储能功率模块以及储能系统的制作方法

1.本发明涉及电力系统储能领域，尤其涉及一种储能功率模块以及储能系统。


背景技术：

2.目前有研究提出采用模块化多电平功率模块方案的储能系统，通过多个模块输出电压可控的叠加形成所需要的交流电压波形。模块化多电平功率模块采用两电平或三电平大容量的变流器实现交流电网对电池系统的充电或或电池向交流电网的放电，目前的研究为了达到相应的谐波含量标准，往往通过提高开关频率来实现，开关频率比较大，导致变流器的开关损耗比较大，并且，最终的充放电电流依旧存在比较大的纹波，对于电池的寿命存在较大的影响，因此，目前采用的模块化多电平功率模块的储能方案，存在开关损耗大、电池寿命较短等问题。


技术实现要素：

3.基于上述现状，本技术的主要目的在于提供一种储能功率模块以及储能系统，在储能电池组充放电时，采用多相的dc-dc直流变换器对充放电电流进行直流转换，可以有效减少直流电流的纹波，提高电池寿命，同时降低开关频率，减少储能系统能量转换的损耗。
4.为实现上述目的，本技术实施例采用的技术方案如下：
5.一种储能功率模块，用于以级联的方式连接以形成储能系统，所述储能功率模块包括功率转换电路和储能单元；
6.所述功率转换电路的一侧为级联侧，用于级联以便与交流电网连接，另一侧为储能侧，与所述储能单元连接，用于向所述储能单元提供电能或者接收所述储能单元释放的电能；
7.所述功率转换电路包括桥式变流单元以及dc-dc单元，其中：
8.所述桥式变流单元包括主要由多个开关管形成的桥式变流器以及与所述桥式变流器的第二侧连接的储能电容，所述桥式变流器的第一侧为所述级联侧，所述桥式变流器的第二侧为直流侧；
9.所述dc-dc单元包括n个并联的dc-dc支路，n为不小于2的整数，每个dc-dc支路的工作相位依次相差360
°
/n，每个dc-dc支路包括主要由多个开关管以及第一电感形成的半桥变换器，所述dc-dc单元具有第一直流侧和第二直流侧，所述第一直流侧与所述桥式变流单元的直流侧连接，所述第二直流侧与所述储能单元的正极、负极连接。
10.可选地，所述储能功率模块还包括控制单元，所述控制单元与所述桥式变流单元、所述dc-dc单元以及所述储能单元电连接，用于监测所述储能电容的电压信息以及所述储能单元的储能信息，并向所述桥式变流单元和所述dc-dc单元的各个开关管发送控制信号。
11.可选地，所述控制单元能够向所述dc-dc单元中每个dc-dc支路的开关管发送对应的pwm控制信号控制每个开关管的导通和关断，以使所述功率转换电路在向所述储能单元提供电能或者接收所述储能单元释放的电能时，每个dc-dc支路中的电流的相位依次相差
360
°
/n。
12.可选地，所述桥式变流器为单相全桥变换器，包括4个开关管，分别为第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，其中：
13.所述第一开关管的源极与所述第三开关管漏极连接后，引出所述桥式变流器的第一端；
14.所述第二开关管的源极与所述第四开关管漏极连接后，引出所述桥式变流器的第二端，所述桥式变流器的第一端以及第二端形成所述桥式变流器的第一侧；
15.所述第一开关管的漏极、第二开关管的漏极与所述储能电容的正极连接后，引出所述桥式变流器的第三端；
16.所述第三开关管的源极、第四开关管的源极与所述储能电容的负极连接后，引出所述桥式变流器的第四端，所述桥式变流器的第三端与第四端形成所述桥式变流器的第二侧。
17.可选地，所述桥式变流器为单相半桥变换器，包括2个开关管，分别为第五开关管以及第六开关管，其中：
18.所述第五开关管的源极与所述第六开关管漏极连接后，引出所述桥式变流单元的第一端；
19.所述第六开关管的源极与所述储能电容的负极连接后，引出所述桥式变流单元的第二端，所述桥式变流单元的第一端以及第二端形成所述桥式变流单元的第一侧；
20.所述第五开关管的漏极与所述储能电容的正极连接后，引出所述桥式变流单元的第三端，所述桥式变流单元的第三端与第二端形成所述桥式变流单元的第二侧。
21.可选地，每个所述半桥变换器中的多个开关管为第七开关管和第八开关管，其中：
22.各所述第七开关管的漏极引出的一端形成所述dc-dc单元的第一端，各所述第八开关管的源极引出的一端形成所述dc-dc单元的第二端；
23.每个半桥变换器中的所述第七开关管的源极、所述第八开关管的漏极以及第一电感的一端连接，各所述第一电感的另一端形成所述dc-dc单元的第三端；
24.所述dc-dc单元的第一端和第二端形成所述dc-dc单元的第一直流侧，第二端和第三端形成所述dc-dc单元的第二直流侧。
25.可选地，所述半桥变换器中多个开关管为第七开关管和第八开关管，其中：
26.每个半桥变换器中的第七开关管的源极、第八开关管的漏极以及第一电感的一端连接，各所述第一电感的另一端引出所述dc-dc单元的第一端；
27.各所述第七开关管的漏极引出的一端形成所述dc-dc单元的第三端，各所述第八开关管的源极引出的一端形成所述dc-dc单元的第二端；
28.所述dc-dc单元的第一端和第二端形成所述dc-dc单元的第一直流侧，第二端和第三端形成所述dc-dc单元的第二直流侧。
