本發(fā)明涉及高壓混合儲能，尤其涉及一種級聯(lián)全橋mmc的高壓混合儲能裝置及其充放電控制方法。

背景技術(shù)：

1、2024年初光伏、太陽能發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在全國可再生能源發(fā)電總裝機達15.16億千瓦，占全國發(fā)電總裝機的51.9％。新能源的比重在逐步提高，受光照和風(fēng)力等自然和環(huán)境因數(shù)影響，可再生新能源不穩(wěn)定。儲能系統(tǒng)是很好的解決方案，尤其是高壓混合儲能，響應(yīng)即時，控制靈活，可提升電網(wǎng)安全和可靠；對于mmc正負直流多模塊多電平雙向dc-dc變換器的儲能系統(tǒng)一般采用直流電壓外環(huán)加直流電感單電流環(huán)的直流電流pi控制，但對dc-dc變換器半橋控制有環(huán)流會導(dǎo)致儲能的直流電流利用率降低的問題研究甚少。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種級聯(lián)全橋mmc的高壓混合儲能裝置及其充放電控制方法，并網(wǎng)側(cè)由基于級聯(lián)全橋的mmc結(jié)構(gòu)組成，儲能側(cè)由多模塊多電平半橋雙向dc-dc變換器的混合儲能組成，不僅輸出波形質(zhì)量更高，輸出電壓的階躍電壓也得到降低，使得功率輸出能力、能量密度及壽命都得到提升，針對dc-dc變換器半橋控制有環(huán)流會導(dǎo)致儲能的直流電流利用率降低的問題，本發(fā)明提出有dc-dc變換器調(diào)制度反饋的直流電壓外環(huán)控制方法，提高了儲能的直流電流利用率，降低了環(huán)流，減少了設(shè)備直流損耗。

2、為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

3、一種級聯(lián)全橋mmc的高壓混合儲能裝置，包括并網(wǎng)側(cè)電路、直流側(cè)開關(guān)、放電電路和儲能側(cè)電路，所述并網(wǎng)側(cè)電路包括級聯(lián)全橋的mmc變流器和電抗器，所述儲能側(cè)電路包括儲能半橋功率單元和儲能電池；

4、所述級聯(lián)全橋的mmc變流器一端串聯(lián)電抗器后連接至三相交流母線，所述級聯(lián)全橋的mmc變流器另一端串聯(lián)直流側(cè)開關(guān)后并聯(lián)放電電路；

5、所述放電電路包括放電開關(guān)和放電電阻，所述放電開關(guān)和放電電阻串聯(lián)；

6、所述儲能半橋功率單元為儲能dc-dc級聯(lián)半橋功率單元，并聯(lián)儲能電池，所述放電電路并聯(lián)儲能側(cè)電路，所述儲能電池包括超級電容電池堆和化學(xué)電池堆，所述超級電容電池堆并聯(lián)化學(xué)電池堆。

7、進一步的，所述級聯(lián)全橋的mmc變流器包括三相上橋臂和三相下橋臂，所述每相橋臂連接一個電抗器，所述每相橋臂由若干個mmc功率單元串聯(lián)組成，所述mmc功率單元包括四個絕緣柵雙極型晶體管igbt組成的h橋逆變器、直流側(cè)電容和直流側(cè)電阻，所述h橋逆變器、直流側(cè)電容和直流側(cè)電阻構(gòu)成并聯(lián)電路；隨著并網(wǎng)側(cè)電壓等級的升高，mmc功率單元級數(shù)增加，每相mmc功率單元串聯(lián)后星點連接在一起，形成mmc的整流側(cè)正負極。

8、進一步的，所述超級電容電池堆為多個超級電容單體串聯(lián)構(gòu)成，所述化學(xué)電池堆為多個鋰電池單體串聯(lián)構(gòu)成。

9、進一步的，所述儲能半橋功率單元包括兩個絕緣柵雙極型晶體管igbt、直流電容和直流電阻，所述兩個絕緣柵雙極型晶體管igbt串聯(lián)后再并聯(lián)直流電容和直流電阻。

10、進一步的，還包括儲能側(cè)放電電阻、熔斷器和電感，所述儲能板橋功率單元串聯(lián)電感和熔斷器后，再并聯(lián)儲能側(cè)放電電阻和儲能電池。

