一种基于谐振去磁的双向正激电池储能系统的制作方法

本发明涉及储能系统领域以及电力电子变换器领域，具体涉及一种基于谐振去磁的双向正激电池储能系统。

背景技术：

近年来，风能、太阳能等新能源发电在我国电力系统中所占比例逐渐上升，由于新能源发电具有间歇性和波动性的特点，导致了在新能源发电并入电网之后，对并网造成诸多不利的影响，而电池储能系统因具有平滑间歇性电源功率波动，成为应对挑战的最佳技术之一，能够提高整个电网的能量利用率。

现有的模块化电池储能系统通常采用全功率独立控制型柔性成组储能系统，不论模块电池电流差异的大小，电池模块的全部充放电电流都要流过各自的变流器开关器件，造成器件电流应力大，导通损耗大等功率损耗，特别是在系统容量增加到较大基数时，问题更加突出。考虑到现阶段各电池模块容量基本在一定范围内波动，即使是梯次利用电池，容量差异也不会太大，没有必要对全部电池的电流进行独立控制。

因此，提出了一种更加高效、经济、安全的电池模块部分功率独立电流控制的柔性成组储能系统，仅利用自身结构的特点完成去磁要求，减少元器件的消耗，拓扑结构设计简单，减小变流器的损耗和成本，以提高电池模块的能量利用率。

技术实现要素：

鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种基于谐振去磁的双向正激电池储能系统，以解决现有全功率模块化柔性成组系统中，开关器件流过电池模块的全部充放电电流而导致器件电流应力大、成本高，同时也采用谐振技术完成相应的去磁要求。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于谐振去磁的双向正激电池储能系统，所述的双向正激电池储能系统包括：

电池单元，所述的电池单元包括串联的若干组电池模块；

并网主功率变换器，与所述的电池单元并联，所述的并网主功率变换器用于控制所述的电池单元的主电流，且并网主功率变换器接入三相交流电网，其中，主电流是指所有电池模块电流的相同部分；

以及隔离型正激变换器单元，与电池模块一一对应连接，用于对各组电池模块的充放电电流与主电流的差值进行独立闭环控制，其中，充放电电流与主电流的差值优选为主电流的5％-20％，以适应不同电池模块之间存在的差异，使每个电池模块都能工作在最佳状态；

其中，所述的隔离型正激变换器单元采用正激电路结构，利用自身分布参数完成正激电路的去磁要求，实现双向控制；所述的隔离型正激变换器单元利用多个原边变换器串联的形式接入所述的并网主功率变换器的直流侧电压，原边绕组与副边绕组的变比约为1，简化变压器设计的复杂性；所述的隔离型正激变换器单元通过引入pwm控制策略对各电池模块的充放电电流与主电流的差值进行独立闭环控制，其中，pwm控制开关管的占空比产生的方式包括电压型和峰值电流中的一种；

其中，所述的并网主功率变换器和所述的隔离型正激变换器单元分别对主电流和差异电流控制，从而实现对电池模块充放电电流的独立控制，提高电池模块的能量利用率。

进一步地，所述的并网主功率变换器采用传统储能并网逆变器结构，包括：

第一电容器，与所述的电池单元并联；以及

第一开关管q1至第六开关管q6，所述的第一开关管q1至所述的第六开关管q6的每个开关管分别反并联一个第一二极管，第一开关管q1的第一端连接在第一电感器的第一端，而第一开关管q1的第二端连接在电池单元的正极；第二开关管q2的第二端连接在第一电感器的第一端，而第二开关管q2的第一端连接在电池单元的负极；第三开关管q3的第一端连接在第二电感器的第一端，而第三开关管q3的第二端连接在电池单元的正极；第四开关管q4的第二端连接在第二电感器的第一端，而第四开关管q4的第一端连接在电池单元的负极；第五开关管q5的第一端连接在第三电感器的第一端，而第五开关管q5的第二端连接在电池单元的正极；第六开关管q6的第二端连接在第三电感器的第一端，而第六开关管q6的第一端连接在电池单元的负极，第一电感器、第二电感器和第三电感器的第二端分别接入三相交流电网的一相ua、ub、uc。