29.可选地，所述dc-dc单元还包括滤波电路，所述滤波电路与所述n个并联的dc-dc支路串联，连接在各所述第一电感的另一端引出的一端与所述储能电容的正极之间，所述滤波电路与所述储能电容正极相连的一端形成所述dc-dc单元的第一端。
30.可选地，所述dc-dc单元还包括滤波电路，所述滤波电路与所述n个并联的dc-dc支路串联，连接在各所述第一电感的另一端引出的一端与所述储能单元之间，所述滤波电路
与所述储能单元正极相连的一端形成所述dc-dc单元的第三端。
31.可选地，所述第七开关管和所述第八开关管的通断通过控制信号进行控制，其中，当向所述储能单元提供电能时，所述第七开关管和所述第八开关管均交替地导通和关断，并且，当所述第七开关管导通时，所述第八开关管关断，当所述第七开关管关断时，所述第八开关管导通；
32.当所述储能单元释放电能时，所述第七开关管和所述第八开关管均交替地导通和关断，并且，当所述第七开关管导通时，所述第八开关管关断，当所述第七开关管关断时，所述第八开关管导通。
33.可选地，所述第七开关管和所述第八开关管的通断通过控制信号进行控制，其中，当向所述储能单元提供电能时，所述第七开关管交替地导通和关断，所述第八开关管保持关断；
34.当所述储能单元释放电能时，所述第七开关管和所述第八开关管均交替地导通和关断，并且，当所述第七开关管导通时，所述第八开关管关断，当所述第七开关管关断时，所述第八开关管导通。
35.可选地，所述开关管为mos管。
36.一种储能系统，包括多个如前所述的储能功率模块以及一个或多个电抗器，级联后的两端形成电网连接端，多个所述储能功率模块的级联侧顺次进行级联形成一个或多个桥臂，所述一个或多个桥臂的两端连接所述储能系统的电网连接端，其中，每个桥臂内至少一部分储能功率模块的级联侧之间和/或该桥臂的两端中的至少一者与所述电网连接端之间串接有至少一个电抗器。
37.可选地，当所述桥式变流器为单相全桥变换器时，所述电网连接端为交流电网连接端，多个所述储能功率模块的级联方式为：
38.各所述储能功率模块的级联侧顺次连接进行级联以形成一个桥臂，第一个储能功率模块中桥式变流器的第一端形成所述桥臂的第一端，最后一个储能功率模块中桥式变流器的第二端形成所述桥臂的第二端，所述桥臂的第一端和第二端分别连接所述交流电网连接端。
39.可选地，当所述桥式变流器为单相半桥变换器时，所述电网连接端包括直流电网连接端和交流电网连接端，所述储能系统还包括直流电网连接端，多个所述储能功率模块的级联方式为：
40.多个所述储能功率模块级联形成两个级联桥臂，分别为上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂中包含数量相同的储能功率模块，其中：
41.上桥臂中，各所述储能功率模块的级联侧顺次连接进行级联，第一个储能功率模块中桥式变流器的第一端形成所述上桥臂的第一端，所述上桥臂的第一端连接直流电网连接端的电压正极端，最后一个储能功率模块中桥式变流器的第二端形成所述上桥臂的第二端；
42.下桥臂中，各所述储能功率模块级联侧顺次连接进行级联，第一个储能功率模块中桥式变流器的第一端形成所述下桥臂的第一端，最后一个储能功率模块中桥式变流器的第二端形成所述下桥臂的第二端，所述下桥臂的第二端连接直流电网连接端的电压负极端；
43.所述上桥臂的第二端与所述下桥臂的第一端相连形成第一连接点，所述交流电网连接端的一个端与所述第一连接点相连，所述交流电网连接端的另一个端与所述储能系统内的中性点相连。
44.一种储能系统，包括多电平转换器、多个电抗器、电压电流监测器以及控制器，所述多电平转换器包括三相电路，每相电路包括多个如前所述的储能功率模块以及一个或多个电抗器；
45.所述电压电流监测器用于监测三相电路的工作电电流以及电压；
46.所述控制器能够与每个所述储能功率模块通过通信接口通信，以控制每个所述储能功率模块的工作状态；
47.每相电路中，多个所述储能功率模块的级联侧顺次进行级联形成一个或多个桥臂，所述一个或多个桥臂的两端连接所述储能系统的电网连接端，其中，每个桥臂内至少一部分储能功率模块的级联侧之间和/或该桥臂的两端中的至少一者与所述电网连接端之间串接有至少一个电抗器。
48.可选地，当所述桥式变流器为单相全桥变换器时，所述电网连接端为交流电网连接端，每相电路中，多个所述储能功率模块的级联方式为：
49.各所述储能功率模块的级联侧顺次连接进行级联以形成一个桥臂，第一个储能功率模块中桥式变流器的第一端形成所述桥臂的第一端，最后一个储能功率模块中桥式变流器的第二端形成所述桥臂的第二端，所述桥臂的第一端和第二端分别连接所述交流电网连接端。
50.可选地，当所述桥式变流器为单相半桥变换器时，所述电网连接端包括直流电网连接端和交流电网连接端，所述交流电网连接端包括三个相电路连接点；
51.每相电路中，多个所述储能功率模块的级联方式为：
52.多个所述储能功率模块级联形成两个级联桥臂，分别为上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂中包含数量相同的储能功率模块，其中：
