本發(fā)明屬于電氣自動化設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體的，涉及一種具有故障穿越能力的儲能型變流器拓撲。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)有的技術(shù)中，具有儲能功能的子模塊將電池直接并聯(lián)在子模塊電容旁，使得電池承受一倍工頻和二倍工頻的脈動電流，對電池的高效運行和全壽命周期成本不利；同時，實際工況中子模塊電容電壓一般大于1500V電壓等級，以鋰離子電池為代表的高倍率電池，基于電池荷電狀態(tài)均衡和故障保護的原因，從成本和安全考慮，很難達到如此高的串聯(lián)電壓。此外，這種具有儲能功能的子模塊并不具備故障穿越的能力，而具有故障穿越能力的子模塊又不具備儲能的功能。

經(jīng)檢索，公開號為104917418A的中國專利申請，該發(fā)明提供了一種采用電池電流獨立控制的儲能型模塊化多電平變流器，其子模塊包括：一個半橋模塊、一個支撐電容和一個儲能電池。通過對電池電流的獨立控制，提高電池利用率和使用壽命。

公開號為105591562A的中國專利申請，該發(fā)明提供了一種具有直流故障閉鎖能力的模塊化多電平變流器，其包括：半橋子模塊、箝位單子模塊、全橋子模塊。直流故障時，通過閉鎖一部分子模塊實現(xiàn)直流故障穿越，并通過另一部分子模塊為電網(wǎng)提供無功支撐。

上述專利不能解決電池電壓等級的問題，使用的子模塊多且不能實現(xiàn)儲能，同時電池電壓較低；其次，上述專利提出的子模塊結(jié)構(gòu)都采用電池并聯(lián)在直流電容旁的方案，電池必然會承受一倍工頻和二倍工頻的脈動電流，對電池的高效運行和全壽命周期成本不利。最后，專利105591562A通過閉鎖子模塊并用全橋模塊和箝位單子模塊配合的方式實現(xiàn)故障穿越，僅僅擁有故障穿越的能力，但是在故障時并不具備儲能功能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種從拓撲上提高電池壽命與利用率，并為新能源系統(tǒng)提供慣性，兼具故障穿越能力并在故障時能夠儲能的具有故障穿越能力的儲能型變流器拓撲。

為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供一種具有故障穿越能力的儲能型變流器拓撲，包括三個相單元，每個相單元均包括上橋臂、下橋臂、上橋臂電感、下橋臂電感；其中：

所述上橋臂的正極端作為相單元的直流出線正極端；所述上橋臂的負極端與所述上橋臂電感的一端相連；所述上橋臂電感的另一端與所述下橋臂電感的一端相連，作為相單元的交流出線端，并串聯(lián)電抗器連接到電網(wǎng)；所述下橋臂電感的另一端與所述下橋臂的正極端相連；所述下橋臂的負極端作為相單元的直流出線負極端；三個相單元中的上橋臂、下橋臂均由半橋子模塊和類全橋儲能子模塊混合串聯(lián)而成；

所述類全橋儲能子模塊包括：第二直流電容器、電池、電池電感、第三可控開關(guān)器件、第四可控開關(guān)器件、第五可控開關(guān)器件、第六可控開關(guān)器件、第七可控開關(guān)器件、第八可控開關(guān)器件、第三續(xù)流二極管、第四續(xù)流二極管、第五續(xù)流二極管、第六續(xù)流二極管；其中：所述第三可控開關(guān)器件、所述第四可控開關(guān)器件、所述第五可控開關(guān)器件、所述第六可控開關(guān)器件的集電極分別與所述第三續(xù)流二極管、所述第四續(xù)流二極管、所述第五續(xù)流二極管、所述第六續(xù)流二極管的陰極相連；所述第三可控開關(guān)器件、所述第四可控開關(guān)器件、所述第五可控開關(guān)器件、所述第六可控開關(guān)器件的發(fā)射極分別與所述第三續(xù)流二極管、所述第四續(xù)流二極管、所述第五續(xù)流二極管、所述第六續(xù)流二極管的陽極相連；所述第三可控開關(guān)器件的集電極與所述第二直流電容器的陽極相連；所述第四可控開關(guān)器件的發(fā)射極與所述第二直流電容器、所述電池的陰極相連；所述第三可控開關(guān)器件的發(fā)射極作為類全橋儲能子模塊的正極端，并與所述第七可控開關(guān)器件的一端相連；所述第四可控開關(guān)器件的發(fā)射極與所述第八可控開關(guān)器件的一端相連并作為類全橋儲能子模塊的負極端；所述第七可控開關(guān)器件、所述第八可控開關(guān)器件的另一端與所述電池電感的一端相連；所述電池電感的另一端與所述電池的陽極相連；所述第三可控開關(guān)器件、所述第四可控開關(guān)器件、所述第五可控開關(guān)器件、所述第六可控開關(guān)器件、所述第七可控開關(guān)器件、所述第八可控開關(guān)器件的柵極均與控制電路相連。