进一步地，所述的第一开关管q1至所述的第六开关管q6是绝缘栅双极晶体管或者金属-氧化物半导体场效应晶体管，所述的第一开关管q1至所述的第六开关管q6的第一端是绝缘栅双极晶体管的发射极端子或者金属-氧化物半导体场效应晶体管的源集端子，所述的第一开关管q1至所述的第六开关管q6的第二端是绝缘栅双极晶体管的集电极端子或者金属-氧化物半导体场效应晶体管的的漏极端子。

进一步地，所述的矢量控制为正弦脉宽调制和空间矢量脉宽调制中的一种。

进一步地，所述的隔离型正激变换器单元采用双向隔离dc-dc变换器，包括：

多个高频隔离变压器，所述的高频隔离变压器包括一个初级绕组w1和一个次级绕组w2；

多个原边变换器，与所述的初级绕组w1连接，且所述的原边变换器采用串联形式连接；以及

多个副边变换器，与所述的次级绕w2和每组电池模块对应连接，实现对各组电池模块的充放电电流与主电流的差值的独立闭环控制。

进一步地，所述的原边变换器包括：

第七开关管q7，所述的第七开关管q7反并联一个第一二极管220，所述的第七开关管q7的第一端连接在初级绕组w1的第二端子，所述的第七开关管q7的第二端连接在下一个隔离型正激变换器单元的原边电容器的一端；

第一等效电容，所述的第一等效电容与所述的第七开关管q7并联，所述的第一等效电容包括第七开关管q7的漏-源极结电容和并联在其两端的外电容之和，以及

第二电容器，所述的第二电容器的连接在电池单元的正极和下一隔离型正激变换器单元的原边电容器的一端。

进一步地，所述的第七开关管q7是绝缘栅双极晶体管或金属-氧化物半导体场效应晶体管，所述的第七开关管q7的第一端是绝缘栅双极晶体管的集电极端子或金属-氧化物半导体场效应晶体管的漏极端子，所述的第七开关管q7的第二端是绝缘栅双极晶体管的发射极端子或金属-氧化物半导体场效应晶体管的源极端子。

进一步地，所述的副边变换器包括：

第三电容器，与电池模块并联；

第八开关管q8和第九开关管q9，所述的第八开关管q8和所述的第九开关管q9分别反并联一个第一二极管，所述的第八开关管q8的第一端连接在次级绕组w2的第二端子，所述的第八开关管q8的第二端通过第三电容器连接在电池模块的负极，所述的第九开关管q9的第一端连接在第四电感器的一端，所述的第九开关管q9的第二端连接在次级绕组w2的第一端子和电池模块的负极，所述的第四电感器的另一端连接在电池模块的正极，以及

第二等效电容和第三等效电容，所述的第二等效电容与第八开关管并联，所述的第二等效电容包括第八开关管q8的漏-源极结电容和并联在其两端的外电容之和，所述的第三等效电容与第九开关管q9并联，所述的第三等效电容包括第九开关管q9的漏-源极结电容和并联在其两端的外电容之和。

进一步地，所述的第八开关管q8和所述的第九开关管q9是绝缘栅双极晶体管或金属-氧化物半导体场效应晶体管，所述的第八开关管q8和所述的第九开关管q9的第一端是绝缘栅双极晶体管的集电极端子或金属-氧化物半导体场效应晶体管的漏极端子，所述的第八开关管q8和所述的第九开关管q9的第二端是绝缘栅双极晶体管的发射极端子或金属-氧化物半导体场效应晶体管的源极端子。

进一步地，所述的电池模块为低压电池模块或电池单体，包括新生产的锂离子电池模块、铅酸电池模块、超级电容器模块、镍氢电池模块和退运电池。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明公开的基于谐振去磁的双向正激电池储能系统中，并网主功率变换器承担大部分的功率，控制电池单元的主电流，提高整机效率；隔离型正激变换器单元只对电池总电流的5％-20％进行独立控制，以适应不一致性，提高电池的能量利用率；原边经串联接入总电压，变比约为1，简化了变压器设计的复杂性，降低了设计生产成本。