53.上桥臂中，各所述储能功率模块的级联侧顺次连接进行级联，第一个储能功率模块中桥式变流器的第一端形成所述上桥臂的第一端，所述上桥臂的第一端连接直流电网连接端的电压正极端，最后一个储能功率模块中桥式变流器的第二端形成所述上桥臂的第二端；
54.下桥臂中，各所述储能功率模块级联侧顺次连接进行级联，第一个储能功率模块中桥式变流器的第一端形成所述下桥臂的第一端，最后一个储能功率模块中桥式变流器的第二端形成所述下桥臂的第二端，所述下桥臂的第二端连接直流电网连接端的电压负极端；
55.所述上桥臂的第二端与所述下桥臂的第一端相连形成第二连接点；
56.其中，每相电路的第二连接点分别连接所述交流电网连接端中的一个相电路连接点。
57.有益效果：
58.本技术实施例采用的储能功率模块以及储能系统，储能功率模块通过级联的方式连接形成储能系统，储能功率模块包括功率转换电路和储能单元，功率转换电路包括桥式变流单元以及包括多个并联dc-dc支路的dc-dc单元，功率转换电路的一侧为级联侧，用于
级联以便与交流电网连接，另一侧为直流侧，与储能单元连接，用于向储能单元提供电能或者接收所述储能单元释放的电能。桥式变流单元中采用储能电容先储存电能，再由桥式变流单元输出稳定的直流电压，可以保证储能单元充电时直流电压的稳定，减少由交流电网直接整流后交流电网所带纹波对电池产生的不利影响；同时，dc-dc单元控制储能单元充放电时，通过控制各支路上的电流相位的控制，可以有效减少储能单元充放电电流的直流纹波，以提高电池寿命。多支路的设计可以有效降低每个开关管的开关频率，一定程度上降低开关损耗，减少储能系统能量转换的。
59.本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。
附图说明
60.以下将参照附图对根据本发明的优选实施方式进行描述。图中：
61.图1所示是本技术一实施方式中储能功率模块的结构示意图；
62.图2所示是本技术一实施方式中储能功率模块的电路结构示意图；
63.图3所示是本技术一具体实施场景中储能单元充电多个dc-dc支路第七开关管以及电流时序示意图；
64.图4所示是本技术一具体实施场景中储能单元放电时单个dc-dc支路中各个开关管以及电流时序示意图；
65.图5所示是本技术一实施方式中桥式变流单元的替代方案的电路结构示意图；
66.图6所示是本技术一实施方式中dc-dc单元的电路结构示意图；
67.图7所示是本技术一实施方式中dc-dc单元的另一电路结构示意图；
68.图8所示是本技术一实施方式中储能功率模块一总体结构示意图；
69.图9所示是本技术一实施方式中桥式变流单元中桥式变流器采用全桥结构时的储能系统的总体结构示意图；
70.图10所示是本技术一实施方式中桥式变流单元中桥式变流器采用半桥结构时的储能系统的总体结构示意图。
具体实施方式
71.为了对本技术的技术方案进行更详细的说明，以促进对本技术的进一步理解，下面结合附图描述本技术的具体实施方式。但应当理解，所有示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的唯一限定。
72.本技术中，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅仅用于描述目的，并不能理解为指示或暗示相对重要性。
73.请参考图1，在本技术中，储能功率模块包括功率转换电路和储能单元30，功率转换电路包括桥式变流单元10以及dc-dc单元20。功率转换电路一侧为级联侧，用于级联以便与交流电网连接，即通过桥式变流单元10的第一端h1以及第二端h2级联以便与交流电网(图中未示出)连接。功率转换电路的另一侧为储能侧，通过dc-dc单元20的第二端d2以及第三端d3与储能单元30连接，用于向储能单元30提供电能或者接收储能单元30释放的电能。
例如，在用电低谷期，交流电网电能剩余时，功率转换电路可以对储能单元进行充电以向储能单元提供电能，从而将部分电网电能转换为储能单元中的电能，而在用电高峰期或者外部电网中断供电时，功率转换电路可以接收储能单元释放的电能，转换至交流电网中，以对电网电能进行补偿。
74.多个储能功率模块以级联的方式连接以形成储能系统，将电网电能转换为各个储能单元中的电能，或接收各个储能单元释放的电能以补偿电网电能，其中，级联包括多个储能功率模块级联侧的两个端点之间，以手拉手的方式实现串联，串联后构成单相系统，或者，多个储能功率模块手拉手串联后构成一相电路，多相电路再形成一个多相系统，例如，三相系统。可以理解，级联后的单相系统或多相系统在接入电网前，通常都需要经过至少一个电抗器(例如，电感)。
75.同时参考图2，在本技术中，桥式变流单元10包括桥式变流器和储能电容c1。桥式变流器主要由多个开关管(例如q1-q4)组成。桥式变流器的第一侧为桥式变流单元10的级联侧，如图1和图2中所述的第一端h1以及第二端h2，用于通过级联的方式形成储能系统并接入所述交流电网。桥式变流器的第二侧连接储能电容c1的两端，该第二侧为桥式变流单元10的直流侧，如图1和2中所述的第三端h3以及第四端h4，该直流侧与dc-dc单元20的第一直流侧连接。
