一种模块化多电平储能系统的制作方法

本发明涉及一种储能技术领域，尤其涉及一种模块化多电平储能系统。

背景技术：

目前，随着新能源发电的广泛应用，储能在电力系统中的地位越来越重要。常用的储能电池单体直接串并联使用，对于电池一致性要求高。不仅容错能力差，而且存在串联均压和并联均流的问题，效率低。模块化储能技术是将电力电子变换器控制的低压电池单元作为一个独立的模块，将其串联成组后输出高压，是一种柔性电池成组技术，每个储能模块都能独立控制其充放电和SOC，避免了大量电池单体的直接串联，可以使用不同规格不同新旧程度的电池，实现废旧电池的梯次利用，且不需要额外配置电池能量管理系统。

但是，现有的方案存在以下缺陷：

上述模块化储能技术其主要缺点是储能模块数量多，而且每个都需要配置独立的控制单元，成本较高。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种模块化多电平储能系统，其能解决现有技术中储能模块数量多，每个储能模块需要独立控制的技术问题。

本发明采用如下技术方案实现：

一种模块化多电平储能系统，其特征在于，包括主控制器、若干从控制器、三相电路和与所述三相电路一一对应的并网电抗器，所述三相电路包括第一相电路、第二相电路和第三相电路，所述第一相电路包括多个三电平储能模块、若干组电池单元、高压H桥模块，所述三电平储能模块与所述电池单元一一对应，每一组所述电池单元均包括依次串联形成串联支路的第一电池和第二电池，所述串联支路的正极连接所述三电平储能模块的正极输入端，所述串联支路的负极连接所述三电平储能模块的负极输入端，所述三电平储能模块的中性输入端连接在所述第一电池与所述第二电池之间；相邻的两个所述三电平储能模块之间，前一个所述三电平储能模块的负极输出端连接后一个所述三电平储能模块的正极输出端，且排在首位的所述三电平储能模块的正极输出端连接所述高压H桥模块的正极输入端，排在末位的所述三电平储能模块的输出端连接所述高压H桥模块的负极输入端；所述高压H桥模块的第一输出端、所述第二相电路的第一输出端和所述第三相电路的第一输出端均通过对应的所述并网电抗器连接外部交流电网，所述高压H桥模块的第二输出端、所述第二相电路的第二输出端和所述第三相电路的第二输出端均连接公共连接端；所述三电平储能模块和所述高压H桥模块分别与对应的从控制器连接，且所述第一相电路、所述第二相电路和所述第三相电路分别对应的从控制器均与所述主控制器连接。

进一步地，所述三电平储能模块包括电容C1、电容C2、可控开关S1、可控开关S2、可控开关S3和可控开关S4，所述可控开关S1的发射极连接所述可控开关S2的集电极，所述可控开关S2的发射极连接所述可控开关S3的集电极，所述可控开关S3的发射极连接所述可控开关S4的集电极，所述可控开关S1的集电极连接所述串联支路的正极，所述可控开关S4的发射极连接所述串联支路的负极，所述中性输入端位于所述可控开关S2的发射极与所述可控开关S3的集电极之间，所述高压H桥模块的正极输入端连接在所述可控开关S1的发射极与所述可控开关S2的集电极之间，所述高压H桥模块的负极输入端连接在所述可控开关S3的发射极与所述可控开关S4的集电极之间；所述电容C1的一端连接所述可控开关S1的集电极，所述电容C1的另一端通过所述电容C2连接所述可控开关S4的发射极，所述可控开关S1的基极、所述可控开关S2的基极、所述可控开关S3的基极和所述可控开关S4的基极均与所述从控制器连接。

进一步地，所述高压H桥模块为全桥变换器，包括电容C3、高压开关S5、高压开关S6、高压开关S7、高压开关S8，所述高压开关S5的集电极和所述高压开关S7的集电极连接作为所述高压H桥模块的正极输入端，所述高压开关S6的发射极和所述高压开关S8的发射极连接作为所述高压H桥模块的负极输入端，所述高压开关S5的发射极与所述高压开关S6的集电极连接作为所述高压H桥模块的第一输出端，所述高压开关S7的发射极与所述高压开关S8的集电极连接作为所述高压H桥模块的第二输出端，所述电容C3的一端连接所述高压开关S5的集电极，另一端连接所述高压开关S6的发射极，所述从控制器控制所述高压开关S5、所述高压开关S6、所述高压开关S7和所述高压开关S8的导通和关断。

进一步地，所述主控制器包括通信模块、并网矢量控制模块、SOC均衡模块、PWM信号生成模块和主从交互模块，所述通信模块、所述并网矢量控制模块、所述SOC均衡模块、所述PWM信号生成模块和所述主从交互模块依次连接，所述第一相电路、所述第二相电路和所述第三相电路分别对应的从控制器均与所述主控制器连接。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：.

