基于电力电子变压器的中压直流储能装置及能量管理方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种基于电力电子变压器的中压直流储能装置及能量管理方法。

背景技术

目前，现有的中压直流(mvdc，mediumvoltagedirectcurrent)系统在稳态运行时，恒功率负载固有的负阻抗特性将会导致其输出阻抗发生改变。当输出阻抗与供电网络阻抗失配时会引起系统电压和电流振荡，恶化供电品质。另外，大功率电机启动、脉冲负载运行、变压器饱和、短路故障等工况都可能引起中压直流母线的电压跌落，影响用电负载正常运行。因此，如何解决中压直流系统对脉冲性负载供电保障能力、关键负载供电连续性、系统短时故障穿越和中压直流母线电流振荡的问题，是现今急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于电力电子变压器的中压直流储能装置及能量管理方法，以利用功率型储能元件平滑脉冲负载对电网的冲击，利用能量型储能元件，提供紧急情况的功率支持，保证系统供电的连续性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于电力电子变压器的中压直流储能装置，包括：与中压直流母线并联的第一电源变换电路，与所述第一电源变换电路通过中频或高频变压器连接的第二电源变换电路；

其中，所述第一电源变换电路中每个子模块的直流侧配置功率型储能元件，所述第二电源变换电路中每个子模块的直流侧配置能量型储能元件。

可选的，所述第一电源变换电路具体为单相mmc拓扑结构。

可选的，所述第一电源变换电路中每个子模块具体为全桥结构。

可选的，所述第二电源变换电路具体为高频逆变器交错并联拓扑结构。

可选的，所述第二电源变换电路中每个子模块具体为全桥结构。

可选的，所述中频或高频变压器具体为单个独自的变压器。

可选的，所述功率型储能元件具体为超级电容，所述能量型储能元件具体为蓄电池。

此外，本发明还提供了一种基于电力电子变压器的中压直流能量管理方法，基于如上述任一项所述的基于电力电子变压器的中压直流储能装置，所述中压直流能量管理方法，包括：

根据获取的能量管理控制单元发送的所述中压直流储能装置的所需有功电流和中压直流母线电流实测值，计算获取所述第一电源变换电路的占空比共模分量；

根据所述第一电源变换电路全部子模块的功率型储能元件的总电压给定值和所述第一电源变换电路全部子模块的功率型储能元件的总电压实测值，计算获取所述第一电源变换电路的占空比差模分量；

根据获取的所述占空比共模分量、所述占空比差模分量、所述第一电源变换电路每个子模块的功率型储能元件的实测值和所述第一电源变换电路每个子模块的功率型储能元件对应的电压给定值以及所述第一电源变换电路每个子模块的电流方向，计算获取所述第一电源变换电路每个子模块的占空比；

根据获取的第二电源变换电路的能量型储能元件的荷电状态给定值和所述第二电源变换电路的能量型储能元件的荷电状态实测值，计算获取所述第二电源变换电路每个子模块的占空比。

可选的，所述根据获取的能量管理控制单元发送的所述中压直流储能装置的所需有功电流和中压直流母线电流实测值，计算获取所述第一电源变换电路的占空比共模分量，还包括：

利用故障限流单元控制所述中压直流母线的电流给定值，以将故障电流控制到预设数值。

可选的，所述根据获取的所述占空比共模分量、所述占空比差模分量、所述第一电源变换电路每个子模块的功率型储能元件的实测值和所述第一电源变换电路每个子模块的功率型储能元件对应的电压给定值以及所述第一电源变换电路每个子模块的电流方向，计算获取所述第一电源变换电路每个子模块的占空比，包括：

将获取的所述第一电源变换电路每个子模块的功率型储能元件的实测值和所述第一电源变换电路每个子模块的功率型储能元件对应的电压给定值叠加输入到比例积分控制器，获取所述比例积分控制器输出的第一数据；