2、同时，本发明公开的基于谐振去磁的双向正激电池储能系统中，仅利用隔离型正激变换器自身分部参数的特点完成去磁工作，省去了相对复杂的去磁设计，简化了电路结构的设计，同时能够降低对控制电路的50％占空比的要求，增加输入工作电压的范围。隔离型正激变换器单元与并网主功率变换器可同时工作，也可以分别工作，互不影响。

3、本发明公开的基于谐振去磁的双向正激电池储能系统可以适用于中低压、中大功率等级、对利用率要求很高的储能系统应用场合。

附图说明

图1是本发明公开的基于谐振去磁的双向正激电池储能系统的建设拓扑方案图；

图2是本发明公开的基于谐振去磁的双向正激电池储能系统的主电路图；

图3(a)是本发明中隔离型正激变换器单元的工作波形示意图1；

图3(b)是本发明中隔离型正激变换器单元的工作波形示意图2；

图3(c)是本发明中隔离型正激变换器单元的工作波形示意图3。

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。

实施例

图1给出了本实施例公开的基于谐振去磁的双向正激电池储能系统的建设拓扑方案图，如图1所示，本实施例公开的基于谐振去磁的电池储能系统的建设拓扑方案图包括：隔离型正激变换器单元、电池单元、并网主功率变换器以及三相交流电，通过并网主功率变换器和隔离型正激变换器单元对电池单体进行部分功率独立电流控制。

图2给出了本实施例公开的基于谐振去磁的电池储能系统的主电路图，如图2所示，该电池储能系统包括：

电池单元100，所述的电池单元包括串联的若干组电池模块110；

并网主功率变换器200，与所述的电池单元100并联，所述的并网主功率变换器200用于控制所述的电池单元100的主电流，且并网主功率变换器200接入三相交流电网，其中，主电流是指所有电池模块电流的相同部分；

以及隔离型正激变换器单元300，与电池模块110一一对应连接，用于对各组电池模块110的充放电电流与主电流的差值进行独立闭环控制，其中，充放电电流与主电流的差值优选为主电流的5％-20％，以适应不同电池模块之间存在的差异，使每个电池模块都能工作在最佳状态；电池模块中只有小部分电流通过各电池模块所对应的功率变换器的开关器件，减小器件电流应力和导通损耗、降低成本、实现提高电池模块的能量利用率。

通过并网主功率变换器200和隔离型正激变换器单元300分别对主电流和差异电流控制，从而实现对电池模块110充放电电流的独立控制，提高电池模块110的能量利用率。

其中，电池模块110可以是新生产的锂离子电池模块、铅酸电池模块、超级电容器或镍氢电池模块等，也可以是其他系统中的退运电池模块，以实现退运电池的梯次利用，充分发挥剩余电池的利用价值，有利于环境保护和资源节约。

如图1所述，并网主功率变换器200为传统储能并网逆变器结构，包括：

第一电容器210，与所述的电池单元100并联；以及

第一开关管q1至第六开关管q6，所述的第一开关管q1至所述的第六开关管q6的每个开关管分别反并联一个第一二极管220，第一开关管q1的第一端连接在第一电感器230的第一端，而第一开关管q1的第二端连接在电池单元100的正极；第二开关管q2的第二端连接在第一电感器230的第一端，而第二开关管q2的第一端连接在电池单元100的负极；第三开关管q3的第一端连接在第二电感器240的第一端，而第三开关管q3的第二端连接在电池单元100的正极；第四开关管q4的第二端连接在第二电感器240的第一端，而第四开关管q4的第二端连接在电池单元100的负极；第五开关管q5的第一端连接在第三电感器250的第一端，而第五开关管q5的第二端连接在电池单元100的正极；第六开关管q6的第二端连接在第三电感器250的第一端，而第六开关管q6的第一端连接在电池单元100的负极，第一电感器230、第二电感器240和第三电感器250的第二端分别接入三相交流电网的一相ua、ub、uc。