76.dc-dc单元20包括n个并联dc-dc支路，每个dc-dc支路电路结构相同，在工作时，每个支路的工作相位依次相差360
°
/n。此处，工作相位依次相差360
°
/n是指每个支路在工作时，支路上的电流相位依次相差360
°
/n。示例性的，以具有4个支路为例，则每个支路的电流相位比上一个支路的电流相位延迟90
°
，因此，第2、3、4路dc-dc支路相比第1路dc-dc支路的电流相位分别延迟90
°
、180
°
、270
°
。本实施例中，dc-dc支路的数量至少为2个，n为不小于2的整数。
77.本实施例中，每个dc-dc支路主要包括由多个开关管(例如q7n、q8n，n＝1,2,3
……
)以及第一电感l1n(n＝1,2,3
……
)形成的半桥变换器。。dc-dc单元20具有第一直流侧和第二直流侧，第一直流侧如图1、2中所示的第一端d1以及第二端d2，与桥式变流单元10的第二侧连接，第二直流侧如图1和2中所示的第二端d2以及第三端d3，与储能单元30的正极、负极连接。dc-dc单元20用于对桥式变流单元10和储能单元3之间进行电压适配，以及将桥式变流单元10与储能单元30之间的的电流纹波进行滤波，多个dc-dc支路相位上的差异，使得多支路合并后的直流电流相比于单支路时的直流电流，直流纹波更小。同时，多个支路的存在，可以无需通过开关频率的不断增大来减少纹波，这样使得每个支路中的开关频率可以更小，一定程度上降低开关损耗，减少储能系统整体损耗，提高能量转换效率。
78.上述实施例中，桥式变流单元中采用储能电容先储存电能，再由桥式变流单元输出稳定的直流电压，可以保证储能单元充电时直流电压的稳定，减少由交流电网直接整流后交流电网所带纹波对电池产生的不利影响；同时，dc-dc单元控制储能单元充放电时，通过控制各支路上的电流相位的控制，可以有效减少储能单元充放电电流的直流纹波，以提高电池寿命。多支路的设计可以有效降低每个开关管的开关频率，一定程度上降低开关损耗，减少储能系统能量转换的损耗。
79.优选地，在一优选实施例中，桥式变流单元10以及dc-dc单元20中各开关管优选为mos管。
80.在现有技术中，模块化多电平功率模块均采用高电压大电流的功率器件，例如igbt、igct、gto等功率器件，大功率功率器件存在导通电压高，导通损耗大的问题，这样导致每个储能功率模块所连接的电池组仍然需要采用多个串并回路组成的大容量电池组，电池组规模依旧很大，模块化级联仍然无法解决有电池组规模太大所带来的电池安全性问题。在本实施例中，开关管均采用低电压、低导通电阻的mos器件，对于导通电压要求非常低，可以缩减储能单元中电池组的规模，同时，导通损耗小，可以进一步就降低开关损耗，进而降低储能系统整体损耗，提高能量的转换效率。
81.在本实施例中，储能单元30由多个可充电电池串联组成。
82.在本技术中，由于选用了采用低电压、低导通电阻的mos器件作为开关管，因此，对储能电池组不再要求达到高电压大电流，储能单元30的规模，相比于现有采用igbt功率器件的储能方案，规模明显缩减，并且可以从储能系统中隔离，安全性问题得到明显改善。示例性的，串联的可充电电池的电池数目为12，电池组电压为36v*100ah，mosfet器件选为耐压60v，导通电阻1毫欧，100a时其导通电压只有0.2v，对于由功率转换电路和储能单元30组成的每个储能功率模块来说，导通压降仅有0.55％，导通损耗非常低。
83.后续描述中，开关管均以mos管为例进行说明，但不代表开关管仅可以为mos管，开关管也可以为igbt、igct、gto等功率器件。继续参考图2，所示是本技术一实施例中储能功率模块的电路结构示意图。在本实施例中，示例性的，如图2所示，桥式变流器为单相全桥变换器，包括4个mos管q1-q4。单相全桥变换器由两个桥臂并联形成，每个桥臂均由两个mos管串联组成，储能电容c1连接在单相全桥变换器的第二侧。如图中所示，第一mos管q1的源极与第二mos管q3漏极连接后，引出桥式变流单元10的第一端h1，第二mos管q2的源极与第四mos管q4漏极连接后，引出桥式变流单元10的第二端h2，第一端h1以及第二端h2形成桥式变换器的第一侧。第一mos管q1的漏极、第三mos管q3的漏极与储能电容c1的正极连接后，引出桥式变流单元10的第三端h3，第三mos管q3的源极、第四mos管q4的源极与储能电容c1的负极连接后，引出桥式变流单元10的h4，第三端h3与第四端h4形成桥式变流单元10的第二侧，该第二侧也即桥式变流单元10的直流侧，两端电压为储能电容c1两端电压。
84.继续参考图2，在本实施例中，dc-dc单元20中，每个支路的半桥变换器的多个mos管例如为第七mos管q7n、第八mos管q8n，2个mos管q7n、q8n串联形成一个桥臂，如图2所示，图中示出了两个dc-dc支路，分别为半桥变换器201以及半桥变换器202，各个第七mos管q7n的漏极引出的一端形成dc-dc单元的第一端d1，各个第八mos管q8n的源极引出的一端形成dc-dc单元20的第二端d2；每个半桥变换器中的第七mos管q7n的源极、第八mos管q8n的漏极以及第一电感l1n的一端连接，各第一电感l1n的另一端引出的一端形成dc-dc单元20的第三端d3。本实施例中，各个dc-dc支路中的半桥变换器都可以实现降压型的dc-dc电压转换(对于储能单元30充电过程而言)。
