一种液流电池储能系统一级功率变换拓扑

本发明属于面向液流电池储能系统，特别涉及一种液流电池储能系统功率变换拓扑。

背景技术：

1、储能技术是构建以新能源为主体的新型电力系统的关键支撑技术，其中液流电池储能技术具有安全、可靠、环保、寿命长等优点，是构建长时间、大规模储能的首选之一。

2、大规模液流电池储能系统一般由多组电堆模块集成而来。而电堆通常由多个单电池串联组成，并通过储罐和液路系统统一供应电解液，电解液通过公共管道并列分配到各个单电池。

3、在工程应用中，为了满足实际需求，需要对多个电堆进行串并联，实现高电压、大功率的输出，在同一对电解液储罐的电堆组串并联成组运行时，电堆之间的液路系统会产生泄露电流，影响电堆内部的泄露电流分布以及内部单电池的电压分布，在新的泄露电流影响下，同一液路系统中的电堆串联后，其单电堆电压水平会低于串联前的单电堆。

4、传统储能变流器一般分为一级储能变流器和两级储能变流器。一级储能变流器电路简单、损耗小，电能只需经过一次dc/ac变换，缺点是升降压能力不足，需要储能系统直流侧直接提供较高的电压水平。两级储能变流器在一级基础上，在储能电池和dc/ac变流器之间加入dc/dc变流器进行升压(放电)、降压(充电)，是大部分传统液流电池储能系统采用的并网变流方式，缺点是两级变换增加了储能系统结构的复杂度和控制难度，降低了储能系统效率及可靠性。

技术实现思路

1、本发明提供一种液流电池储能系统一级功率变换拓扑，不采用同一电堆组(液路系统)内电堆串联的方法，而是将不同电堆组(液路系统)中各自提供的一个任意位置的电堆进行串联，以提高电堆串联成组的电压水平，从而可简化储能变流器的拓扑结构，只采用一级dc/ac功率变换，即可提高液流电池储能系统的功率容量、效率及可靠性。

2、液流电池储能系统一级功率变换拓扑，其特征在于，所述液流电池储能系统一级功率变换拓扑主要由跨电堆组的电堆串联成组拓扑与一级储能变流器拓扑级联构成。

3、所述液流电池储能系统由多套液路系统构成，在一套液路系统中，一对正负极电解液储罐通过正负极电解液液路管道与电堆的正负极电解液进出口连接，与电堆内部液路管道形成电解液循环回路，在液泵的驱动下，为多个电堆提供电解液。

4、所述正负极电解液液路管道包括：

5、正极液路进液旁管：连接在所述电堆的正极电解液进口和所述正极液路进液公共管道之间；

6、正极液路出液旁管：连接在所述电堆的正极电解液出口和所述正极液路出液公共管道(10)之间；

7、正极液路进液公共管道：连接在所述正极电解液进液旁管和所述正极电解液储罐的出口之间，靠近储罐出口处设有液泵；

8、正极液路出液公共管道：连接在所述正极电解液出液旁管和所述正极电解液储罐的进口之间；

9、负极液路进液旁管：连接在所述电堆的负极电解液进口和所述负极液路进液公共管道之间；

10、负极液路出液旁管：连接在所述电堆的负极电解液出口和所述负极液路出液公共管道之间；

11、负极液路进液公共管道：连接在所述负极电解液进液旁管和所述负极电解液储罐的出口之间，靠近储罐出口处设有液泵；

12、负极液路出液公共管道：连接在所述负极电解液出液旁管和所述负极电解液储罐的进口之间。

13、受到一套液路系统供液的多个电堆，称为一个电堆组。

14、在解释本发明中电堆之间的电气连接拓扑前，有必要先阐述本发明对电堆串联连接的定义：

15、有两个电堆时，第一个电堆的负极与第二个电堆的正极通过电气连接线连接，第一个电堆的正极作为连接后的总正极，第二个电堆的负极作为连接后的总负极；

16、有多个电堆时，前一个电堆与后一个电堆之间，按照上述两个电堆串联的方式连接，第一个电堆的正极作为连接后的总正极，最后一个电堆的负极作为连接后的总负极；

17、多个具有上述串联连接关系的电堆构成一个电堆串。

18、所述跨电堆组的电堆串联成组拓扑采用的串联成组方式是由多个电堆组(液路系统)各自分别提供一个位置相同或位置不同的电堆进行串联连接，构成跨电堆组的电堆串，具有所述串联方式连接关系的电堆构成跨电堆组的电堆串联成组拓扑结构。

19、例如：液流电池储能中有n套液路系统及其对应的n个电堆组，每个电堆组中有m个电堆，那么按照所述串联成组方式，所述跨电堆组的电堆串联成组中n个电堆构成一个电堆串。