第一开关管q1至第六开关管q6可以是绝缘栅双极晶体管(igbt，insulatedgatebipolartransistor)也可以是金属-氧化物半导体场效应晶体管(mosfet，metal-oxide-semiconductorfieldeffecttransistor)，可根据应用场合的不同电压等级选用合适的开关管。优选igbt，第一开关管q1至第六开关管q6的第一端是igbt的发射集端子，第一开关管q1至第六开关管q6的第二端是igbt的集电极端子。

并网主功率变换器200通过矢量控制对主电流进行控制，所述的矢量控制包括正弦脉宽调制(spwm)和空间矢量脉宽调制(svpwm)中的一种。

本实施例中的隔离型正激变换器单元300采用正激电路结构，利用自身分布参数完成正激电路的去磁要求，实现双向控制。隔离型正激变换器单元300利用多个原边变换器串联的形式接入并网主功率变换器200的直流侧电压，原边绕组与副边绕组的变比约为1，简化了变压器设计的复杂性。隔离型正激变换器单元300通过引入pwm控制策略对各电池模块的充放电电流与主电流的差值进行独立闭环控制，其中，pwm控制开关管的占空比产生的方式包括电压型和(峰值)电流中的一种。

隔离型正激变换器单元300包括：

多个高频隔离变压器，所述的高频隔离变压器包括一个初级绕组w1和一个次级绕组w2；

多个原边变换器320，与所述的初级绕组w1连接，且所述的原边变换器320采用串联形式连接；以及

多个副边变换器330，与所述的次级绕w2和每组电池模块110对应连接，实现对各组电池模块110的充放电电流与主电流的差值的独立闭环控制。

在电池单元100的主电流基础上，各组电池模块110充放电电流与主电流之间的差异电流有正有负，所以隔离型正激变换器单元300优选为双向隔离dc-dc变换器。

如图2所示，双向隔离dc-dc变换器是双向隔离型正激变换器，原边变换器320包括第七开关管q7，所述的第七开关管q7反并联一个第一二极管220，所述的第七开关管q7的第一端连接在初级绕组w1的第二端子，所述的第七开关管q7的第二端连接在下一个隔离型正激变换器单元的原边电容器的一端；

第一等效电容321，所述的第一等效电容321与所述的第七开关管q7并联，所述的第一等效电容311包括第七开关管q7的漏-源极结电容和并联在其两端的外电容之和，以及

第二电容器322，所述的第二电容器322的连接在电池单元100的正极和下一隔离型正激变换器单元的原边电容器的一端。

第七开关管q7可以是绝缘栅双极晶体管(igbt，insulatedgatebipolartransistor)也可以是金属-氧化物半导体场效应晶体管(mosfet，metal-oxide-semiconductorfieldeffecttransistor)，可根据应用场合的不同电压等级和所需的开关频率选用合适的开关管。优选mosfet，第七开关管q7的第一端是mosfet的漏极端子，第七开关管q7的第二端是mosfet的源极端子。

如图2所示，所述的副边变换器330包括：

第三电容器334，与电池模块110并联；

第八开关管q8和第九开关管q9，所述的第八开关管q8和所述的第九开关管q9分别反并联一个第一二极管220，所述的第八开关管q8的第一端连接在次级绕组w2的第二端子，所述的第八开关管q8的第二端通过第三电容器334连接在电池模块110的负极，所述的第九开关管q9的第一端连接在第四电感器333的一端，所述的第九开关管q9的第二端连接在次级绕组w2的第一端子和电池模块110的负极，所述的第四电感器333的另一端连接在电池模块110的正极，以及

第二等效电容331和第三等效电容332，所述的第二等效电容331与第八开关管并联，所述的第二等效电容331包括第八开关管q8的漏-源极结电容和并联在其两端的外电容之和，所述的第三等效电容332与第九开关管q9并联，所述的第三等效电容332包括第九开关管q9的漏-源极结电容和并联在其两端的外电容之和。

第八开关管q8和第九开关管q9可以是绝缘栅双极晶体管(igbt，insulatedgatebipolartransistor)也可以是金属-氧化物半导体场效应晶体管(mosfet，metal-oxide-semiconductorfieldeffecttransistor)，可根据应用场合的不同电压等级和所需的开关频率选用合适的开关管。优选mosfet，第八开关管q8和第九开关管q9的第一端是mosfet的漏极端子，第八开关管q8和第九开关管q9的第二端是mosfet的源极端子。

