[发明专利]一种储能电压平衡电力电子电能变换系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种储能电压平衡电力电子电能变换系统及其控制方法，特别是储能系统中储能模组串联成组后的电压平衡系统及其充放电变换系统，尤其适用于电动车辆、储能系统、不间断电源UPS、通信电源和消费类电子产品中串联储能模组的电压平衡和与电网连接的充放电变换，也可扩展应用于通过储能模组串联实现的直流变换系统。

背景技术

随着清洁环保的二次能源电能的广泛应用，电能的存储变得越来越重要，电能存储不仅可为用电设备提供后备的不间断电能，保障用电设备供电安全，也可调节电网的峰值负荷，实现消峰填谷，保障电力的高效传输和低成本利用。目前，可实现电能存储的方式主要有电容储能（如电解电容和超级电容器等）、化学储能（如锂离子电池、钠流电池、液流电池和燃料电池等）等，因构成储能模块的单个储能单体（ESC－Energy Storage Cell）具有输出电压等级低、容量小等不足，为满足实际应用需要，通过将多个储能单体进行并联形成储能单元(ESU－Energy Storage Unit)，将储能单元（单体）串联形成储能模块（ESM－Energy Storage Module），从而增加储能输出电压等级和存储容量。然而，由于储能单体在材料、生产工艺、使用环境和温度等方面存在差异，并在使用过程中储能单体的老化，导致储能单体的输出电压、内部阻抗和容量等特征参数出现不一致，这直接影响串联成组后储能模组的使用容量、寿命和安全等性能，也限制了储能模组的输出电压等级。因此，为提高储能模组的输出电压等级和使用性能，满足用电负荷的需要，同时实现与电网的高效互动，迫切需要储能模组串联后实现其电压平衡和与电网对接实现互动的电力电子电能变换系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种储能电压平衡电力电子电能变换系统及其控制方法，满足储能模组串联后实现其电压平衡，对储能模组进行充放电，实现储能与电网的电气隔离，并与电网形成互动，实现消峰填谷、谐波治理、无功补偿和三相不平衡调整。通过高频软开关电压平衡变换器对储能模组进行均衡控制、延长储能设备的使用寿命并降低使用成本。

为解决以上问题，本发明采用如下技术方案，本方案所述功率开关均为功率半导体开关器件，分为二极管、MOSFET、IGBT、IGCT、GTO和晶闸管等，或者上述器件通过串并联复合而成的功率开关器件。

一种储能电压平衡电力电子电能变换系统，包括储能模组、电压平衡变换器、电网侧逆变器、电网负荷、储能侧逆变器和独立负荷，其特征在于：

N个所述储能模组串联后通过导线连接在储能侧逆变器的直流母线上，每个储能模组通过多路导线与电压平衡变换器的多路原边直流端口连接；所述电压平衡变换器，其副边直流端口通过多路导线与电网侧逆变器的多路输入直流端口连接；所述电网侧逆变器，其输出侧通过单相或者三相电力导线，经过开关SW1和开关SW2与电网相连；所述电网负荷连接到开关SW1和开关SW2之间；所述储能侧逆变器，其直流侧通过电力导线直接与串联后的储能模组输出端相联，其通过单相或多相电力导线与独立负荷进行连接。

如上所述的储能电压平衡电力电子电能变换系统，其特征在于，所述电压平衡变换器由N路相同配置的独立电压平衡变换器并联构成，N路独立电压平衡变换器的每路原边直流端口一对一并联并形成M路原边直流端口，N路独立电压平衡变换器的每路副边直流端口一对一并联并形成L路副边直流端口。

如上所述的储能电压平衡电力电子电能变换系统，其特征在于，所述独立电压平衡变换器，包括原边M路串联的半桥或全桥电路，副边L路相互之间隔离的半桥或全桥电路，多绕组高频变压器Tx，以及变压器Tx原副边高频电感Lsx；半桥或全桥电路将直流变换成高频交流，通过高频变压器传输到另一路半桥或全桥电路，经整流将高频交流转换成直流；高频变压器Tx原副边所有绕组绕制在一个磁芯，并共用一个磁路。

如上所述的储能电压平衡电力电子电能变换系统，其特征在于，所述原边或副边的半桥电路的电路结构为电容C_1x和电容C_2x串联后与直流滤波电容C_dc并联，并与直流侧并联，功率开关S_HB1和功率开关S_HB2串联后与直流侧并联，电容串联的中点N与功率开关串联的中点P作为交流侧输出端。