一种具有能量均衡功能的级联H桥储能电路及其能量均衡方法与流程

一种具有能量均衡功能的级联h桥储能电路及其能量均衡方法
技术领域：
1.本专利涉及智能电网技术领域，具体涉及一种具有能量均衡功能的级联h 桥储能电路及其能量均衡方法。


背景技术：

2.选择合适的储能pcs对于维持新型电力系统的正常运行起到至关重要的作用。
3.单级式储能pcs拓扑：图1为单级式储能pcs拓扑结构图，其核心环节仅由一 pwm变换器组成。工作原理如下：首先由高压蓄电池组输出电能通过pwm变换器进行逆变，再由lcl滤波和升压变压器调节控制使输出电压和电网适配，并最终回馈于电网。反之，电网中的交流电也可通过pwm变换器整流形成直流电并最终存储于高压蓄电池组中。其特点是：拓扑结构相对简单，技术较为成熟，转换效率高。但需要较高的直流母线电压，且由于过多的电池组串并联导致储能电池的管理难度提升，因此其难以适用于较高电压等级的储能系统。
4.双级式储能pcs拓扑：双级式储能pcs拓扑相对于单级式储能pcs结构，增加了一个双向dc/dc变换器环节充当控制调节电压等级的作用，如图2所示。由于单双级式储能pcs两者拓扑结构相似，因此工作原理也大体一致。加入的双向 dc/dc变换器后减轻了高压蓄电池组的运行压力，使其容量配置更为灵活，一定程度上增大了工作电压范围。但与此同时加入双向dc/dc变换器能量损耗增加，不易于后续的控制。
5.三电平储能pcs拓扑：图3为三电平储能pcs拓扑图，典型的三电平中点钳位型拓扑，相较于上述两拓扑能输出更高的电平，有效提高变换器并网电流质量，降低系统共模电压对电池储能系统的冲击；但作为构网型pcs用在新型电力系统中电压等级相对较低。
6.级联h桥拓扑：图4为级联h桥拓扑图，相较上述拓扑结构，开关管数量增加，呈现为模块化结构。在构网型构建和新型电力系统建设领域受到广泛关注。其由功率转换系统和电池管理系统组成，其中pcs控制能量的双向流动，实现从直流到交流，从交流到直流的转变，以及从低压到高压、从高压到低压的转变；且实现储能系统的相间、相内功率控制、平衡各桥臂各模块间的输出功率，以此控制每个单元内蓄电池荷电状态的均衡。储能单元接在每个h桥的直流侧，桥臂采用星型连接，经过滤波电感与电网相连。通过脉冲宽度调制技术控制交流侧电压矢量的大小与方向，进而间接控制网侧电流的大小，实现储能变换器的功率控制。另外，系统电压等级方面可通过串联h桥模块来提高，可有效的规避了大规模储能电池的串联。由于系统中每个模块可以独立的工作而互不影响，因此也极大的方便了直流储能单元的功率控制和系统的容错控制。
7.与此同时，由于现阶段电池各生产环节工艺水平及原材料均一性的限制，导致单体电池间在电压、容量及内阻等方面不尽相同，在构成级联h桥拓扑并成组使用后，连续的充放电循环将使得电池组内个别单体锂电池的容量衰减迅速，造成电池组的可用容量下降，减小了电池组的可循环使用次数。同时，电池单体因为容量差异性出现的过充电或过放将会导致电池出现温度升高、电解质减少、产生易燃气体等状况，存在一定的安全隐患。