85.本实施例中，dc-dc单元20的第一端d1和第二端d2形成dc-dc单元20的第一直流侧，与桥式变流单元10的直流侧第三端h3与第四端h4连接，dc-dc单元20的第二端d2和第三端d3形成dc-dc单元20的第二直流侧，与储能单元30的正、负极连接。对于降压型dc-dc单元而言，由于第二直流侧的电压低于第一直流侧的电压，因而可以适用于储能单元30中电池组规模更小的场合，从而在用于储能系统时，可以提供更高的控制精度和更为多样化的工作能力。
86.在一实施例中，每个支路中，第七开关管q7n和第八开关管q8n的通断通过控制信号进行控制。当向储能单元30提供电能时，第七开关管q7n和第八开关管q8n均交替地导通和关断，并且，第七开关管q7n导通时，第八开关管q8n关断，当第七开关管q7n关断时，第八开关管q8n导通。也即，同一个dc-dc支路中，第七开关管q7n和第八开关管q8n通过反相的pwm信号控制通断。
87.当储能单元30释放电能时，第七开关管q7n和第八开关管q8n均交替地导通和关断，并且，当第七开关管q7n导通时，第八开关管q8n关断，当第七开关管q7n关断时，第八开关管q8n导通。
88.在另一实施例中，每个支路中，第七开关管q7n和第八开关管q8n的通断通过控制信号进行控制。当向储能单元30提供电能时，第七开关管q7n交替地导通和关断，第八开关管q8n保持关断。
89.当储能单元30释放电能时，第七开关管q7n和第八开关管q8n的通断通过控制信号进行控制，并且，当第七开关管q7n导通时，第八开关管q8n关断，当第七开关管q7n关断时，第八开关管q8n导通。需要说明的时，在本实施例的控制方式中，当第七开关管q7n处于关断的状态时，此时，第一电感l1n中的电流可以通过第八开关管q8n中的体二极管进行续流，因此，此时，第一电感l1n、第八开关管q8n以及储能单元30之间依旧可以形成回路。
90.以下以图2所示电路为例，描述功率转换模块中各部分的工作原理。
91.本技术中，桥式变流单元10中储能电容c1的充放电管理由桥式变流器管理，储能单元30的充放电管理由dc-dc单元20管理，储能电容c1的充放电和储能单元3的充放电是彼此独立的。
92.储能电容c1的充电：本技术中，储能电容c1的充电主要是指交流电网通过储能功率模块的级联侧对电容充电。交流电网的输入电流为正弦电流，当桥式变流单元10的第一端h1以及第二端h2输入为正弦电流的正半波时，控制q1和q4导通，此时电容两端进行充电，或当桥式变流单元10的第一端h1以及第二端h2输入为正弦电流的负半波时，控制q2和q3导通，此时电容两端也是在充电状态。充电过程中，储能电容c1的充电电流为脉动式的充电电流，储能电容c1的存在使得c1两端的电压相对稳定。在后续对储能单元30进行充电(由dc-dc单元20控制)时，桥式变流单元10的直流侧可以为储能单元提供相对稳定的直流输出为储能单元30充电。
93.可以理解的，由于储能系统与交流电网之间可能同时存在有功和无功交换的特殊性，在整个交流电网对储能电容的充电过程中，储能电容也存在放电的暂态过程，但宏观上是交流电网对储能电容进行了充电，即储能电容中存储了电能。
94.在本实施例中，以储能电容作为交流电网和储能单元30之间能量转换的中转站，可以将电网输入的纹波较大的脉动电流，转化为纹波较小的直流电压，维持桥式变流单元10输出的直流电压处于相对稳定的状态，以在对储能单元30进行充电时减少纹波，减少对储能单元30的损害。
95.储能单元30的充电：本技术中，储能单元30的充电是由储能电容侧进行的。以下以同一个dc-dc支路中，第七开关管q7n和第八开关管q8n通过反相的pwm信号控制通断为例进行说明。当需要对储能单元30充电时，在每个支路中，以反相的pwm信号控制分别控制第七mos管q7n以及第八mos管q8n的导通，同时，各个支路对应mos管(例如，第1支路中的第七mos
管q71对应第2支路中的第七mos管q72)中的pwm信号依次相差360
°
/n。在对于每个dc-dc支路，每个开关周期中，先关断第八mos管q8n，再导通第七mos管q7n中导通，然后关断第七mos管q7n后，再导通第八mos管q8n。如此，每个dc-dc支路同时输出电流，并且输出的电流相位相差360
°
/n。桥式变流单元10的直流侧输出的脉动直流电流，经多个dc-dc支路进行直流变换后，多个相位相差360
°
/n的支路电流合并为充电电流，给储能单元30充电，此时，该充电电流的纹波相比于单个支路的充电电流，纹波更小。示例性的，在一具体实施场景中，假设确定的mos管开关频率为k，dc-dc单元20中有4个支路，则各个支路中的充电电流以及每个支路中第七mos管q7n的控制信号如图3所示(每个支路的第八mos管q8n的控制信号与第七mos管q7n反相)，4个支路的充电电流合并为储能单元30处的充电电流如图4所示的，近似为带有微小三角纹波的直流电流，储能单元30处的充电电流相比于每个支路的类三角波直流电路，纹波明显更小。