優(yōu)選地，所述的類全橋儲能子模塊在正常工況時：所述第八可控開關(guān)器件導(dǎo)通，所述第七可控開關(guān)器件關(guān)斷；

所述的類全橋儲能子模塊在直流側(cè)短路工況時：所述第七可控開關(guān)器件導(dǎo)通，所述第八可控開關(guān)器件關(guān)斷。

優(yōu)選地，所述的半橋子模塊，包括：第一直流電容器、第一可控開關(guān)器件、第二可控開關(guān)器件、第一續(xù)流二極管、第二續(xù)流二極管；其中：

所述第一可控開關(guān)器件、所述第二可控開關(guān)器件的集電極分別與所述第一續(xù)流二極管、所述第二續(xù)流二極管的陰極相連；所述第一可控開關(guān)器件、所述第二可控開關(guān)器件的發(fā)射極分別與所述第一續(xù)流二極管、所述第二續(xù)流二極管的陽極相連；所述第一可控開關(guān)器件的集電極與所述第一直流電容器的陽極相連；所述第二可控開關(guān)器件的發(fā)射極與所述第一直流電容器的陰極相連；所述第一可控開關(guān)器件、第二可控開關(guān)器件的柵極均與控制電路相連。

更優(yōu)選地，所述的上橋臂中半橋子模塊的數(shù)量與所述的下橋臂中半橋子模塊的數(shù)量相同。

更優(yōu)選地，所述的上橋臂中類全橋儲能子模塊的數(shù)量與所述的下橋臂中類全橋儲能子模塊的數(shù)量相同。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

本發(fā)明具有儲能功能的模塊化多電平變流器結(jié)構(gòu)簡單，通過類全橋儲能子模塊的設(shè)計，為新能源系統(tǒng)增加慣性，并且儲能所用的電池充放電電流平滑，電壓等級較低，保障了電池的高效運行和安全性。同時具備直流側(cè)故障穿越的能力，在直流側(cè)故障時仍然能夠儲能。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為本發(fā)明一優(yōu)選實施例的拓撲圖；

圖2為本發(fā)明一優(yōu)選實施例的半橋子模塊電路圖；

圖3為本發(fā)明一優(yōu)選實施例的類全橋儲能子模塊電路圖；

圖4中a、b、c、d分別為本發(fā)明一優(yōu)選實施例的正常工況半橋子模塊、類全橋儲能子模塊的調(diào)制波與總的等效輸出電壓示意圖；

圖5中a、b、c分別為本發(fā)明一優(yōu)選實施例的正常工況下橋臂電流、半橋子模塊等效輸出電壓與半橋子模塊功率脈動情況示意圖；

圖6中a、b、c分別為本發(fā)明一優(yōu)選實施例的正常工況下橋臂電流、類全橋儲能子模塊等效輸出電壓與類全橋儲能子模塊功率脈動情況示意圖；

圖7中a、b、c、d分別為本發(fā)明一優(yōu)選實施例的直流側(cè)短路工況半橋子模塊、類全橋儲能子模塊的調(diào)制波與總的等效輸出電壓示意圖；

圖8中a、b、c分別為本發(fā)明一優(yōu)選實施例的直流側(cè)短路工況下橋臂電流、半橋子模塊等效輸出電壓與半橋子模塊功率脈動情況示意圖；

圖9中a、b、c分別為本發(fā)明一優(yōu)選實施例的直流側(cè)短路工況下橋臂電流、類全橋儲能子模塊等效輸出電壓與類全橋儲能子模塊功率脈動情況示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