11、一種級聯(lián)全橋mmc的高壓混合儲能裝置的充放電控制方法，包括如下內(nèi)容：

12、1)設(shè)備運行前的預(yù)充電控制：設(shè)備長時間存放后的初次上電時，mmc變流器就緒后，儲能側(cè)電路直流總電壓低于限值則進入預(yù)充電控制，儲能側(cè)電路直流總電壓高于限值預(yù)充電流程結(jié)束；

13、2)設(shè)備停止后的放電控制：設(shè)備停止后或者級聯(lián)全橋的mmc變流器故障時先斷開直流側(cè)開關(guān)，使mmc變流器側(cè)與儲能側(cè)電路分開，儲能側(cè)電路只與充電回路連接，儲能側(cè)電路直流總電壓高于限值，進入放電控制，儲能側(cè)電路直流總電壓低于限值，放電流程結(jié)束；

14、3)設(shè)備運行中的儲能側(cè)電路充放電控制：由級聯(lián)全橋的mmc變流器控制直流母線的輸出電壓，由儲能側(cè)電路控制其充電或者放電的電流大小，給定正負直流母線的直流電壓給定值，和儲能側(cè)電路dc-dc級聯(lián)半橋功率單元調(diào)制波的反饋值，由這兩項的計算值作為直流電壓的給定值，直流電壓檢測值作為反饋值，二者的差值做pi運算，并經(jīng)過限幅處理后輸出給儲能側(cè)電路儲能半橋功率單元作為其直流電流控制pi的輸入。

15、進一步的，所述設(shè)備運行前的預(yù)充電控制具體包括如下步驟：

16、1)并網(wǎng)側(cè)mmc變流器就緒后，判斷儲能側(cè)電路直流總電壓是否低于限值，如果小于限值，進入預(yù)充電控制；

17、2)mmc變流器將預(yù)充電控制指令傳送給儲能側(cè)電路直流側(cè)控制；

18、3)儲能側(cè)電路直流側(cè)控制儲能半橋功率單元，導(dǎo)通其上橋臂，對儲能側(cè)電路進行充電；

19、4)如果儲能側(cè)電路直流側(cè)總電壓高于限值，那么預(yù)充電流程結(jié)束，儲能半橋功率單元關(guān)閉上橋臂，進入正常工作模式；

20、5)預(yù)充電流程結(jié)束。

21、進一步的，所述設(shè)備停止后的放電控制具體包括如下步驟：

22、1)設(shè)備停止后或者級聯(lián)全橋的mmc變流器故障時先斷開直流側(cè)開關(guān)，并網(wǎng)側(cè)mmc變流器與儲能側(cè)電路分開后，判斷儲能側(cè)電路直流側(cè)總電壓是否高于限值，如果大于限值，進入放電控制；

23、2)mmc變流器將放電控制指令傳送給儲能側(cè)電路直流側(cè)控制；

24、3)儲能側(cè)電路直流側(cè)控制儲能半橋功率單元，導(dǎo)通其上橋臂，對儲能側(cè)電路進行放電，放出的能量主要消耗在放電電路的放電電阻；

25、4)如果儲能側(cè)電路直流側(cè)總電壓低于限值，那么放電流程結(jié)束，儲能半橋單元關(guān)閉上橋臂；

26、5)放電流程結(jié)束。

27、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

28、1)并網(wǎng)側(cè)由基于級聯(lián)h橋的mmc結(jié)構(gòu)組成，儲能側(cè)由級聯(lián)半橋雙向dc-dc變換器的混合儲能組成，無需升壓變壓器即可直接接入中高壓電網(wǎng)，適合高壓大功率場合的應(yīng)用，交流側(cè)輸出電壓電平數(shù)多，諧波含量低，級聯(lián)h橋結(jié)構(gòu)直流電壓的調(diào)節(jié)能力更強，單元均采用模塊化的設(shè)計，有利于集成化生產(chǎn)；

29、2)通過混合儲能側(cè)電路的儲能電池多個單元級聯(lián)構(gòu)成，減小儲能單體電壓低與應(yīng)用場合電壓高間的矛盾，使得系統(tǒng)適應(yīng)高壓應(yīng)用要求，這種拓撲在同功率等級條件下開關(guān)器件的電壓、電流應(yīng)力小，在高壓、大功率雙向電能變換場合具有明顯優(yōu)勢；

30、3)通過直流側(cè)開關(guān)連接和斷開并網(wǎng)側(cè)和儲能側(cè)，實現(xiàn)儲能側(cè)電路的單獨充放電過程，不影響并網(wǎng)側(cè)；