将所述第一数据和所述第一电源变换电路每个子模块的电流方向输入到乘法器，获取所述乘法器输出的第二数据；

将所述第二数据与获取的所述占空比共模分量和所述占空比差模分量相叠加，获取所述第一电源变换电路每个子模块的占空比。

本发明所提供的一种基于电力电子变压器的中压直流储能装置，包括：与中压直流母线并联的第一电源变换电路，与所述第一电源变换电路通过中频或高频变压器连接的第二电源变换电路；其中，所述第一电源变换电路中每个子模块的直流侧配置功率型储能元件，所述第二电源变换电路中每个子模块的直流侧配置能量型储能元件；

可见，通过本发明通过高压侧的第一电源变换电路和低压侧的第二电源变换电路之间的中频或高频变压器，可以进行电气隔离和能量传递；通过第一电源变换电路中每个子模块的直流侧配置的功率型储能元件，可以补偿中压直流母线的谐波电流，也可以对短路电流进行限制，并且配合直流断路器可以进行短路保护，从而提高了系统低压故障穿越能力、供电品质和稳定性；通过第二电源变换电路中每个子模块的直流侧配置的能量型储能元件，可以提供紧急情况的功率支持，保证系统供电的连续性，即使在故障情况下，也能保证中压直流系统关键负载的用电。此外，本发明还提供了一种基于电力电子变压器的中压直流能量管理方法，同样具有上述有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的一种基于电力电子变压器的中压直流储能装置的结构图；

图2为本发明实施例所提供的一种基于电力电子变压器的中压直流储能装置的实例图；

图3为本发明实施例所提供的一种基于电力电子变压器的中压直流能量管理方法的流程图；

图4为本发明实施例所提供的一种基于电力电子变压器的中压直流能量管理方法的一种能量控制框图；

图5为本发明实施例所提供的一种基于电力电子变压器的中压直流能量管理方法的另一种能量控制框图；

图6为本发明实施例所提供的一种基于电力电子变压器的中压直流能量管理方法的另一种能量控制框图；

图7为本发明实施例所提供的一种基于电力电子变压器的中压直流能量管理方法的另一种能量控制框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明实施例所提供的一种基于电力电子变压器的中压直流储能装置的结构图。该装置可以包括：与中压直流母线并联的第一电源变换电路100，与第一电源变换电路100通过中频或高频变压器200连接的第二电源变换电路300。

其中，第一电源变换电路100中每个子模块110的直流侧配置功率型储能元件111，第二电源变换电路300中每个子模块310的直流侧配置能量型储能元件311。

可以理解的是，本实施例所提供的装置中高压侧的第一电源变换电路100可以为mmc(模块多电平变换器)拓扑结构，也可以为chb(级联变换器)拓扑结构，只要在第一电源变换电路100中每个子模块110的直流侧可以配置功率型储能元件111，对于第一电源变换电路100的具体结构，本实施例不做任何限制。本实施例所提供的装置中低压侧的第二电源变换电路300，可以为高频逆变器交错并联拓扑结构，也可以为mmc拓扑结构，还可以为chb(级联变换器)拓扑结构，只要在第二电源变换电路300中每个子模块310的直流侧可以配置能量型储能元件311，对于第二电源变换电路300的具体结构，本实施例不做任何限制。

同样的，对于第一电源变换电路100中每个子模块110和第二电源变换电路300中每个子模块310的具体结构，可以为全桥结构，也可以为半桥结构，还可以为多电平结构，本实施例对此不受任何限制。

需要说明的是，本实施例所提供的装置可以为单相系统，也可以为三相或多相系统。可以由实际人员根据实用场景和用户需求自行设置，本实施例对此不做任何限制。对应的，本实施例所提供的装置中的中频或高频变压器200可以为单个或多个独立的变压器，还可以为多绕组变压器。本实施例对此同样不做任何限制。

其中，功率型储能元件11可以为超级电容，也可以为如飞轮的其他功率型储能元件，本实施例对此不做任何限制。能量型储能元件可以为蓄电池，也可以为如燃料电池的其他储能元件，本实施例同样对此不做任何限制。

具体的，本实施例所提供的装置可以如图2所示，高压侧的第一电源变换电路100采用单相mmc拓扑结构与中压直流母线并联，每个子模块110为全桥结构，且其直流侧配置为超级电容的功率型储能元件111；低压侧的第二电源变换电路300采用高频逆变器交错并联拓扑结构，每个子模块310为全桥结构，且其直流侧配置为蓄电池的能量型储能元件311。第一电源变换电路100和第二电源变换电路300之间通过k：1的中频或高频变压器200连接，可以进行电气隔离和能量传递。其中，l为高压侧支路电抗器，ls为低压侧均流电抗器。

