本發(fā)明屬于儲能系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于模塊化多電平變流器的高放電深度復(fù)合型儲能系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

建設(shè)儲能裝置是解決可再生能源發(fā)電波動、提高電網(wǎng)對新能源的消納能力和提高能源使用效率的一個(gè)重要途徑。目前規(guī)模化的電力儲能技術(shù)主要有抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導(dǎo)儲能、電池儲能、超級電容器儲能等。其中電池儲能是能量型儲能的典型代表，電池儲能是目前最有投資/成本效益的儲能技術(shù)之一，具有模塊化、響應(yīng)快、商業(yè)化程度高的特點(diǎn)。然而，電池儲能具有循環(huán)壽命短、功率密度低的缺點(diǎn)，不適合用于短時(shí)大功率和頻繁充放電的場合，為此，出現(xiàn)了一種兼有能量型儲能和功率型儲能元件的復(fù)合儲能系統(tǒng)，從而優(yōu)化了儲能電池的壽命同時(shí)又具備大功率、頻繁充放電的能力。特別地，近年來出現(xiàn)了一種基于模塊化多電平變流器(MMC)的復(fù)合型儲能系統(tǒng)(張建忠，胡省，王偉，孫耀東，一種基于模塊化多電平變流器的復(fù)合型儲能系統(tǒng)，中國發(fā)明專利，2016，申請?zhí)枺?01611204892.2)，它將能量型儲能元件和功率型儲能元件分別接在模塊化多電平變流器的直流側(cè)和內(nèi)部單元模塊中，構(gòu)成了分布式的功率型儲能模式，簡化了功率型儲能元件的連接和電壓均衡控制，降低了儲能系統(tǒng)復(fù)雜度和成本。但是這種基于模塊化多電平變流器的復(fù)合型儲能系統(tǒng)存在功率型儲能元件放電深度低的問題，即當(dāng)功率型儲能元件(典型采用超級電容器)放電時(shí)，其端電壓基本上曾平方關(guān)系下降，到達(dá)一定放電深度后會造成模塊化多電平變流器因直流電壓過低，從而無法繼續(xù)由直流側(cè)向交流側(cè)提供電能，造成功率型儲能元件放電深度較低，儲能元件的容量未能得到充分利用?？梢?，還需要對該復(fù)合型儲能系統(tǒng)進(jìn)行革新從而進(jìn)一步提高其綜合性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種基于模塊化多電平變流器的高放電深度復(fù)合型儲能系統(tǒng)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于模塊化多電平變流器的高放電深度復(fù)合型儲能系統(tǒng)，包括能量型儲能元件、DC/DC變換器、MMC(模塊化多電平變流器)子模塊、電抗器、電源、緩沖電感；

所述的MMC子模塊包括功率型儲能元件、儲能電感、半橋DC/DC電路、電解電容器和MMC半橋子模塊；

所述MMC子模塊內(nèi)部集成有功率型儲能元件，典型地由若干個(gè)超級電容器串聯(lián)組合而成，形成分布式儲能的方式；功率型儲能元件通過儲能電感與半橋DC/DC電路連接，所述的半橋DC/DC電路輸出端連接于電解電容器的兩端，電解電容器與MMC半橋子模塊并聯(lián)連接，MMC半橋子模塊的輸入腳i和輸出腳o即為MMC子模塊的輸入和輸出腳，依次將每個(gè)橋臂上的MMC子模塊輸出腳與下個(gè)MMC子模塊的輸入腳相連接，并將三相上橋臂第一個(gè)的MMC子模塊輸入腳連接組成MMC的直流正母線，三相下橋臂最后一個(gè)MMC子模塊輸出腳連接組成MMC的直流負(fù)母線，將每相上橋臂最后一個(gè)MMC子模塊的輸出和下橋臂第一個(gè)MMC子模塊的輸入與緩沖電感連接，上下橋臂的緩沖電感相互連接之后并將其與電抗器連接，電抗器的輸出端與位于復(fù)合型儲能系統(tǒng)外部的電源連接；

所述能量型儲能元件典型地由蓄電池經(jīng)串聯(lián)、先串后并或先并后串組合而成，并輔以主動電池能量均衡系統(tǒng)或者被動電池能量均衡系統(tǒng)，能量型儲能元件通過DC/DC變換器與MMC的直流母線連接。

本發(fā)明中利用DC/DC變換器和半橋DC/DC電路實(shí)現(xiàn)了兩種儲能元件之間，以及儲能元件與模塊化多電平變流器之間的控制相互獨(dú)立、互不影響，提高了儲能元件的放電深度。