隔离型正激变换器单元300的直流侧可以直接并接在如前所述的电池储能系统内部电池单元100的两端，也可以接入其他外加直流电源的两端。

以下以双向隔离型正激变换器pwm控制为例，结合图2和图3详细说明本发明中公开的基于谐振去磁的双向电池储能系统的具体控制过程。

如图2所示，并网主功率变换器通过三相并网控制策略，可得在要求的功率等级以及电压等级条件下的主电流im1。

当串联的电池模块处于充电状态时，如图3所示，正激变换器工作过程如下，图3(a)在t1阶段，第七开关管q7受控导通，原边绕组磁化电流imag为线性变化，由于极性关系，dr导通，df截止，第一等效电容与第二等效电容的端电压近似为0，能量由原边变换器向副边变换器传递

其中，i1为初级绕组t0时刻的磁化电流，i2为初级绕组t1阶段结束时刻的磁化电流，vin为隔离型正激变换器原边的直流侧输入电压，lm为初级绕组的等效电感，ton为第七开关管导通的时间。

如图3(b)所示，正激变换器工作在t2阶段，在此阶段的开始，第七开关管q7受控制信号的作用截止，其漏-源极电压v220开始迅速上升，当v220超过原边的直流侧输入电压vin之后，次级绕组的极型反转，dr截止，df导通，此时初级绕组的等效电感lm与高频隔离变压器的等效电容cr形成一个并联谐振，实现完全去磁，且t2为完整谐振周期的1/2，其中

如图3(c)所示，正激变换器工作在t3阶段，第七开关管q7仍保持截止，该时间段开始时，初级绕组w1和次级绕组w2的端电压均为0，高频隔离变压器的等效电容cr的端电压也被钳位为0，谐振结束，此时只存在稳定的隔离型正激变换器原边的直流侧输入电压vin。在系统处于稳定工作状态时，且保证每个开关周期都能够完全进行去磁的条件下，磁化电流i1也等于下一个开关周期开始时的i1，即

当电池处于放电状态时，能量从副边绕组转换到原边绕组，反馈给电网，正激变换器工作过程与上述分析方法类似，保证了电池模块能量的双向控制。

如图2所示，假设pdi(i＝1,2,…,n)为第i个电池单体的部分功率控制，即差异电流所对应的功率，p∑s为n个电池单体的总差异功率之和。根据隔离型反激变换器的输出功率可知每个电池的差异功率为：

pd1＝vd1id1

pd2＝vd2id2

……

pdn＝vdnidn

其中：d＝ton/(ton+toff)

式中，vd1、vd2、…、vdn为n个电池单体的电压，id1、id2、…、idn为主电流和每个模块的充放电电流之间的差异电流，一般取差异电流为主电流的5％-20％，l2为次级绕的电感值，t为一个开关周期，f为开关管频率，d为开关管一个周期内的占空比。

如图2所示，规范我们所选的电池单体的电压差异不大，即可假设vd1＝vd2＝…＝vdn，考虑理想情况下，隔离型正激变换器单元在能量传输过程中的损耗可以忽略不计。根据功率守恒可知，原边变换器的功率pp等于副边变换器差异功率之和，则有：

pp＝p∑s＝pd1+pd2+…+pdn

＝vd1id1+vd2id2+…+vdnidn

＝vd1(id1+id2+…+idn)

vdp为隔离型正激变换器单元的直流侧电压，等于所有电池单元电压，则隔离型正激变换器单元直流侧电流idp为：

由此可知，通过合理优化控制使电池单元的主电流im为所有电池电流的平均电流，则id1、id2、…、idn等差异电流有正有负，正负抵消后使差异电流和为0，可得

由于idp为0，总控制功率小，绝对损耗小，成本也随之降低。

综上所述，该部分功率独立控制的电池储能系统通过给定合理的控制电流，可以实现电池储能系统隔离型正激变换器单元变换器的控制功率大大降低，绝对损耗降低，提高了电池的能量利用率。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。