如图2所示，高压侧(第一电源变换电路100)采用单相mmc拓扑结构。其中，每条支路包含正负两个桥臂；每个桥臂包含第一预设数量个全桥变换器子模块(子模块310)。每个全桥变换器子模块配置超级电容(功率型储能元件111)，用以缓冲脉冲性负载对电网的冲击。高压侧的mmc可以采用载波移相调制；低压侧(第二电源变换电路300)采用第二预设数量个高频逆变器交错并联拓扑结构。每个子模块(子模块310)配置蓄电池(能量型储能元件311)，提供紧急备用电源，提高系统故障穿越能力，保证系统供电持续性。高压侧和低压侧通过中频或高平变压器200进行电气隔离，变比为k：1。

可以理解的是，对于中压直流系统而言，本实施例所提供的装置可控制为电流源，向中压直流母线注入补偿电流，进而起到apf(有源滤波)的功能，提高系统供电品质。同时作为电流源，当中压直流母线电压大幅跌落甚至中压直流母线短路时，仍可以工作，如可以将超级电容储存的能量传递到低压侧蓄电池或低压中压直流母线所带负载。

具体的，如图2中由于低压侧蓄电池能量密度高，通过并联变换器在中频或高频变压器200侧产生正弦电压与mmc交流侧电压以及并联电感、变压器漏感相互作用调节电池充放电电流，对整个系统进行持续的能量缓冲。超级电容功率密度高，可以在短时间内充放电，通过控制mmc各支路的共模电流对中压直流母线的纹波电流进行补偿，实现apf功能。使得整个装置可以实现共模和差模的解耦控制。高压侧mmc与低压侧交错并联的变换器也独立控制。通过控制mmc各支路的共模电流实现能量在蓄电池和中压直流电网间的流动。考虑纹波电流会引起蓄电池的温升进而影响其使用寿命，蓄电池只提供恒定的直流共模电流给中压直流母线，而中压直流母线中的电流纹波补偿所需的能量可以由超级电容来承担。

本实施例中，本发明实施例通过高压侧的第一电源变换电路和低压侧的第二电源变换电路之间的中频或高频变压器，可以进行电气隔离和能量传递；通过第一电源变换电路中每个子模块的直流侧配置的功率型储能元件，可以补偿中压直流母线的谐波电流，也可以对短路电流进行限制，并且配合直流断路器可以进行短路保护，从而提高了系统低压故障穿越能力、供电品质和稳定性；通过第二电源变换电路中每个子模块的直流侧配置的能量型储能元件，可以提供紧急情况的功率支持，保证系统供电的连续性，即使在故障情况下，也能保证中压直流系统关键负载的用电。

请参考图3，图3为本发明实施例所提供的一种基于电力电子变压器的中压直流能量管理方法的流程图。基于上述实施例所提供的基于电力电子变压器的中压直流储能装置，该方法可以包括：

步骤101：根据获取的能量管理控制单元发送的中压直流储能装置的所需有功电流和中压直流母线电流实测值，计算获取第一电源变换电路的占空比共模分量。

可以理解的是，本步骤的目的是为了获取第一电源变换电路的占空比共模分量，对于具体的获取方式，可以本步骤所提供的方式，也可以通过其他方式获取，本实施例对此不受任何限制。

优选的，本步骤中还可以包括利用故障限流单元控制中压直流母线的电流给定值，以将故障电流控制到预设数值的步骤，以使本实施例所提供的方法具有故障穿越和故障消除后的快速恢复能力。