作為優(yōu)選，所述半橋DC/DC電路有兩種工作模式，當(dāng)功率型儲能元件需要放電時(shí)，半橋DC/DC電路工作于Boost升壓模式，當(dāng)功率型儲能元件需要充電時(shí)，半橋DC/DC電路工作于Buck降壓模式。

作為優(yōu)選，典型地采用電池作為能量型儲能元件時(shí)，在儲存能量或者釋放能量的過程中，會導(dǎo)致電池端電壓的改變，所以電池連接的DC/DC變換器的控制方式為電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)控制，這樣能夠保證模塊化多電平變流器在電池儲存或者釋放能量的過程中，其端電壓保持不變。典型地采用超級電容器作為功率型儲能元件時(shí)，與超級電容器連接的半橋DC/DC電路也采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的控制方式，電壓外環(huán)用于控制MMC子模塊的電解電容器電壓平均值保持不變，電流內(nèi)環(huán)用于控制超級電容器的儲存或者釋放的能量。

與功率型儲能元件連接的半橋DC/DC電路可以根據(jù)各功率型儲能元件的能量差異調(diào)節(jié)占空比，從而實(shí)現(xiàn)各功率型儲能元件之間的能量平衡。此能量差異包括橋臂內(nèi)部之間、上下橋臂間以及相間各子模塊的能量差異。

各個(gè)子模塊中的超級電容器接口電路的占空比不僅受到電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的控制，而且受到不同子模塊中超級電容的能量差異的控制。具體當(dāng)某一子模塊中的超級電容器的能量比其他子模塊高時(shí)，在儲能系統(tǒng)釋放能量時(shí)多釋放能量，在儲能系統(tǒng)吸收能量時(shí)少吸收能量；當(dāng)某一子模塊中的超級電容器的能量比其他子模塊低時(shí)，在儲能系統(tǒng)釋放能量時(shí)少釋放能量，在儲能系統(tǒng)吸收能量時(shí)多吸收能量。這樣，各子模塊中超級電容器儲存的能量趨于一致，從而實(shí)現(xiàn)了利用接口電路和模塊化多電平變流器實(shí)現(xiàn)了能量管理的功能。

集成了超級電容器儲能的模塊化多電平變流器的其他控制方式與通用的模塊化多電平變流器的控制方式相同，例如環(huán)流抑制策略，電解電容電壓平衡策略均可以直接使用。

有益效果：本發(fā)明利用模塊化多電平變流器的直流側(cè)構(gòu)成能量型儲能系統(tǒng)，利用模塊化多電平變流器的內(nèi)部子模塊的直流側(cè)構(gòu)成分布式的功率型儲能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在同一個(gè)變流器中構(gòu)建復(fù)合型儲能系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，而且能量型儲能系統(tǒng)與功率型儲能系統(tǒng)通過功率變換器互相隔離，互不影響。當(dāng)功率型儲能元件放電深度加深，電壓降低時(shí)，可以通過連接的半橋DC/DC電路實(shí)現(xiàn)電壓控制，保持MMC子模塊電解電容器電壓平均值保持不變，從而保證MMC能夠繼續(xù)正常工作，提高了功率型儲能元件的放電深度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖。

圖2為本發(fā)明的子模塊結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明的功率分配框圖。

附圖中：能量型儲能元件1、DC/DC變換器2、MMC子模塊3、電抗器4、電源5、緩沖電感6、功率型儲能元件7、儲能電感8、半橋DC/DC電路9、電解電容器10、MMC半橋子模塊11。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

一種基于模塊化多電平變流器的高放電深度復(fù)合型儲能系統(tǒng)，包括能量型儲能元件1、DC/DC變換器2、MMC子模塊3、電抗器4、電源5、緩沖電感6。所述的MMC子模塊3包括功率型儲能元件7、儲能電感8、半橋DC/DC電路9、電解電容器10和MMC半橋子模塊11。