本发明每一个储能模块均可接入两个电池，并对电池独立控制充放电，避免电池的直接串联；每个储能模块可以输出三电平电压，使用的储能模块及其控制器数量可减少一半，成本大大降低，并且配线简单，每个模块的两组电池串联后只需要三根电缆线接到储能模块，与采用两电平模块相比电缆线数量可减少25％。

附图说明

图1为本发明的一种模块化多电平储能系统的整体模块结构图；

图2为本发明的三相电路、并网电抗器的连接结构图；

图3为本发明的三电平储能模块的电路结构图；

图4为本发明的高压H桥模块的电路结构图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

如图1和图2所示，本发明提供了一种模块化多电平储能系统，包括主控制器、若干从控制器、三相电路和与所述三相电路一一对应的并网电抗器L。所述三相电路包括第一相电路、第二相电路和第三相电路，所述第一相电路包括多个三电平储能模块、若干组电池单元、高压H桥模块，所述三电平储能模块与所述电池单元一一对应。电池单元与三电平储能模块的数量也相等。

具体的，每一组所述电池单元均包括两个电池，在本发明中记为第一电池B1和第二电池B2，第一电池B1和第二电池B2串联连接，形成串联支路。该串联支路的正极连接所述三电平储能模块的正极输入端X1，所述串联支路的负极连接所述三电平储能模块的负极输入端X3，所述三电平储能模块的中性输入端X2连接在所述第一电池B1与所述第二电池B2之间相邻的两个所述三电平储能模块之间，前一个所述三电平储能模块的负极输出端连接后一个所述三电平储能模块的正极输出端，且排在首位的所述三电平储能模块的正极输出端连接所述高压H桥模块的正极输入端，排在末位的所述三电平储能模块的输出端连接所述高压H桥模块的负极输入端；所述高压H桥模块的第一输出端、所述第二相电路的第一输出端和所述第三相电路的第一输出端均通过对应的所述并网电抗器L连接外部交流电网，所述高压H桥模块的第二输出端、所述第二相电路的第二输出端和所述第三相电路的第二输出端均连接公共连接端所述三电平储能模块和所述高压H桥模块分别与对应的从控制器连接，且所述第一相电路、所述第二相电路和所述第三相电路分别对应的从控制器均与所述主控制器连接。也就是，每一个三电平储能模块对应不同的从控制器，每一个三电平储能模块和高压H桥模块分别对应不同的从控制器。并且第二相电路、第三相电路也分配有分别对应的从控制器。

实际上，每一个三电平储能模块均具有一个正极输出端X4和一个负极输出端X5，将三电平储能模块依次排列，前一个三电平储能模块的负极输出端X5连接相邻的后一个三电平储能模块的正极输出端X4，依次类推，作为第一个的三电平储能模块的正极输出端X4则连接高压H桥模块的正极输入端，作为最后一个三电平储能模块的负极输出端X5则连接高压H桥膜模块的负极输入端。从控制器与所述三电平储能模块一一对应连接，且所述从控制器与所述主控制器连接。

具体的，主控制器包括通信模块、并网矢量控制模块、SOC均衡模块、PWM信号生成模块和主从交互模块，所述通信模块、所述并网矢量控制模块、所述SOC均衡模块、所述PWM信号生成模块和所述主从交互模块依次连接，所述从控制器、所述第二相电路和所述第三相电路均与所述主从交互模块连接。

通信模块接收并网和充放电功率指令，并网控制模块根据检测到的电网电压、电流以及充放电功率，采用闭环控制算法计算出输出参考电压uref，SOC(State of Charge，荷电状态，也叫剩余电量)均衡模块的作用是采用排序或PI控制等算法控制所有电池单元的SOC均衡，PWM信号生成模块的作用是采用载波移相PWM或者载波层叠PWM生成所有三电平储能模块的控制信号，主从交互模块的作用是将所有三电平储能模块的控制信号发送出去，同时接收从控制器的电压、电流、温度等状态反馈信号。每个三电平储能模块都有一个从控制器，其作用是接收主控制器发送的开关信号，并通过驱动电路控制各个开关的开通或关断，同时检测电池电压、电流、温度等状态信号反馈给主控制器。