具体的，对于如图3所示的基于电力电子变压器的中压直流储能装置，本步骤可以采用如图4所提供的方式，接收能量管理控制单元发送的中压直流储能装置的所需有功电流，作为mmc(第一电源变换电路)支路输送电流的直流分量；同时，通过低通滤波器将中压直流母线电流实测值反相后提取中压直流母线电流波纹，作为mmc支路输送共模电流的纹波分量。直流分量和纹波分量叠加作为整个能量装置向中压直流系统注入或补偿的电流指令。同时高压侧mmc控制中可以加入故障限流功能(故障限流单元)，可以控制将故障电流控制到任意值甚至是零，使得本发明实施例所提供的方法具有故障穿越和故障消除后的快速恢复能力。

步骤102：根据第一电源变换电路全部子模块的功率型储能元件的总电压给定值和第一电源变换电路全部子模块的功率型储能元件的总电压实测值，计算获取第一电源变换电路的占空比差模分量。

可以理解的是，本步骤的目的是为了获取第一电源变换电路的占空比差模分量，对于具体的获取方式，可以本步骤所提供的方式，也可以通过其他方式获取，本实施例对此不受任何限制。

具体的，对于如图3所示的基于电力电子变压器的中压直流储能装置，本步骤可以采用如图5所提供的方式，其中，v_(cap_ref)为高压侧mmc支路超级电容总电压指令，v_cap其测量值之和。由于中压直流储能装置中的mmc为单相拓扑结构，可以采用经典的d、q电流双环控制。

步骤103：根据获取的占空比共模分量、占空比差模分量、第一电源变换电路每个子模块的功率型储能元件的实测值和第一电源变换电路每个子模块的功率型储能元件对应的电压给定值以及第一电源变换电路每个子模块的电流方向，计算获取第一电源变换电路每个子模块的占空比。

可以理解的是，本步骤的目的是为了获取第一电源变换电路每个子模块的占空比，对于具体的获取方式，可以本步骤所提供的方式，也可以通过其他方式获取，本实施例对此不受任何限制。

需要说明的是，对于如图3所示的基于电力电子变压器的中压直流储能装置，本步骤可以采用如图6所提供的方式，计算高压侧mmc各桥臂子变换单元(子模块)的占空比。每个子变换单元占空比由桥臂平均占空比和其电容电压平衡调节量两部分组成。因为通过桥臂电流对各自子变换单元电容电压进行平衡调节，在进行占空比计算时需要考虑桥臂电流方向。如：将获取的第一电源变换电路每个子模块的功率型储能元件的实测值和第一电源变换电路每个子模块的功率型储能元件对应的电压给定值叠加输入到比例积分控制器，获取比例积分控制器输出的第一数据；将第一数据和第一电源变换电路每个子模块的电流方向输入到乘法器，获取乘法器输出的第二数据；将第二数据与获取的占空比共模分量和占空比差模分量相叠加，获取第一电源变换电路每个子模块的占空比。

步骤104：根据获取的第二电源变换电路的能量型储能元件的荷电状态给定值和第二电源变换电路的能量型储能元件的荷电状态实测值，计算获取第二电源变换电路每个子模块的占空比。

可以理解的是，本步骤的目的是为了获取第二电源变换电路每个子模块的占空比，对于具体的获取方式，可以本步骤所提供的方式，也可以通过其他方式获取，本实施例对此不受任何限制。

具体的，对于如图3所示的基于电力电子变压器的中压直流储能装置，本步骤可以采用如图7所提供的方式，通过调节交错并联的变换器(子模块)的占空比实现所有蓄电池的soc(荷电状态)平衡。

本实施例中，本发明实施例所提供的方法，在中压直流系统的脉冲性负载运行时，使得功率型储能元件可以通过中压直流储能装置快速响应负载功率需求，减少脉冲性负载对中压直流系统的冲击；当中压直流系统的大功率负载启停时，由功率型储能元件快速响应系统的功率需求，由能量型储能元件不断向功率型储能元件补充能量，保证功率补给的持续性；当中压直流系统的脉冲性负载和大型负载不运行时，功率型储能元件和能量型储能元件可以从中压直流母线吸收能量，当能量型储能元件充电完毕以及功率型储能元件电压达到额定值后，中压直流储能装置可以处在热备状态，不再与中压直流系统进行能量交换。提高了中压直流系统抗冲击能力、供电可持续性，同时减小了发电机组的最大设计容量。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的基于电力电子变压器的中压直流储能装置及能量管理方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。