所述MMC子模塊3內(nèi)部集成有功率型儲能元件7，典型地可由若干個(gè)超級電容器串聯(lián)組合而成，形成分布式儲能的方式。功率型儲能元件7通過儲能電感8與半橋DC/DC電路9連接，所述的半橋DC/DC電路輸出端連接于電解電容器10的兩端，電解電容器10與MMC半橋子模塊11并聯(lián)連接，MMC半橋子模塊11的輸入腳i和輸出腳o即為MMC子模塊3的輸入和輸出腳，依次將每個(gè)橋臂上的MMC子模塊輸出腳與下個(gè)MMC子模塊的輸入腳相連接，并將三相上橋臂第一個(gè)的MMC子模塊輸入腳連接組成MMC的直流正母線，三相下橋臂最后一個(gè)MMC子模塊輸出腳連接組成MMC的直流負(fù)母線，將每相上橋臂最后一個(gè)MMC子模塊的輸出和下橋臂第一個(gè)MMC子模塊的輸入與緩沖電感6連接，上下橋臂的緩沖電感6相互連接之后并將其與電抗器4連接，電抗器4的輸出端與位于復(fù)合型儲能系統(tǒng)外部的電源連接；

所述能量型儲能元件1典型地由蓄電池經(jīng)串聯(lián)、先串后并或先并后串組合而成，并輔以主動電池能量均衡系統(tǒng)或者被動電池能量均衡系統(tǒng)，能量型儲能元件1通過DC/DC變換器2與MMC的直流母線連接。

所述半橋DC/DC電路9有兩種工作模式，當(dāng)功率型儲能元件需要放電時(shí)，半橋DC/DC電路9工作于Boost升壓模式，當(dāng)功率型儲能元件需要充電時(shí)，半橋DC/DC電路9工作于Buck降壓模式。

所述DC/DC變換器2的控制方式采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)控制，利用電壓外環(huán)控制使得MMC的直流側(cè)電壓保持恒定，電流內(nèi)環(huán)控制電池儲能系統(tǒng)的輸出(吸收)的功率。

圖2所示為MMC子模塊，由4個(gè)帶反并聯(lián)二極管的開關(guān)器件、1個(gè)電解電容、1個(gè)儲能電感和功率型儲能元件組成。開關(guān)器件S1、S2和電解電容C1構(gòu)成模塊化多電平變流器的半橋子模塊結(jié)構(gòu)，開關(guān)器件S3、S4和儲能電感L1構(gòu)成了基于半橋的超級電容器DC/DC電路，此半橋DC/DC電路可工作與Buck或者Boost模式，分別對應(yīng)于超級電容器充電和放電狀態(tài)。此接口電路也采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的控制方式，電壓外環(huán)用于控制電解電容器的平均電壓恒定，電流內(nèi)環(huán)用于控制超級電容輸出(吸收)的功率大小。值得注意的是：各個(gè)子模塊中的超級電容器接口電路的占空比不僅受到電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的控制，而且受到不同子模塊中超級電容器的能量差異的控制。具體當(dāng)某一子模塊中的超級電容器的能量比其他子模塊高時(shí)，在儲能系統(tǒng)釋放能量時(shí)多釋放能量，在儲能系統(tǒng)吸收能量時(shí)少吸收能量；當(dāng)某一子模塊中的超級電容器的能量比其他子模塊低時(shí)，在儲能系統(tǒng)釋放能量時(shí)少釋放能量，在儲能系統(tǒng)吸收能量時(shí)多吸收能量。這樣，各子模塊中超級電容器儲存的能量趨于一致，從而實(shí)現(xiàn)了利用接口電路和模塊化多電平變流器實(shí)現(xiàn)了能量管理的功能。此處的超級電容器能量差異不僅指一個(gè)橋臂內(nèi)的超級電容器能量差異，還包括上、下橋臂間的超級電容器能量差異和相間的超級電容器能量差異。

圖3為復(fù)合型儲能系統(tǒng)的能量控制流程圖。當(dāng)分別計(jì)算出電池儲能系統(tǒng)和超級電容器儲能系統(tǒng)輸出(吸收)的功率后，控制模塊化多電平變流器直流側(cè)的DC/DC變換器，輸出(吸收)期望的能量型儲能系統(tǒng)功率P_n；對于功率型儲能系統(tǒng)的期望輸出(吸收)功率P_g，先經(jīng)歷功率再分配環(huán)節(jié)(子模塊總數(shù)為6N)，也即在保持總輸出(吸收)功率不變的情況下，調(diào)節(jié)各子模塊的輸出(吸收)功率，從而使得各子模塊中的超級電容器的能量趨于一致，然后根據(jù)每個(gè)子模塊中超級電容器期望的輸出(吸收)功率控制超級電容器的接口電路，保證總的輸出(吸收)功率為期望的輸出(吸收)功率。最后，基于模塊化多電平變流器的復(fù)合型儲能系統(tǒng)輸出(吸收)總的功率，經(jīng)并網(wǎng)電抗器4，接入電源5。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。