的比例控制各个储能单元的单相H桥变换器的输出电压幅值，可使得UAB支路上的每个储能单元的输如有功功率与其可充电的能量成正比。从而达到UAB支路上的各个储能单元间能量均衡、防止过充电的目的。

9、同理操作，可使储能系统放电时，UBC支路、UCA支路的储能单元间能量达到均衡，防止过充电。

10、储能系统放电时，如储能系统UAB支路20个储能单元存储的总能量、UBC支路20个储能单元存储的总能量和UCA支路20个储能单元存储的总能量三者不相等，控制UAB、UBC、UCA三个支路的储能单元H桥变换器，使支路输出总电压Uvab、Uvbc、Uvca之比等于三个支路上储能单元存储的总能量之比。从而可以实现UAB、UBC、UCA三个支路之间的放电能量均衡。

11、储能系统充电时，如储能系统UAB支路20个储能单元存储的总能量、UBC支路20个储能单元存储的总能量和UCA支路20个储能单元存储的总能量三者不相等，控制UAB、UBC、UCA三个支路的储能单元H桥变换器，使支路输出总电压Uvab、Uvbc、Uvca之比等于三个支路上储能单元可充电的总能量之比。从而可以实现UAB、UBC、UCA三个支路之间的充电能量均衡。

本实施例的优点在于10kV直挂电网，无变压器，单机容量大、效率高；MW级同等容量下成本较低压方案低；同等容量下，本实施例较低压方案电压高、电流小、电流谐波小，对电池单体容量要求低；可实现对电池的均衡功能。当某一个储能单元故障时可通过对其H桥变换器的开关器件的控制旁路故障储能单元，实现储能系统的故障冗余运行。

相比一次侧星形连接中压储能系统，同等容量下其储能单元较多，因此所需储能单元功率和电流更小，对电池容量要求更低。当某一个储能单元故障时，其影响仅仅限于故障的储能单元所在支路，对其他支路完全没有影响，不存在一次侧星形结构中存在的对其他两相的影响问题。在实现三个支路的均衡时，其电压控制也是完全解耦的，不存在一次侧星形结构中需要协调三相电压之间的幅值和相位的问题。因此，控制上更加简单，可靠性更高。

由于每个储能单元内部均自带连接电抗器，每个支路上的储能单元内部的连接电抗共同起到平波作用，单个电抗器电感量要求小，耐压要求低。由于无需外部串联集中式连接电抗器，整体结构更加模块化，方便维护和更换，同时减小了占地面积和成本。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种大容量中压电池储能系统，其特征在于包括储能电池单元、预充电电路、单相H桥变换器以及连接电感，其中：储能电池单元的输出端与预充电电路的输入端相连传输直流电压，预充电电路的输出端与单相H桥变换器的直流端相连以传输直流电压，单相H桥变换器的输出端与连接电抗串联，如此构成储能单元，多个储能单元交流侧串联后组成一个支路，三个支路首尾相连形成三角形连接，三角形的三个端点再与中压电网三相连接，所述系统采取三相三角形的H桥级联结构，每一线支路由多个储能单元串联构成，储能单元采用单相H桥变换器实现电能的AC/DC双向变换。

2.根据权利要求1所述的大容量中压电池储能系统，其特征在于：通过控制各个所述储能单元输出电压幅值的相互比例来实现同一线电压支路上不同储能单元的能量均衡。

3.根据权利要求1所述的大容量中压电池储能系统，其特征在于：通过控制三个线电压支路的电流幅值比例来实现不同线电压支路上的储能单元的总能量均衡。

4.根据权利要求1-3任一项所述的模块化中压储能系统，其特征在于：所述的储能电池单元是由可充电电池的串并联组成。

5.根据权利要求1-3任一项所述的大容量中压电池储能系统，其特征在于：所述的单相H桥变换器包括4个电力电子开关器件和直流电容，4个开关器件连接为单相H桥结构，直流电容并联在直流侧，单相H桥变换器的输出与连接电感串联。

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