本发明公开了一种链式可变直流模拟源与高压储能变换器一体机及控制系统,一体机包括多绕组移相变压器和3N个功率单元,N为正整数,每N个功率单元串联构成一相,三相星型连接,引出的三个高压输出端经并网电抗器接入电网;3N个功率单元包括m个储能单元和n个模拟单元,m+n=3N且m、n均为自然数,每个储能单元包括第一H桥功率模块和储能电池;每个模拟单元包括第二H桥功率模块和电池模拟装置。控制系统包括采样处理单元、中央数据处理器、PWM信号生成电路、光纤通讯驱动电路、人机界面和3N个单元控制器。本发明能够批量化地检测储能电池的工作特性,极大降低了企业的投资,提供了一种验证高压储能变换器控制策略尤其相内、相间均衡特性的实验平台。
1.一种链式可变直流模拟源与高压储能变换器一体机,外接电网和并网电抗器,其特征在于,所述一体机包括多绕组移相变压器和3N个功率单元,N为正整数,其中:所述多绕组移相变压器的原边接入所述电网;每N个功率单元串联构成一相,三相星型连接,引出的三个高压输出端经所述并网电抗器接入所述电网;所述3N个功率单元包括m个储能单元和n个模拟单元,m+n=3N且m、n均为自然数,其中:每个储能单元包括并联的第一H桥功率模块和储能电池,该储能单元通过其内的第一H桥功率模块的两个输出端与同相相邻的储能单元或者模拟单元串联;每个模拟单元包括并联的第二H桥功率模块和电池模拟装置,该模拟单元通过其内的第二H桥功率模块的两个输出端与同相相邻的储能单元或者模拟单元串联;所述电池模拟装置包括电抗器、PWM整流器、直流电容和端子,其中:所述电抗器的一端连接所述多绕组移相变压器的一组次级绕组,另一端连接所述PWM整流器的输入端;所述PWM整流器、直流电容和端子均与所述第二H桥功率模块并联。
2.根据权利要求1所述的链式可变直流模拟源与高压储能变换器一体机,其特征在于,所述第一H桥功率模块和第二H桥功率模块结构相同,包括四个带反并联二极管的开关器件,每两个开关器件串联形成的支路相互并联;相串联的两个开关器件的串联端作为一个输出端。
3.根据权利要求2所述的链式可变直流模拟源与高压储能变换器一体机,其特征在于,所述每个储能单元还包括电阻、开关和电容,其中:所述储能电池的一端通过所述电阻连接所述第一H桥功率模块的一输入端,储能电池的另一端连接所述第一H桥功率模块的另一输入端;所述开关与所述电阻并联;所述电容与所述第一H桥功率模块并联。
4.根据权利要求1或3所述的链式可变直流模拟源与高压储能变换器一体机,其特征在于,所述储能电池为锂电池、液流电池、钠硫电池、铅酸电池或者超级电容器。
5.一种基于权利要求1至3任一项所述的链式可变直流模拟源与高压储能变换器一体机的控制系统,其特征在于,包括采样处理单元、中央数据处理器、PWM信号生成电路、光纤通讯驱动电路、人机界面以及与各功率单元一一对应的3N个单元控制器,其中:所述采样处理单元采样电网电压和输入电流信息,并进行离散化数字化的处理后,输出给所述中央数据处理器;所述中央数据处理器对接收的数据信息分析计算,控制所述PWM信号生成电路生成各功率单元所需的PWM脉冲控制信号,并传给所述光纤通讯驱动电路;所述光纤通讯驱动电路将接收的各PWM脉冲控制信号编码处理后经光纤发送到所述各个单元控制器;每个单元控制器,根据接收的PWM脉冲控制信号对相应功率单元进行控制,同时,将对应功率单元的工作状态信息反馈回所述中央数据处理器;所述人机界面连接所述中央数据处理器,用于人机交互。技术领域
本发明涉及电力系统储能技术领域,具体涉及一种链式可变直流模拟源与高压储能变换器一体机及控制系统,用于对储能电池的模拟和对高压储能系统控制策略的验证。
背景技术
