基于三电平DC/AC变流器的储能设备及发电系统的制作方法

基于三电平dc/ac变流器的储能设备及发电系统
技术领域
1.本公开涉及新能源发电及储能领域，具体涉及基于三电平dc/ac变流器的储能设备及发电系统。


背景技术：

2.在新能源发电领域，各种分布式电源可以接入电网。大规模的新能源发电存在诸多难题，例如，风电及光伏发电等形式的新能源发电技术具有显著的随机性和波动性，导致大规模新能源消纳成为难题。随着储能技术的快速发展，可以利用储能系统将新能源弃电时段的弃电电能平移至非弃电时段，实现移峰填谷，从而可以提高新能源发电领域的弃电消纳能力。
3.储能系统中的变流器作为储能单元与电网之间的桥梁，是整个储能系统的核心部件。目前的储能变流器(例如，两电平储能变流器)难以直接应用于大功率等级和高电压等级的发电系统中。需要开发一种能够直接接入直流母线的变流储能设备，设置在有限的安装空间内以保证变流和储能的稳定运行。


技术实现要素：

4.本公开的实施例的目的在于提供一种基于三电平dc/ac变流器的储能设备及发电系统，有利于实现集成到直流母线的一体式变流储能。
5.根据本公开的实施例，提供一种基于三电平dc/ac变流器的储能设备，所述三电平dc/ac变流器连接在电网与直流母线之间，所述储能设备包括：dc/dc变流器，通过汇流排连接在正直流母线与负直流母线之间，并且dc/dc变流器的电压中位点通过汇流排连接到三电平dc/ac变流器的电压中位点；储能单元，连接到dc/dc变流器。
6.根据本公开的另一实施例，提供一种发电系统，所述发电系统包括如上所述的储能设备。
7.采用根据本公开的实施例的基于三电平dc/ac变流器的储能设备及发电系统，可以实现以下技术效果之一：利用一个dc/dc变流器实现集成到直流母线的一体式变流储能，基于三电平变流器建立用于储能的拓扑结构，不仅可以满足实际的直流母线电压需求，同时还可实现有效的储能控制，保证电网及发电设备的正常稳定运行，可以实现耐高压的变流储能一体机；在通过汇流排与直流母线及三电平dc/ac变流器相集成的情况下，可以节省安装空间，并且显著改善变流储能的性能，更好地整合直流母线、储能设备、三电平dc/ac变流器等部件之间的结构和性能，从而改善发电系统的结构和性能。
8.本实用新型的益处不限于上述益处，并且本领域技术人员可从权利要求书中清楚地理解未提及的其它益处。
附图说明
9.通过下面结合附图进行的描述，本公开的上述和其他目的和特点将会变得更加清
楚。
10.图1是根据本公开的实施例的发电系统的示意性框图。
11.图2是根据本公开的实施例的基于三电平变流器的储能设备的拓扑图。
具体实施方式
12.下面结合附图，提供具体实施方式的描述以帮助读者获得对在此描述的方法、装置和/或系统的全面理解。然而，在理解本技术的公开之后，在此描述的方法、装置和/或系统的各种改变、修改和等同物将是清楚的。例如，在此描述的操作的顺序仅是示例，并且不限于在此阐述的那些顺序，而是除了必须以特定的顺序发生的操作之外，可如在理解本技术的公开之后将是清楚的那样被改变。此外，为了更加清楚和简明，本领域已知的特征的描述可被省略。
13.在此描述的特征可以以不同的形式来实现，而不应被解释为限于在此描述的示例。相反，已提供在此描述的示例，以仅示出实现在此描述的方法、装置和/或系统的许多可行方式中的一些可行方式，所述许多可行方式在理解本技术的公开之后将是清楚的。
14.如在此使用的，术语“和/或”包括相关联的所列项中的任何一个以及任何两个或更多个的任何组合。
15.尽管在此可使用诸如“第一”、“第二”和“第三”的术语来描述各种构件、组件、区域、层或部分，但是这些构件、组件、区域、层或部分不应被这些术语所限制。相反，这些术语仅用于将一个构件、组件、区域、层或部分与另一构件、组件、区域、层或部分进行区分。因此，在不脱离示例的教导的情况下，在此描述的示例中所称的第一构件、第一组件、第一区域、第一层或第一部分也可被称为第二构件、第二组件、第二区域、第二层或第二部分。
16.在此使用的术语仅用于描述各种示例，并不将用于限制公开。除非上下文另外清楚地指示，否则单数形式也意在包括复数形式。术语“包含”、“包括”和“具有”说明存在叙述的特征、数量、构件、元件和/或它们的组合，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、数量、构件、元件和/或它们的组合。
17.除非另有定义，否则在此使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与由本公开所属领域的普通技术人员在理解本公开之后通常理解的含义相同的含义。除非在此明确地如此定义，否则术语(诸如，在通用词典中定义的术语)应被解释为具有与它们在相关领域的上下文和本公开中的含义一致的含义，并且不应被理想化或过于形式化地解释。
18.此外，在示例的描述中，当认为公知的相关结构或功能的详细描述将引起对本公开的模糊解释时，将省略这样的详细描述。
19.对于新能源发电，发电设备(例如，风力发电机组)接入电网时，需要通过变流器将发电机输出的电能转换为频率和电压恒定的交流电馈入电网。
20.图1是根据本公开的实施例的发电系统的示意性框图。
21.为了简洁，图1仅示意性示出了发电系统的部分组件。发电系统可以是诸如风力发电系统的新能源发电系统。
22.如图1所示，设置在发电机11(例如，风力发电机组)与电网之间的变流器12可以将发电机11与电网相隔离。变流器12中的机侧变流器(ac/dc变流器)通过直流母线连接到网侧变流器(dc/ac变流器)。与直流母线连接的储能系统(energy storage system，ess)13可