如圖1所示，一種具有儲能功能的模塊化多電平變流器拓撲，包括三個相單元；每個相單元x(x＝a，b，c)均包括上橋臂、下橋臂、上橋臂電感L_xp、下橋臂電感L_xn；其中：

所述上橋臂的正極端作為相單元的直流出線正極端；所述上橋臂的負極端與所述上橋臂電感L_xp的一端相連；所述上橋臂電感L_xp的另一端與所述下橋臂電感L_xn的一端相連，作為相單元的交流出線端，其電壓為V_x，并串聯(lián)電抗器L_Tx連接到電網(wǎng)，其電壓為V_sx；所述下橋臂電感L_xn的另一端與所述下橋臂的正極端相連；所述下橋臂的負極端作為相單元的直流出線負極端；

所述三個相單元中的上橋臂、下橋臂均由半橋子模塊和類全橋儲能子模塊混合串聯(lián)而成；子模塊xyi(x＝a，b，c；y＝p，n；i＝1，2……N；其中p代表上，n代表下)代表x相y橋臂的第i個子模塊，i_x指x相交流側(cè)電流，i_xy指x相y橋臂的電流，V_xy指x相y橋臂所有子模塊輸出的電壓和，I_d指直流側(cè)電流，V_dc指直流側(cè)電壓。

如圖2所示，為一優(yōu)選實施例的半橋子模塊電路圖；所述的半橋子模塊包括：第一直流電容器C1，第一可控開關(guān)器件S1、第二可控開關(guān)器件S2，第一續(xù)流二極管D1、第二續(xù)流二極管D2；其中：

所述第一可控開關(guān)器件S1的集電極、所述第二可控開關(guān)器件S2的集電極分別與所述第一續(xù)流二極管D1、所述第二續(xù)流二極管D2的陰極相連；所述第一可控開關(guān)器件S1的發(fā)射極、所述第二可控開關(guān)器件S2的發(fā)射極分別與所述續(xù)流二極管D1的陽極、所述第二續(xù)流二極管D2的陽極相連；所述可控開關(guān)器件S1的集電極還與所述直流電容器C1的陽極相連；所述可控開關(guān)器件S2的發(fā)射極還與所述直流電容器C1的陰極相連；所述第一可控開關(guān)器件S1的柵極、所述第二可控開關(guān)器件S2的柵極均與控制電路相連。

如圖3所示，為一優(yōu)選實施例的類全橋儲能子模塊電路圖；所述的類全橋儲能子模塊包括：第二直流電容器C2、電池、電池電感L、第三可控開關(guān)器件S3、第四可控開關(guān)器件S4、第五可控開關(guān)器件S5、第六可控開關(guān)器件S6、第七可控開關(guān)器件T1、第八可控開關(guān)器件T2、第三續(xù)流二極管D3、第四續(xù)流二極管D4、第五續(xù)流二極管D5、第六續(xù)流二極管D6；其中：

所述第三可控開關(guān)器件S3的集電極、所述第四可控開關(guān)器件S4的集電極、所述第五可控開關(guān)器件S5的集電極、所述第六可控開關(guān)器件S6的集電極分別與所述第三續(xù)流二極管D3的陰極、所述第四續(xù)流二極管D4的陰極、所述第五續(xù)流二極管D5的陰極、所述第六續(xù)流二極管D6的陰極相連；所述第三可控開關(guān)器件S3的發(fā)射極、所述第四可控開關(guān)器件S4的發(fā)射極、所述第五可控開關(guān)器件S5的發(fā)射極、所述第六可控開關(guān)器件S6的發(fā)射極分別與所述第三續(xù)流二極管D3的陽極、所述第四續(xù)流二極管D4的陽極、所述第五續(xù)流二極管D5的陽極、所述第六續(xù)流二極管D6的陽極相連；所述第三可控開關(guān)器件S3的集電極與所述第二直流電容器C2的陽極相連；所述第四可控開關(guān)器件S4的發(fā)射極與所述第二直流電容器C2的陰極、所述電池的陰極相連；所述第三可控開關(guān)器件S3的發(fā)射極作為類全橋儲能子模塊的正極端，并與所述第七可控開關(guān)器件T1的一端相連；所述第四可控開關(guān)器件S4的發(fā)射極與所述第八可控開關(guān)器件T2的一端相連并作為類全橋儲能子模塊的負極端；所述第七可控開關(guān)器件T1、所述第八可控開關(guān)器件T2的另一端與所述電池電感L的一端相連；所述電池電感L的另一端與所述電池的陽極相連；所述第三可控開關(guān)器件S3的柵極、所述第四可控開關(guān)器件S4的柵極、所述第五可控開關(guān)器件S5的柵極、所述第六可控開關(guān)器件S6的柵極、所述第七可控開關(guān)器件T1的柵極、所述第八可控開關(guān)器件T2的柵極均與控制電路相連；