随着传统能源的枯竭和环境的日益恶化,可再生能源得到广泛地应用。光伏、风电等可再生能源受到其自身固有的波动性和间歇性特点的制约,在大规模并网后,会带来输出功率波动的问题,严重威胁了电网的稳定运行。电池储能技术可以有效平滑新能源发电系统的功率输出,提高电力系统的安全性、可靠性,但电池储能系统的大规模应用至少面临着以下两大难题:一是储能电池价格高昂,大规模电池组集成技术难度大,项目开发建设成本高。高压储能变换器在研发过程中按照功率要求匹配一套相应的储能电池,会极大地增加企业的研发成本和初期设计风险,一旦出错将造成社会资源的重大浪费。另外,储能电池在使用前需要对电池电压、容量、内阻、充放电电压电流特性等数十项参数进行测试,目前普遍采用的直流电源充电,电阻式放电方法会让大量电能转化为热能而白白消耗,随着储能电池的大规模应用,这种能源浪费问题更加凸显。亟需开发一种既节能又高效的批量化电池检测装置,并且能够在储能项目的开发初期,用替代装置模拟电池特性进行变换器的结构和算法的创新。二是缺乏针对大型高压储能系统控制策略的验证手段。大规模储能系统应用,为了提高整机效率,必然向高压化发展,如何有效控制储能电池的组内、组间能量流动,验证高压储能变换器的相内、相间均衡问题,成为变换器设计与控制策略研究的重中之中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种链式可变直流模拟源与高压储能变换器一体机,能够批量化地检测储能电池的工作特性,降低了功耗,通过电池模拟装置与实际储能电池的配合,降低了实验投资和占地面积,是一种较为理想的验证高压储能变换器控制策略尤其相内、相间均衡特性的实验平台。同时,提供了该一体机的控制系统,以便对一体机进行有效控制,进一步提高其效率及价值。实现上述目的的技术方案是:本发明之一的一种链式可变直流模拟源与高压储能变换器一体机,外接电网和并网电抗器,所述一体机包括多绕组移相变压器和3N个功率单元,N为正整数,其中:所述多绕组移相变压器的原边接入所述电网;每N个功率单元串联构成一相,三相星型连接,引出的三个高压输出端经所述并网电抗器接入所述电网;所述3N个功率单元包括m个储能单元和n个模拟单元,m+n=3N且m、n均为自然数,其中:每个储能单元包括并联的第一H桥功率模块和储能电池,该储能单元通过其内的第一H桥功率模块的两个输出端与同相相邻的储能单元或者模拟单元串联;每个模拟单元包括并联的第二H桥功率模块和电池模拟装置,该模拟单元通过其内的第二H桥功率模块的两个输出端与同相相邻的储能单元或者模拟单元串联;所述电池模拟装置包括电抗器、PWM(脉冲宽度调制)整流器、直流电容和端子,其中:所述电抗器的一端连接所述多绕组移相变压器的一组次级绕组,另一端连接所述PWM整流器的输入端;所述PWM整流器、直流电容和端子均与所述第二H桥功率模块并联。上述的链式可变直流模拟源与高压储能变换器一体机,其中,所述第一H桥功率模块和第二H桥功率模块结构相同,包括四个带反并联二极管的开关器件,每两个开关器件串联形成的支路相互并联;相串联的两个开关器件的串联端作为一个输出端。上述的链式可变直流模拟源与高压储能变换器一体机,其中,所述每个储能单元还包括电阻、开关和电容,其中:所述储能电池的一端通过所述电阻连接所述第一H桥功率模块的一输入端,储能电池的另一端连接所述第一H桥功率模块的另一输入端;所述开关与所述电阻并联;所述电容与所述第一H桥功率模块并联。上述的链式可变直流模拟源与高压储能变换器一体机,其中,所述储能电池为锂电池、液流电池、钠硫电池、铅酸电池或者超级电容器。本发明之二的基于本发明之一的链式可变直流模拟源与高压储能变换器一体机的控制系统,包括采样处理单元、中央数据处理器、PWM信号生成电路、光纤通讯驱动电路、人机界面以及与各功率单元一一对应的3N个单元控制器,其中:所述采样处理单元采样电网电压和输入电流信息,并进行离散化数字化的处理后,输出给所述中央数据处理器;所述中央数据处理器对接收的数据信息分析计算,控制所述PWM信号生成电路生成各功率单元所需的PWM脉冲控制信号,并传给所述光纤通讯驱动电路;所述光纤通讯驱动电路将接收的各PWM脉冲控制信号编码处理后经光纤发送到所述各个单元控制器;每个单元控制器,根据接收的PWM脉冲控制信号对相应功率单元进行控制,同时,将对应功率单元的工作状态信息反馈回所述中央数据处理器;所述人机界面连接所述中央数据处理器,用于人机交互。