96.储能单元的放电：本技术中，储能单元30放电时，是通过对储能电容c1充电实现的，最终由储能电容c1将电能释放到交流电网侧。以下以同一个dc-dc支路中，第七开关管q7n和第八开关管q8n通过反相的pwm信号控制通断进行说明。在每个支路中，以反相的pwm信号控制分别控制第七mos管q7n以及第八mos管q8n的导通，同时，各个支路对应mos管(例如，第1支路中的第七mos管q71对应第2支路中的第七mos管q72)中的pwm信号依次相差360
°
/n。当对于每个支路，在一个开关周期内，先控制第八mos管q8n导通，第七mos管q7n关闭，此时，储能单元30输出的充电电流流过每个支路的第一电感l1n，能量存储在第一电感l1n中，再控制第七mos管q7n导通，第八mos管q8n关闭，此时，第一电感l1n通过q7n给储能电容c1充电，在下一个开关周期中，继续上述过程。最终，储能电容c1两端的电压维持在一个基本稳定的值。可以理解，当通过储能单元30为交流电网输送电压时，通过桥式变流器中开关管的控制，桥式变流单元10的第一端h1以及第二端h2的输出电压可以为u、-u、或0。在储能单元30的放电过程中，每个dc-dc支路的工作相位依旧保持360
°
/n的相位差，最终，通过多个支路的叠加，可以使储能单元的充电电流纹波更小，叠加的原理与储能单元30充电时类似，此处不再详细描述。示例性的，在一具体实施场景中，假设确定的mos管开关频率为k，储能单元30输入至dc-dc单元20中第1个支路的放电电流以及q71、q81的控制信号如图4所示，每个dc-dc支路的放电电流均为类三角波直流电流，经过工作相位相差360
°
/n的多个支路的放电电流的叠加，最终，储能单元30输出的放电电流与充电电流类似，均近似为带三角纹波的直流电流。
97.可以理解，通过控制每个dc-dc支路中开关管的开关频率，可以进一步控制储能单元30的充放电电流，开关频率越大，则经过多支路dc-dc处理后的充放电电流的纹波越小。
98.在本实施例中，通过dc-dc单元20中每个支路中开关管导通时间的的配合，使不同支路工作时保持一定的相位差，可以明显减少储能单元30充放电时的直流电流的纹波，减少电池发热，减少电池内阻与纹波叠加产生电压，避免损伤储能单元中的电池。
99.储能单元的旁路：本技术中，当多个储能功率模块级联后应用到储能系统中时，可以通过控制桥式变流单元10中mos管的导通状态，使任意一个或多个储能功率模块从储能系统中旁路，与系统中的其他储能功率模块隔离，每个储能功率模块相对独立，互不影响。示例性的，仍以图2为例，当某个储能功率模块处于故障时，控制第三mos管q3、第四mos管q4导通，此时，桥式变流单元10的第一端h1和第二端h2之间直接经由控制第三mos管q3、第四
mos管q4导通，储能电容c1、dc-dc单元20以及储能单元30都被旁路，此时储能功率模块整体上处于旁路状态，不再参与储能和释放电能。
100.请参考图5，在本技术一可选实施方式中，桥式变流单元中的桥式变换器可以采用单相半桥变换器，如图所示，单相半桥变换器包括2个mos管，即第五mos管q5、第六mos管q6，两个mos管q5、q6形成一个桥臂，储能电容c1连接在单相半桥变换器的第二侧。第五mos管q5的源极与第六mos管q6的漏极连接后，引出桥式变流单元10的第一端h1，第五mos管q5的源极与储能电容c1的负极连接后，引出桥式变流单元10的第二端h2，第一端h1以及第二端h2形成桥式变换器的第一侧。第五mos管q5的漏极与储能电容c1的正极连接后，引出桥式变流单元10的第三端h3，桥式变流单元的第三端h3与第四端h4形成桥式变换器的第二侧。本实施方式中，第五mos管q5导通、第六mos管q6关断，可对储能电容c1进行充放电，第五mos管q5关闭、第六mos管q6导通时，可旁路整个储能功率模块。与前一实施方式中的全桥变换器类似地，由于储能电容c1的存在，本实施方式中的半桥变换器整流后的电压同样是带纹波的直流电压。
101.请继续参考图6，在本技术一可选实施方式中，dc-dc单元20每个支路的半桥变换器中，开关组的位置与第一电感l1n位置可以调换，以图2中dc-dc支路201中开关组位置与电感位置调换为例，如图所示，此时，各第七mos管q7n的漏极引出的一端形成dc-dc单元20的第三端d3，第八mos管q8n的源极引出的一端形成dc-dc单元20的第二端d2；每个半桥板换器中的第七mos管q7n、第八mos管q8n的漏极以及第一电感l1n的一端连接，第一电感l1n的另一端引出的一端形成dc-dc单元20的第一端d1。
102.本实施例中，dc-dc单元20的第一端d1和第二端d2形成dc-dc单元20的第一直流侧，与桥式变流单元10的直流侧，即第三端h3与第四端h4连接，dc-dc单元20的第二端d2和第三端d3形成dc-dc单元20的第二直流侧，与储能单元30的正负极连接。通过这种设置，可以实现一种升压型dc-dc单元(对于充电过程而言)，从而即使储能电容c1两端的电压低于储能单元30中电池组两端的电压，也能实现对电池组的顺利充电。