以实现直流储能，提高发电系统的弃电消纳能力。储能系统13可包括dc/dc变流器131和储能单元132。dc/dc变流器131可在直流母线与储能单元132之间进行双向转换，储能单元132可用于存储或释放电能。在本公开的实施例中，机侧变流器和网侧变流器可分别采用三电平变流器，直流母线可采用双极性直流母线。
23.在本公开的实施例中，dc/dc变流器131通过汇流排(例如，铜排)连接到直流母线，以实现与直流母线集成为一体。如此，可以节省安装空间，并且，有利于省去dc/dc变流器中的直流开关和直流母线侧电容器等其它部件。
24.本公开提出一种基于三电平dc/ac变流器的储能设备及发电系统，可以利用一个dc/dc变流器实现集成到直流母线的一体式变流储能；可以基于三电平变流器建立用于储能的拓扑结构；不仅可以满足实际的直流母线电压需求，同时还可实现有效的储能控制，保证电网及发电设备的正常稳定运行。
25.图2是根据本公开的实施例的基于三电平变流器的储能设备2的拓扑图。
26.如图2所示，三电平dc/ac变流器连接在电网与直流母线之间。储能设备2可包括：储能单元21和dc/dc变流器。为简化分析，图中省略了机侧主回路等其它部件。
27.dc/dc变流器通过汇流排连接在正直流母线与负直流母线之间，并且dc/dc变流器的电压中位点通过汇流排连接到三电平dc/ac变流器的电压中位点。储能单元21连接到dc/dc变流器。在本公开的实施例中，储能单元21可以是蓄电池，但是本公开不限于此，还可以是其它能够储存或释放电能的器件。
28.如图2所示，dc/dc变流器可包括：第一组igbt(绝缘栅双极型晶体管)和第二组igbt。第一组igbt(绝缘栅双极型晶体管)可包括igbt 24a和24b，第二组igbt可包括igbt 24c和24d。dc/dc变流器的电压中位点可设置在第一组igbt与第二组igbt之间。
29.第一组igbt的电压中位点(例如，igbt 24a和24b之间的节点)通过第一电感器23a连接到储能单元21的第一端(例如，正极)，第二组igbt的电压中位点(例如，igbt 24c和24d之间的节点)通过第二电感器23b连接到储能单元21的第二端(例如，负极)。
30.储能设备2还可包括电容器22，电容器22连接在储能单元21的第一端与第二端之间。在储能单元21的两端可附加设置开关。
31.第一电感器23a可连接在第一组igbt的电压中位点与电容器22之间。第二电感器23b可连接在第二组igbt的电压中位点与电容器22之间。
32.储能设备2还可包括至少一个熔断器。至少一个熔断器可设置在汇流排上，并且连接在正直流母线、负直流母线和三电平dc/ac变流器的电压中位点中的至少一者与dc/dc变流器之间。
33.可选地，所述至少一个熔断器可包括：第一熔断器25a，连接在dc/dc变流器的第一端与正直流母线之间。
34.可选地，所述至少一个熔断器可包括：第二熔断器25b，连接在dc/dc变流器的第二端与负直流母线之间。
35.可选地，所述至少一个熔断器可包括：第三熔断器25c，连接在dc/dc变流器的电压中位点与三电平dc/ac变流器的电压中位点之间。
36.当极端工况下出现中点平衡失效或母线制动失效时，可采用硬件保护策略，例如，熔断器保护。通过设置至少一个熔断器可防止dc/dc变流器在极端工况下出现器件大面积
损坏。
37.如图2所示，根据本公开的实施例，基于三电平dc/ac变流器的电路结构来设置能够集成到直流母线的单个dc/dc变流器，单个dc/dc变流器采用三电平拓扑结构，并且可根据实际的直流母线电压需求来选取单个dc/dc变流器中的各个器件的型号，以进行安全可靠的变流和储能，保证电网及发电设备的正常稳定运行，可以实现耐高压的变流储能一体机。
38.在图2示出的拓扑结构中，单个dc/dc变流器中可以无需设置直流开关和直流母线侧电容。在通过汇流排与直流母线及三电平dc/ac变流器相集成的情况下，可以节省安装空间，并且显著改善变流储能的性能，更好地整合直流母线、储能设备、三电平dc/ac变流器等部件之间的结构和性能。
39.根据本公开的实施例，还提供一种发电系统(例如，风力发电系统)，所述发电系统包括根据本公开的实施例的储能设备，可以基于储能设备的结构来显著改善系统结构和性能。
40.采用根据本公开的实施例的基于三电平dc/ac变流器的储能设备及发电系统，可以实现以下技术效果之一：利用一个dc/dc变流器实现集成到直流母线的一体式变流储能，基于三电平变流器建立用于储能的拓扑结构，不仅可以满足实际的直流母线电压需求，同时还可实现有效的储能控制，保证电网及发电设备的正常稳定运行，可以实现耐高压的变流储能一体机；在通过汇流排与直流母线及三电平dc/ac变流器相集成的情况下，可以节省安装空间，并且显著改善变流储能的性能，更好地整合直流母线、储能设备、三电平dc/ac变流器等部件之间的结构和性能，从而改善发电系统的结构和性能。
41.上面对本实用新型的具体实施方式进行了详细描述，虽然已描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本实用新型的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善(例如，可以对不同实施例中描述的不同特征进行组合)，这些修改和完善也应在本实用新型的保护范围内。