技术实现要素：

8.本发明针对级联h桥储能电路中电池组容量不均的问题，提出解决方案，具体技术方案如下：
9.一种具有能量均衡功能的级联h桥储能电路，包括：dc/ac功率转换电路、三相交流源、驱动电路、控制电路；其中功率转换系统采用dc/ac变换器作为功率模块，每相均由n个功率模块与电池并联后经级联构成，而每个模块由四个带有反并联二极管的功率开关和一个直流电容构成；dc/ac功率转换电路包括直流端和交流端，三相交流源与dc/ac功率转换电路的交流端相连；还包括：开关电容均衡电路，开关电容均衡电路在电池后并联，且与dc/ac功率转换电路的直流端相连。
10.在上述储能系统上实现的能量均衡方法如下：
11.在充电模式下，以最大化电池组容量利用率为目的，即避免电压较高的电池提前充电截止，在电池组极差大于设定值时，判断电压最高的电池与相邻电池电压是否在允许范围内，即按照电压由高到低顺序依次均衡，最终达到一致；
12.在放电模式下，dc/ac功率转换电路1可作为逆变电路，将电池中输出的直流电转换为交流电并馈于电网；开关管s1-s4工作，其中，开关管s1-s4依照电网相位交替进行逆变，其中s1和s2互补导通，s3和s4互补导通，s1和s3同时导通，s2 和s4同时导通；开关电容均衡电路此时的首要任务是“填谷”，即避免电压较低的电池提前截止，在电池组极差大于设定值时，首先判断电压最低节电池与相邻电池电压是否在允许范围内，即按照电压由低到高顺序依次均衡，最终达到一致。
13.本专利通过引入开关电容均衡电路提出一种新的具有能量均衡功能的级联 h桥储能电路，该控制方法可同时实现电压调节与功率分配控制，对于开关电容均衡电路，每个电池单体与两个开关电容相连，通过控制二极管的闭合实现能量在不同电池单体电池间进行转移来减小相邻电池之间的差异性，达到均衡管理电池组的目的；不仅可以提高电池组的容量利用率，而且还可以避免电池因为充放电过度引发的安全问题，增加电池的循环使用次数。
附图说明：
14.图1是现有技术中单级式储能pcs拓扑图。
15.图2是现有技术中双级式储能pcs拓扑图。
16.图3是现有技术中三电平储能pcs拓扑图。
17.图4是现有技术中级联h桥拓扑图。
18.图5是根据本发明的具有能量均衡功能的级联h桥储能电路的方框示意图。
19.图6为图5所示级联h桥储能电路的拓扑结构图。
具体实施方式：
20.实施例：
21.结合图5、图6来看，一种具有能量均衡功能的级联h桥储能电路，包括： dc/ac功率转换电路1、开关电容均衡电路2、三相交流源3、驱动电路4、控制电路5；其中，dc/ac功率转换电路1包括交流端和直流端；三相交流源3与dc/ac 功率转换电路1的交流端相连，开关电
容均衡电路2与dc/ac功率转换电路1的直流端相连；其中，dc/ac功率转换电路1用于对谐波进行抑制，dc/ac功率转换电路1还用于将三相交流源3产生的交流电整流为直流电并传输给电池为其充电，开关电容均衡电路2则是起到了优化电池容量均衡配置的作用。
22.由于此级联h桥储能电路属于模块化设计且三相无差别，故在分析工作原理时以某一相及单个模块作具体示例说明。
23.首先分析功率转换系统。在充电模式下，dc/ac功率转换电路1可视为整流电路，开关管s1-s4工作，并依照dc/ac功率转换电路1的控制占空比交替导通， s1和s2互补导通，s3和s4互补导通，s1和s3交错180度导通，s2和s4交错180度导通，之后将电网中多余的交流电转换为直流电储存于电池中。其它的模块同理。
24.对于能量均衡系统。本发明所涉及的均衡电路属于非能量消耗型电路，即使用以电容为代表的储能元件在电池组之间进行能量转移，进而使电池组电压保持一致，实现容量均衡配置。
25.在充电模式下，该阶段电路的均衡原则是：以最大化电池组容量利用率为目的，即避免电压较高的电池提前充电截止，在电池组极差大于设定值时，判断电压最高的电池与相邻电池电压是否在允许范围内，即按照电压由高到低顺序依次均衡，最终达到一致。具体示例为：首先选取电池组中电压最高的一组，假设为 u
dc2
，此时分别和相邻电池作比较，两两得出电池差u
dc2-u
dc1
及u
dc2-u
dc3
。选择差值较大的一节与电压最高的一组电池通过与电池后方相连的超级电容进行相等均衡，并以此类推直至达到最终均衡。
26.在放电模式下，dc/ac功率转换电路1可作为逆变电路，将电池中输出的直流电转换为交流电并馈于电网。开关管s1-s4工作，其中，开关管s1-s4依照电网相位交替进行逆变，其中s1和s2互补导通，s3和s4互补导通，s1和s3同时导通， s2和s4同时导通。
27.在放电模式下，均衡电路此时的首要任务是“填谷”，即避免电压较低的电池提前截止，在电池组极差大于设定值时，首先判断电压最低节电池与相邻电池电压是否在允许范围内，即按照电压由低到高顺序依次均衡，最终达到一致。首先选取电池组中电压最低的一组，假设为u
dc2
，此时分别和相邻电池作比较，两两得出电池差u
dc2-u
dc1
及u
dc2-u
dc3
。选择差值较大的一节与电压最高的一组电池通过与电池后方相连的超级电容进行相等均衡，并以此类推直至达到最终均衡。