本发明的有益效果是:本发明通过模拟单元的电池模拟装置模拟电池充电、放电与储能特性,测试并采集在相同工作状态下的储能单元电池组的工作信息,通过增加储能单元的数量就能够批量化的进行检测,降低了功耗,并且通过串联输出侧将能量回馈电网,较为节能环保。同时,由于储能电池成本和占地面积均远高于模拟装置,通过电池模拟装置来模拟多种储能电池的外部特性,能够大大减少电池投资,降低初期设计风险,便于验证高压储能变换器在工作时的相内、相间均衡特性。同时,本发明提供的控制系统能够对一体机有效控制,从而进一步提高了一体机的效率和价值。
附图说明
图1是本发明的链式可变直流模拟源与高压储能变换器一体机的结构示意图;图2是本发明中储能单元的电路结构示意图;图3是本发明中模拟单元的电路结构示意图;图4是本发明的一体机及控制系统应用于高压电网的结构示意图;图5是本发明的一体机在6kV高压电网下的串联原理示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。请参阅图1、图2和图3,本发明之一的链式可变直流模拟源与高压储能变换器一体机,包括多绕组移相变压器11和3N个功率单元,N为正整数,其中:多绕组移相变压器11的原边12作为一体机的高压输入端接入电网7;每N个功率单元(A1-AN,B1-BN或者C1-CN)串联构成一相,三相星型连接,引出的三个高压输出端A、B、C作为一体机的输出端,经并网电抗器6接入电网7;3N个功率单元包括m个储能单元15和n个模拟单元14,m+n=3N且m、n均为自然数,具体单元数目根据一体机的测试目的进行优化配置,例如,用于批量测试储能电池工作特性的工况,则增加储能单元15的数量;用以验证高压储能变换器控制策略时,则增加模拟单元14的数量;其中:每个储能单元15包括并联的第一H桥功率模块21和储能电池E,该储能单元E通过其内的第一H桥功率模块21的两个输出端与同相相邻的储能单元15或者模拟单元14串联;第一H桥功率模块21包括四个带反并联二极管的开关器件S₁-S4,开关器件可以为IGBT、晶闸管或大功率MOSFET等功率半导体器件;每两个开关器件(S₁和S₃,S₂和S₄)串联形成的支路相互并联,该并联支路的两端作为第一H桥功率模块21的两个输入端;相串联的两个开关器件(S₁和S₃,S₂和S₄)的串联端作为一个输出端,即:开关器件S₁与开关器件S₂的公共端,以及开关器件S₃与开关器件S₄的公共端作为此储能单元15与外界进行能量交换的端口,与同相相邻单元串联;本实施例中,储能单元15还包括电阻R、开关K和电容C1,其中:储能电池E的一端通过电阻R连接第一H桥功率模块21的一输入端,储能电池E的另一端连接第一H桥功率模块21的另一输入端;开关K与电阻R并联;电容C1与第一H桥功率模块21并联,即接在第一H桥功率模块21的两个输入端之间;当储能电池E处于充电状态,电流经S₁反并二极管、电阻R、储能电池E正端、负端、S₄反并二极管(或经S₂反并二极管、电阻R、储能电池E正端、负端、S₃反并二极管)将能量储存在储能电池E中;当储能电池E处于放电状态,电流经S₃、储能电池E负端、正端、开关K、S₂(或经S₄、储能电池E负端、正端、开关K、S₁)将储存的能量释放;每个模拟单元14包括并联的第二H桥功率模块33和电池模拟装置,该模拟单元14通过其内的第二H桥功率模块33的两个输出端与同相相邻的储能单元15或者模拟单元14串联;电池模拟装置包括电抗器34、PWM整流器31、直流电容C和端子321;电抗器34的一端连