103.可选地，在一实施例中，dc-dc单元还包括滤波电路，与n个并联的dc-dc支路串联。该滤波电路为lc滤波电路，包括第二电感l2以及滤波电容c2，第二电感l2一端形成滤波电路的一端，与第一电感l1n一端连接另一端形成滤波电路另一端，经滤波电容c2形成dc-dc单元的第二端d2。该lc滤波电路可以与每个支路的第一电感l1n一同形成t型滤波电路，进一步对储能单元30的充放电电流进行滤波处理，滤除直流电流中的纹波。
104.根据每个dc-dc支路中第一电感l1n的不同，该滤波电路可以串联在dc-dc支路前，也可以串联在dc-dc支路后。
105.当dc-dc支路的半桥变换器采用图2中结构时，则滤波电路连接在各第一电感l1n的另一端引出的一端与储能单元30之间，此时，滤波电路与储能单元30正极相连的一端形成dc-dc单元20的第三端d3，滤波电路的另一端与各七开关管q7n的漏极引出的一端连接。如图7，此时，对于每个支路，例如对于第一个支路201，第一电感l1n、第二电感l2以及滤波电容c2形成了一个t型滤波电路，以进一步消除储能单元30中充放电时直流电流中的纹波，保证d3处电流纹波尽可能小，保护储能单元30中的电池，延长电池的寿命。
106.当dc-dc支路的半桥变换器采用图6中结构时，则滤波电路连接在各第一电感l1n的另一端引出的一端与储能电容c1的正极之间，此时，滤波电路与储能电容c1正极相连的
一端形成dc-dc单元20的第一端d1，滤波电路的另一端与各第一电感l1n的另一端引出的一端连接。对于每个支路，例如对于第一个支路201，第一电感l1n、第二电感l2以及滤波电容c2形成了一个t型滤波电路，以进一步消除储能单元30中充放电时直流电流中的纹波，保证d3处电流纹波尽可能小，保护储能单元30中的电池，延长电池的寿命。
107.继续参考图8，在本技术的优选实施例中，所述储能功率模块还包括一控制单元40，该控制单元40与桥式变流单元10、dc-dc单元20连接，例如，通过i/o接口连接以对对桥式变流单元10、dc-dc单元20以及储能单元30进行控制或监测，监测储能电容c1的电压信息以及储能单元30的储能信息以对电池进行监测，例如，电压信息的监测，并向桥式变流单元10、dc-dc单元20的各个mos管发送控制信号，以控制各个mos管的导通与关断。
108.由于储能功率模块内部包括控制单元，使得该控制单元可以对储能功率模块内部的桥式变流单元、dc-dc单元进行单独控制，并且可以对储能功率模块内部的储能单元(电池)进行监测，从而既保证了控制的精细度，又保证了控制的高效性，为储能系统的高效、安全工作提供了基础。例如，在多个储能功率模块级联构成储能系统的情况下，每个储能功率模块内的控制单元仅需要监测其所属储能功率模块内的电池，一旦发现异常，则可立即控制桥式变流单元10中的mos管的开关状态，将该储能功率模块的旁路，避免个别出现异常的电池影响整个储能系统。
109.进一步的，现有的储能系统中的监测，通常都是由一个控制器进行的，由于电池组数量非常大，通常都只能进行被动的电池均衡检测，而本技术中，储能功率模块内部的电池数量较小，单独设置模块内的控制单元后，可以在模块内部主动进行电池均衡检测，从而提高对每个电池的利用率，整个储能系统中电池的利用率可以得到提升。
110.对于每个dc-dc支路中在储能单元30充放电时，每个开关管如何配合，以及每个开关管的pwm控制信号，请参考前述描述工作原理时对储能单元30充放电时的描述。
111.进一步地，如图9或图10所示，本技术还提供了一种储能系统，包括多电平转换器100、多个电抗器、电压电流监测器300以及控制器200。
112.其中，多电平转换器100优选包括三相电路。每相电路中，多个储能功率模块的级联侧顺次进行级联形成一个或多个桥臂，一个或多个桥臂的两端连接储能系统的电网连接端，其中，每个桥臂内至少一部分储能功率模块的级联侧之间和/或该桥臂的两端中的至少一者与电网连接端之间串接有至少一个电抗器。示例性的，如图9或图10中，每相电路的桥臂两端经一电抗器(或多电抗器)与交流电网的a、b、c相的接入点连接。可以理解的，本技术中，电抗器的位置可以如图9或10中所示串接在桥臂与电网连接端之间，也可以串接在桥臂内任意一个或多个储能功率模块的级联侧之间，其数量也可以是一个或两个以上，可以根据需求选择，本技术对此不作限定。
113.电压电流监测器300用于监测储能系统工作时，三相电路的工作电压和电流，以决定每相电路中需要接入储能系统中进行充电或放电的储能功率模块的数量。示例性的，储能系统根据每相电路需要输出交流电压的当前值选择性控制多个储能功率模块的输出不同的可选电压值，多个储能功率模块即可叠加出每相电路的输出电压，实现储能系统与交流电网之间的功率交换。假设每个储能功率模块输出电压为50v，而此时储能系统需要某相输出的电压为500v，则可以控制该相中处于投入状态的储能功率模块数量为10，其余模块处于旁路状态，则该相级联电路即可输出相应的电压值。