三电平储能模块的具体结构如图3所示，其包括电容C1、电容C2、可控开关S1、可控开关S2、可控开关S3和可控开关S4，所述可控开关S1的发射极连接所述可控开关S2的集电极，所述可控开关S2的发射极连接所述可控开关S3的集电极，所述可控开关S3的发射极连接所述可控开关S4的集电极，所述可控开关S1的集电极连接所述串联支路的正极，也就是作为三电平储能模块的正极输入端X1，所述可控开关S4的发射极连接所述串联支路的负极，也就是作为三电平储能模块的负极输入端X3，所述中性输入端位于所述可控开关S2的发射极与所述可控开关S3的集电极之间，所述高压H桥模块的正极输入端连接在所述可控开关S1的发射极与所述可控开关S2的集电极之间，所述高压H桥模块的负极输入端连接在所述可控开关S3的发射极与所述可控开关S4的集电极之间；所述电容C1的一端连接所述可控开关S1的集电极，所述电容C1的另一端通过所述电容C2连接所述可控开关S4的发射极所述从控制器控制所述可控开关S1的、所述可控开关S2、所述可控开关S3和所述可控开关S4的导通和关断。

三电平储能模块的工作原理为，可控开关S1和可控开关S2的控制信号互补，可控开关S3和可控开关S4的控制信号互补。假设一组电池单元中第一电池的电压和第二电池的电压分别为U1和U2，当可控开关S1和可控开关S3导通时，第一电池接入，输出电压Vo＝U1，可控开关S2和可控开关S4导通时，第二电池接入，输出电压Vo＝U2，可控开关S2和可控开关S3导通时，两个电池均不接入，输出电压Vo＝0，当可控开关S1和可控开关S4导通时，两个电池串联后接入，输出电压Vo＝U1+U2。由于U1和U2接近，因此输出电压为三电平。

每一个三电平储能模块上的可控开关采用全控型功率开关器件，根据输出电压等级的不同选用相应等级的功率半导体开关源极，如IGBT或MOSFET等。

本发明的高压H桥模块优选为全桥变换器。高压H桥模块的具体结构参见图4，其包括电容C3、高压开关S5、高压开关S6、高压开关S7、高压开关S8，所述高压开关S5的集电极和所述高压开关S7的集电极连接作为所述高压H桥模块的正极输入端，所述高压开关S6的发射极和所述高压开关S8的发射极连接作为所述高压H桥模块的负极输入端，所述高压开关S5的发射极与所述高压开关S6的集电极连接作为所述高压H桥模块的第一输出端，所述高压开关S7的发射极与所述高压开关S8的集电极连接作为所述高压H桥模块的第二输出端，所述电容C3的一端连接所述高压开关S5的集电极，另一端连接所述高压开关S6的发射极，所述从控制器控制所述高压开关S5、所述高压开关S6、所述高压开关S7和所述高压开关S8的导通和关断。

高压H桥模块的工作原理为：高压开关S5和高压开关S6的控制信号互补，高压开关S7和高压开关S8的控制信号互补。假设n个三电平储能模块串联后的输出电压为Up，当高压开关S5和高压开关S8导通时，输出正电压Vo＝Up，当高压开关S6和高压开关S7导通时，输出负电压Vo＝-Up。通过这种工作方式将三电平储能模块串联后输出的多电平直流电压变换为多电平交流电压。

同样，高压开关也是采用全控型功率开关器件，根据输出电压等级的不同选用相应等级的功率半导体开关元件，如IGBT或MOSFET等。

本发明的工作原理为，根据外部并网控制算法得到三相参考电压urefa、urefb和urefc，当该相的参考电压urefx(其中x指三相的序号a、b或c)大于0时，高压H桥模块的S1和S4导通，输出为正，当该相的参考电压urefx小于0时，高压H桥模块的S2和S3导通，输出为负。每相的n个三电平储能模块的总输出参考电压urefx的绝对值始终为正，由于每个三电平储能模块的输出电压可以是0，也可以是一个电池电压或两个电池电压，在每个控制周期根据urefx的绝对值以及电池电压的大小就可以计算出需要有多少个电池接入。为使得所有电池单元的SOC(剩余容量)均衡，必须对所有电池单元的电压或SOC进行排序控制，当储能系统充电时，使得电压或SOC较低的电池单元先接入，当储能系统放电时，使得电压或SOC较高的电池单元先接入。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。