31、4)通過本裝置的充放電控制方法，解決了現(xiàn)在常用的充電放電控制邏輯不能充分的利用儲能側(cè)電路的直流電流，會有較大的環(huán)流在dcdc下橋臂導(dǎo)通時，調(diào)整直流母線的電壓的目標值和輸出，較少直流電流的環(huán)流分量，提高整個系統(tǒng)效率。

技術(shù)特征：

1.一種級聯(lián)全橋mmc的高壓混合儲能裝置，其特征在于，包括并網(wǎng)側(cè)電路、直流側(cè)開關(guān)、放電電路和儲能側(cè)電路，所述并網(wǎng)側(cè)電路包括級聯(lián)全橋的mmc變流器和電抗器，所述儲能側(cè)電路包括儲能半橋功率單元和儲能電池；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種級聯(lián)全橋mmc的高壓混合儲能裝置，其特征在于，所述級聯(lián)全橋的mmc變流器包括三相上橋臂和三相下橋臂，所述每相橋臂連接一個電抗器，所述每相橋臂由若干個mmc功率單元串聯(lián)組成，所述mmc功率單元包括四個絕緣柵雙極型晶體管igbt組成的h橋逆變器、直流側(cè)電容和直流側(cè)電阻，所述h橋逆變器、直流側(cè)電容和直流側(cè)電阻構(gòu)成并聯(lián)電路；隨著并網(wǎng)側(cè)電壓等級的升高，mmc功率單元級數(shù)增加，每相mmc功率單元串聯(lián)后星點連接在一起，形成mmc的整流側(cè)正負極。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種級聯(lián)全橋mmc的高壓混合儲能裝置，其特征在于，所述超級電容電池堆為多個超級電容單體串聯(lián)構(gòu)成，所述化學(xué)電池堆為多個鋰電池單體串聯(lián)構(gòu)成。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種級聯(lián)全橋mmc的高壓混合儲能裝置，其特征在于，所述儲能半橋功率單元包括兩個絕緣柵雙極型晶體管igbt、直流電容和直流電阻，所述兩個絕緣柵雙極型晶體管igbt串聯(lián)后再并聯(lián)直流電容和直流電阻。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種級聯(lián)全橋mmc的高壓混合儲能裝置，其特征在于，還包括儲能側(cè)放電電阻、熔斷器和電感，所述儲能板橋功率單元串聯(lián)電感和熔斷器后，再并聯(lián)儲能側(cè)放電電阻和儲能電池。

6.根據(jù)權(quán)利要求1～5任一項所述的一種級聯(lián)全橋mmc的高壓混合儲能裝置的充放電控制方法，其特征在于，包括如下內(nèi)容：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種級聯(lián)全橋mmc的高壓混合儲能裝置的充放電控制方法，其特征在于，所述設(shè)備運行前的預(yù)充電控制具體包括如下步驟：

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種級聯(lián)全橋mmc的高壓混合儲能裝置的充放電控制方法，其特征在于，所述設(shè)備停止后的放電控制具體包括如下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種級聯(lián)全橋MMC的高壓混合儲能裝置及其充放電控制方法，包括并網(wǎng)側(cè)電路、直流側(cè)開關(guān)、放電電路和儲能側(cè)電路，所述并網(wǎng)側(cè)電路包括級聯(lián)全橋的MMC變流器和電抗器，所述儲能側(cè)電路包括儲能半橋功率單元和儲能電池，所述級聯(lián)全橋的MMC變流器一端串聯(lián)電抗器后連接至三相交流母線，所述級聯(lián)全橋的MMC變流器另一端串聯(lián)直流側(cè)開關(guān)后并聯(lián)放電電路；所述放電電路包括放電開關(guān)和放電電阻，所述放電開關(guān)和放電電阻串聯(lián)；所述儲能半橋功率單元并聯(lián)儲能電池，所述放電電路并聯(lián)儲能側(cè)電路；本發(fā)明使得功率輸出能力、能量密度及壽命都得到提升，提高了儲能的直流電流利用率，降低了環(huán)流，減少了設(shè)備直流損耗。

技術(shù)研發(fā)人員：張萬金,楊洋,王飛義,張洪瑞,張巍,黃仕鵬,呂孝國,魏洪實,趙爽,石華楷
受保護的技術(shù)使用者：遼寧榮信電力電子技術(shù)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2