114.控制器200能够与每个储能功率模块通过通信接口通信，以控制每个所述储能功率模块的工作状态，工作状态包括接入储能系统中进行储能、释放能量，或者从储能系统中旁路。例如，控制器20根据电压电流监测器300的电压电流监测结果、储能功率模块中的控制单元提供(或由控制器200直接获取)的储能电容电压监测结果以及储能单元储能监测结果控制每个所述储能功率模块接入储能系统中进行储能、释放能量，或者从储能系统中旁路。如前所述，当接入系统的功率模块数量为10，则控制器200会给每个储能功率模块发送控制信号，以将其中10个储能功率模块接入储能系统中，而将剩余储能功率模块从储能系统中旁路。当某一个储能功率模块出现故障上报时，则控制器200也会发送对应的控制信号，将该储能功率模块从储能系统中旁路，并根据需要控制其他储能功率模块接入系统。
115.本实施例中，由于采用模块化多电平调制方式，储能功率模块的开关频率大大降低，可以降低到1khz以下，与传统电平换流器所采用的16khz相比，开关损耗可以忽略不计，储能系统能量变换效率较高，具有明显的优势。并且，由于每个储能功率模块的电池组规模更小，更安全，也使整个储能系统的安全性进一步提高。
116.继续参考图9，当桥式变流单元10的桥式变流器采用单相全桥变换器时，电网连接端为交流电网连接端。每相电路中，储能功率模块的级联方式如图9中所示，各储能功率模块级联侧顺次连接形成一个桥臂，即每个储能功率模块级联侧的两个交流接入端h1、h2分别与相邻的储能功率模块级联侧的两个交流接入端h1、h2串联，级联后的两端形成桥臂的两端。如图所示，第一个储能功率模块中桥式变流器的第一端h1形成桥臂的第一端，最后一个储能功率模块中桥式变流器的第二端h2形成桥臂的第二端，桥臂的第一端和第二端分别连接交流电网连接端，此时，一个或多个电抗器串接于级联桥臂的第一端与交流电网连接端直接。
117.请参考图10，当桥式变流单元10的桥式变流器采用单相半桥变换器时，电网连接端包括交流电网连接端和直流电网连接端(包括电压正极端和电压负极端)。每相电路中，储能功率模块的级联方式如如图10中所示。每相单路中，多个储能功率模块的级联方式为：多个储能功率模块级联形成两个桥臂，上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂中包含数量相同的储能功率模块。
118.上桥臂中，各储能功率模块的级联侧顺次连接进行级联，如图所示，各储能功率模块级联侧的两个交流接入端h1、h2分别与相邻的储能功率模块级联侧的两个交流接入端h1、h2串联，级联后的两端形成上桥臂的两端。第一个储能功率模块中桥式变流器的第一端h1形成上桥臂的第一端，上桥臂的第一端连接直流电网连接端的电压正极端dc+，最后一个储能功率模块中桥式变流器的第二端h2形成上桥臂的第二端。
119.下桥臂中，各储能功率模块的级联侧顺次连接进行级联，如图所示，各储能功率模块级联侧的两个交流接入端h1、h2分别与相邻的储能功率模块级联侧的两个交流接入端h1、h2串联，级联后的两端形成下桥臂的两端。第一个储能功率模块中桥式变流器的第一端h1形成下桥臂的第一端，该下桥臂的第一端串接有至少一个所述电抗器(如图中电感器)，最后一个储能功率模块中桥式变流器的第二端h2形成下桥臂的第二端，下桥臂的第二端连接直流电网连接端的电压负极端dc-。上桥臂的第二端与下桥臂的第一端相连形成第二连接点，每相电路的第二连接点分别连接所述交流电网连接端中的一个相电路连接点(如图9或图10中的a相接入点、b接入点、c相接入点)。
120.可以理解，当电抗器的位置如图9或10中所示串接在桥臂与电网连接端之间，则此时，上桥臂的第二端与下桥臂的第一端各自串接一个或多个电感器后，再相连形成每相电路的第二连接点。
121.本技术一实施例中还提供另一种储能系统，该储能系统包括多个所述储能功率模块以及一个或多个电抗器，多个储能功率模块的级联侧顺次进行级联形成一个或多个桥臂，一个或多个桥臂的两端连接储能系统的电网连接端，其中，每个桥臂内至少一部分储能功率模块的级联侧之间和/或该桥臂的两端中的至少一者与所述电网连接端之间串接有至少一个电抗器。同样的，该储能系统也可以包括电压电流监测器以及控制器。相比于图9或图10所示的储能系统，本实施例中储能系统的区别在于：本实施例中，储能系统仅包括由多个储能功率模块以及一个或多个电抗器组成的单相电路。储能系统只与电网中的一相电路连接，可以适用于家用模式下的单相交流电网，其他的电压电流监测器、控制器设置、储能功率模块的级联方式均与图9或图10所示的储能系统相同，此处不再赘述。
122.可以理解的，当储能系统仅包含单相电路时，在桥式变流单元10的桥式变流器采用单相半桥变换器时，上桥臂的第二端与下桥臂的第一端相连形成第一连接点，所述交流电网连接端的一个端与第一连接点相连，所述交流电网连接端的另一个端与储能系统内的中性点(如图9中所示的n)相连。
123.本领域的技术人员能够理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
124.应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本技术的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本技术的权利要求范围内。