接多绕组移相变压器11的一组次级绕组13,另一端连接PWM整流器31的输入端;PWM整流器31、直流电容C和端子321均与第二H桥功率模块33并联;PWM整流器31包括六个带反并联二极管的开关器件(S₃₀、S₃₅、S₃₆、S₃₇、S₃₈和S₃₉),具体如图3所示;模拟单元14为交-直-交变换电路,第一级是由电抗器34和PWM整流器31组成的三相PWM整流电路,第二级是由直流电容C和用于引出直流电压Vdc的端子321组成的直流电容模块32,第三级是第二H桥功率模块33,第二H桥功率模块33与第一H桥功率模块21的结构相同,也包括四个开关器件(S₃₁、S₃₂、S₃₃和S₃₄),如图3所示;模拟单元14的第一级三相PWM整流电路能够四象限运行,通过PWM整流器31模拟各类储能电池的电压、电量等工作特性,且输出直流电压在700-1100V之间大小可调,以配合高压储能变换器的策略实现。具体的输出电压要与储能电池的电压相匹配,也要与不同的网侧电压(如6kV或10kV)相适应;如图3所示,本实施例中,当处于模拟储能电池放电状态时,接收6路高频PWM脉冲(由控制器件产生)来控制PWM整流器31的6个开关器件S₃₅、S₃₆、S₃₇、S₃₈、S₃₉、S₃₀,与电抗器34共同作用,产生与输入电压相位一致的正弦电流波形,此时,电路工作在第一、三象限,能量由左向右流动,经第二H桥功率模块33反馈电网;当处于模拟储能电池充电状态时,PWM整流器31输入电压与电流方向相反,电路工作在第二、四象限,电抗器34对电流平滑滤波,能量由并网电抗器6经第二H桥功率模块33从右向左流动。储能电池E为锂电池、液流电池、钠硫电池、铅酸电池或者超级电容器等电化学储能电池。由于各个储能单元15相互独立,不同储能单元15的储能电池类型可以不同,模拟单元14的电池模拟装置可以根据不同类型储能电池的特点进行模拟。请参阅图4,本发明之二的基于本发明之一所述一体机的控制系统,包括采样处理单元421、中央数据处理器422、PWM信号生成电路423、光纤通讯驱动电路424、人机界面425以及与各功率单元一一对应的3N个单元控制器426,其中:采样处理单元421采样电网电压和输入电流信息,并进行离散化数字化的处理后,输出给中央数据处理器422;中央数据处理器422对接收的数据信息分析计算,控制PWM信号生成电路423生成各功率单元所需的PWM脉冲控制信号,并传给光纤通讯驱动电路424;光纤通讯驱动电路424将接收的各PWM脉冲控制信号编码处理后经光纤发送到各个单元控制器426;每个单元控制器426根据接收的PWM脉冲控制信号对相应功率单元进行控制,同时,将对应功率单元的工作状态信息反馈回中央数据处理器422;人机界面425连接中央数据处理器422,用于人机交互,即进行一些系统的控制操作和查询系统的运行状态。请参阅图5,本发明的一体机在6kV高压电网下的串联原理示意图,每个单元H桥功率模块21或33逆变输出电压为430V,每相单元数N=8,则串联相电压为3440V,线电压达到了6000V。同理,当一体机工作于10kV高压电网,控制每单元H桥功率模块21或33输出电压480V,每相单元数N取12,则可满足系统在10kV电网下的应用。此处举例并不是限定本一体机仅在这两种工况下运行,事实上这种链式结构能够适应于1—500kV电网下的应用。所述两种功率单元都具有模块化的结构特点,便于制造与安装。当需要改变电压等级或改变系统容量时,只需相应的增减串联单元数目即可。以上实施例仅供说明本发明之用,而非对本发明的限制,有关技术领域的技术人员,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,还可以作出各种变换或变型,因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴,应由各权利要求所限定。