正常工況時，所述第八可控開關(guān)器件T2導(dǎo)通，所述第七可控開關(guān)器件T1關(guān)斷；直流側(cè)短路工況時，所述第七可控開關(guān)器件T1導(dǎo)通，所述第八可控開關(guān)器件T2關(guān)斷。

如圖4中a、b、c、d所示，分別為一優(yōu)選實施例的正常工況下橋臂半橋子模塊、類全橋儲能子模塊的調(diào)制波與總的等效輸出電壓示意圖；記調(diào)制波為正弦的橋臂為MMC橋臂(如圖4中c所示)，調(diào)制波為直流的橋臂為儲能橋臂(如圖4中d所示)。通過半橋子模塊與類全橋儲能子模塊共同輸出帶偏置的交流分量，可以支撐起直流電壓與交流電壓。

如圖5中a、b、c所示，分別為一優(yōu)選實施例的正常工況下橋臂電流、半橋子模塊等效輸出電壓與半橋子模塊功率脈動情況示意圖；下橋臂電流中直流分量為交流分量為V_c為電容電壓的直流均值。通過圖形觀察可以發(fā)現(xiàn)，選取合適的調(diào)制比能讓半橋子模塊的功率波動在一個工頻周期內(nèi)平衡，從而半橋子模塊穩(wěn)定工作。

如圖6中a、b、c所示，分別為一優(yōu)選實施例的正常工況下橋臂電流、類全橋儲能子模塊等效輸出電壓與類全橋儲能子模塊功率脈動情況示意圖。通過圖形觀察可以發(fā)現(xiàn)，選取合適的調(diào)制比能讓類全橋儲能子模塊的功率波動在一個工頻周期內(nèi)的平均值等于電池存儲或釋放的功率，從而類全橋儲能子模塊穩(wěn)定工作。

如圖7中a、b、c、d所示，分別為一優(yōu)選實施例的直流側(cè)短路工況下橋臂半橋子模塊、類全橋儲能子模塊的調(diào)制波與總的等效輸出電壓示意圖；記調(diào)制波為正弦的橋臂為MMC橋臂，調(diào)制波為直流的橋臂為儲能橋臂，通過半橋子模塊與類全橋儲能子模塊共同輸出帶偏置的交流分量，可以支撐起交流電壓并使得輸出的總直流電壓為0，實現(xiàn)故障穿越。

如圖8中a、b、c所示，分別為一優(yōu)選實施例的直流側(cè)短路工況下橋臂電流、半橋子模塊等效輸出電壓與半橋子模塊功率脈動情況示意圖。通過圖形觀察可以發(fā)現(xiàn)，選取合適的調(diào)制比能讓半橋子模塊的功率波動在一個工頻周期內(nèi)平衡，從而半橋子模塊穩(wěn)定工作。

如圖9中a、b、c所示，分別為一優(yōu)選實施例的直流側(cè)短路工況下橋臂電流、類全橋儲能子模塊等效輸出電壓與類全橋儲能子模塊功率脈動情況示意圖。通過圖形觀察可以發(fā)現(xiàn)，選取合適的調(diào)制比能讓類全橋儲能子模塊的功率波動在一個工頻周期內(nèi)的平均值等于電池存儲或釋放的功率，從而類全橋儲能子模塊穩(wěn)定工作。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。