20、所述跨电堆组的电堆串联成组拓扑，避免了在同一个液路系统的电堆组中电堆之间的电气连接，使同一电堆组液路系统旁管和公共管道中无电势差存在，消除了电堆之间液路管道中电解液产生泄露电流损耗，改善了电堆串中电堆电压的一致性，方便提高电堆的串联数量及电堆串的整体电压。

21、由于电堆串电压水平的提高，所述储能变流器拓扑无需dc/dc变流环节，只需一级dc/ac变流器通过隔离变压器与交流电网相连就可满足液流储能系统变流要求，构成所述一级储能变流器拓扑。

22、所述一级储能变流器拓扑包括一级dc/ac变流器、直流母线电容、lcl滤波器以及隔离变压器；

23、所述一级dc/ac变流器采用两、三、多电平等电压源型pwm变流器(vsc)，变流器直流侧并联直流母线电容构成所述一级储能变流器拓扑直流侧，变流器交流侧串联lcl滤波器和隔离变压器构成所述一级储能变流器拓扑交流侧；

24、最后，所述一级储能变流器拓扑直流侧与所述跨电堆组的电堆串联成组拓扑构成电堆串的总正极和总负极相连，所述一级储能变流器拓扑交流侧与交流电网相连，构成所述液流电池储能系统一级功率变换拓扑。

25、本发明所提供的方法具有下列有益效果：

26、液流电池储能系统一级功率变换拓扑，可避免在同一个电堆组(液路系统)中的电堆之间的电气连接，消除了液路管道上的电势差，解决了电堆外部液路系统的泄露电流损耗问题；

27、改善了电堆串中电堆电压的一致性；

28、提高了电堆的串联数量及串联电压水平，可实现电堆串的高电压集成，提高了电堆串的整体电压和功率水平；

29、提高了储能变流器直流母线电压，省去了储能变流器dc/dc直流升压(放电)、降压(充电)环节，减少了功率变换环节；

30、一级储能变流器拓扑与跨电堆组的电堆串联成组拓扑级联构成的液流电池储能系统一级功率变换拓扑提高了储能系统功率变换的容量、效率及可靠性。

技术特征：

1.一种液流电池储能系统一级功率变换拓扑，其特征在于，所述一种液流电池储能系统一级功率变换拓扑包括跨电堆组的电堆串联成组拓扑以及一级储能变流器拓扑；

2.根据权利要求1所述的液流电池储能系统一级功率变换拓扑，其特征在于，所述液路系统由正负极电解液储罐、正负极电解液液路管道、电堆内部液路管道及液泵构成，一对正负极电解液储罐通过正负极电解液液路管道与电堆的正负极电解液进出口连接，与电堆内部液路管道形成电解液循环回路，在液泵的驱动下，构成一套液路系统。

3.根据权利要求2所述的液流电池储能系统一级功率变换拓扑，其特征在于，所述正负极电解液液路管道包括：

4.根据权利要求2所述的液流电池储能系统一级功率变换拓扑，其特征在于，所述一套液路系统给多个电堆提供电解液，这些电堆构成一个电堆组。

5.根据权利要求4所述的液流电池储能系统一级功率变换拓扑，其特征在于，所述电堆组各自分别提供一个位置相同或位置不同的电堆进行电气串联连接，构成跨电堆组的电堆串。

6.根据权利要求5所述的液流电池储能系统一级功率变换拓扑，其特征在于，所述串联连接包括：

7.根据权利要求1所述的液流电池储能系统一级功率变换拓扑，其特征在于，所述一级储能变流器拓扑包括一级dc/ac变流器、直流母线电容、lcl滤波器以及隔离变压器，所述一级dc/ac变流器采用两、三、多电平等电压源型pwm变流器(vsc)。

8.根据权利要求1所述的一级功率变换的液流电池储能系统拓扑，其特征在于，所述一级储能变流器拓扑直流侧由所述一级dc/ac变流器直流侧并联直流母线电容构成。

9.根据权利要求1所述的液流电池储能系统一级功率变换拓扑，其特征在于，所述一级储能变流器拓扑交流侧由所述一级dc/ac变流器交流侧串联lcl滤波器和隔离变压器构成。

技术总结
本发明公开了一种液流电池储能系统一级功率变换拓扑，包括跨电堆组的电堆串联成组拓扑和一级储能变流器拓扑。所述电堆成组拓扑由多个电堆组中各出一个电堆跨电堆组串联构成，所述一级储能变流器拓扑由电压源型PWM变流器(VSC)组成，其直流侧与串联电堆相连，交流侧经隔离变压器与交流电网相连构成。本发明避免在同一电堆组内的电堆串联，以免产生泄露电流损耗，并提高电堆串联成组电压，在此基础上，仅通过一级DC/AC双向变换，即可实现储能系统高效大功率并网。本发明的有益效果是从减免泄露电流损耗，增加电堆串联数量提高直流母线电压，以及减少功率变换环节，这三个维度提升液流电池储能系统功率水平和效率。

技术研发人员：颜湘武,蔡光
受保护的技术使用者：华北电力大学（保定）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13