一种混合钳位四电平四桥臂储能装置 |
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| 申请号 | CN202410102258.6 | 申请日 | 2024-01-24 | 公开(公告)号 | CN118040749A | 公开(公告)日 | 2024-05-14 |
| 申请人 | 苏州大学; | 发明人 | 杨勇; | ||||
| 摘要 | 本 申请 提供一种混合钳位四电平四桥臂储能装置，所述储能装置包括a桥臂、b桥臂、c桥臂、n桥臂和公共z桥臂，并且a桥臂、b桥臂、c桥臂、n桥臂的结构相同，并均与公共z桥臂相连。所述a桥臂、b桥臂、c桥臂通过 LC 滤波器 与负载相连。所述储能装置进一步包括直流 母线 ，所述 直流母线 包括 串联 的第一电容、第二电容、第三电容；其中，第一电容的负极连接第二电容的正极，第二电容的负极连接第三电容的正极。本申请提出一种新型1500V混合钳位四电平四桥臂储能装置，实现新型电 力 电子 开关 器件少、满足离网 不平衡 负载、各个功率器件损耗均衡等多目标。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种混合钳位四电平四桥臂储能装置，其特征在于， |
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| 说明书全文 | 一种混合钳位四电平四桥臂储能装置技术领域[0001] 本申请涉及储能装置技术领域，尤其涉及一种混合钳位四电平四桥臂储能装置。 背景技术[0002] 储能变换器是1500V集装箱储能系统的关键电气装备，其性能直接影响1500V集装箱储能系统的安全、稳定、高效和经济运行等。储能变流器能够实现储能直流电源侧与交流 电网侧能量的双向交互，通过改变控制策略实现对储能侧直流电源的充放电、电网侧负荷 功率的跟踪及对并网和孤岛运行模式切换控制等。将储能系统直流侧电压升高主要可降低 能量损耗及线路成本，提高系统的输电效率，现行储能系统直流侧电压主要分为1000V、 1500V，可广泛应用于发电侧、电网侧等电力储能以及大型工商业储能。储能系统升级至 1500V后，使能量密度、功率密度同步提高了35％以上，系统成本降低了5％以上。因此， 1500V储能系统在新能源发电系统有很用的应用前景。 [0003] 和传统二电平变换器相比，三电平变换器具有减少滤波器体积和大小、减少共模电压、提高输出电压/电流波形质量和提高变换器效率等优点。因此，三电平变换器在新能 源发电系统和电机驱动系统得到了广泛研究和应用。传统三电平变换器如二极管钳位型三 电平变换器、T型三电平变换器等在输出不同电平时各个功率器件的作用时间不同，从而使 各个功率器件存在损耗不均衡问题，使逆变器各部分发热不均。当某一器件温度超过其耐 受温度时，其他开关管可能没有达到电流耐受值，严重影响变换器的工作效率，难以在大功 率场合中稳定运行，甚至可能会因为局部过热而爆炸，引发人身安全事故。因此，通态损耗 越不均衡，相同开关管性能发挥的越不充分，大大增加了电力系统的成本。有源中点钳位 (Active Neutral Point Clamped,ANPC)三电平变换器，在原来的基础上增加了零电平状 态，通过更加合理的导通方式实现逆变器损耗平衡分布，在大功率场合得到广泛的研究和 应用。 [0004] 四电平变换器与三电平变换器相比，可以进一步减少变换器滤波器的大小、减少电力电子开关管承受电压和提高变换器效率。因此，四电平变换器在大功率新能源发电系 统和电机驱动得到广泛的研究和应用。为减少三相四电平变换器成本，减少三相四电平变 换器的电力电子开关管成为关键。 [0005] 对于1500V储能系统，既需要运行在并网工况，也需要运行在离网工况。当1500V储能系统运行离网状态，负载不平衡。传统三相三线制无法满足离网不平衡负载的要求。 [0006] 综上，探索新型电力电子开关器件少、满足离网不平衡负载、各个功率器件损耗均衡等多电平1500V储能装置具有重要意义。 [0008] 针对传统三相多电平变换器的问题，本申请提出一种新型1500V混合钳位四电平四桥臂储能装置，以解决以上问题。 [0009] 基于上述目的，本申请提出了一种混合钳位四电平四桥臂储能装置，包括： [0010] 所述储能装置包括a桥臂、b桥臂、c桥臂、n桥臂和公共z桥臂，并且a桥臂、b桥臂、c桥臂、n桥臂的结构相同，并均与公共z桥臂相连。 [0011] 进一步地，所述a桥臂、b桥臂、c桥臂通过LC滤波器与负载相连。 [0013] 进一步地，所述a桥臂包括：第一、第二、第三、第四、第五、第六电力电子开关管；其中， [0014] 第一电力电子开关管的漏极与第一电容的正极相连，第一电力电子开关管的源极和第二电力电子开关管的漏极相连，第二电力电子开关管的源极和第三电力电子开关管的 漏极相连，第三电力电子开关管的源极和第四电力电子开关管的漏极相连，第四电力电子 开关管的源极与第三电容的负极相连，第五电力电子开关管的漏极与第二电力电子开关管 的漏极相连，第五电力电子开关管的源极与第六电力电子开关管的漏极相连，第六电力电 子开关管的源极与第三电力电子开关管的源极相连。 [0015] 进一步地，所述b桥臂包括：第七、第八、第九、第十、第十一、第十二电力电子开关管；其中， [0016] 第七电力电子开关管的漏极与第一电容的正极相连，第七电力电子开关管的源极和第八电力电子开关管的漏极相连，第八电力电子开关管的源极和第九电力电子开关管的 漏极相连，第九电力电子开关管的源极和第十电力电子开关管的漏极相连，第十电力电子 开关管的源极与第三电容的负极相连，第十一电力电子开关管的漏极与第八电力电子开关 管的漏极相连，第十一电力电子开关管的源极与第十二电力电子开关管的漏极相连，第十 二电力电子开关管的源极与第九电力电子开关管的源极相连。 [0017] 进一步地，所述c桥臂包括：第十三、第十四、第十五、第十六、第十七、第十八电力电子开关管；其中， [0018] 第十三电力电子开关管的漏极与第一电容的正极相连，第十三电力电子开关管的源极和第十四电力电子开关管的漏极相连，第十四电力电子开关管的源极和第十五电力电 子开关管的漏极相连，第十五电力电子开关管的源极和第十六电力电子开关管的漏极相 连，第十六电力电子开关管的源极与第三电容的负极相连，第十七电力电子开关管的漏极 与第十四电力电子开关管的漏极相连，第十七电力电子开关管的源极与第十八电力电子开 关管的漏极相连，第十八电力电子开关管的源极与第十五电力电子开关管的源极相连。 [0019] 进一步地，所述n桥臂包括：第十九、第二十、第二十一、第二十二、第二十三、第二十四电力电子开关管；其中， [0020] 第十九电力电子开关管的漏极与第一电容的正极相连，第十九电力电子开关管的源极和第二十电力电子开关管的漏极相连，第二十电力电子开关管的源极和第二十一电力 电子开关管的漏极相连，第二十一电力电子开关管的源极和第二十二电力电子开关管的漏 极相连，第二十二电力电子开关管的源极与第三电容的负极相连，第二十三电力电子开关 管的漏极与第二十电力电子开关管的漏极相连，第二十三电力电子开关管的源极与第二十 四电力电子开关管的漏极相连，第二十四电力电子开关管的源极与第二十一电力电子开关 管的源极相连。 [0021] 进一步地，所述公共z桥臂包括第二十五、第二十六电力电子开关管；其中， [0022] 第二十五电力电子开关管的源极与第二十六电力电子开关管的漏极相连与O点，所述O点分别连接a桥臂、b桥臂、c桥臂、n桥臂，所述第二十五电力电子开关管的漏极与第一 电容的负极相连，第二十六电力电子开关管的源极与第二电容的负极相连。 [0023] 进一步地，所述电力电子开关管采用绝缘栅双极型晶体管。 [0024] 进一步地，所述n桥臂通过所述LC滤波器中的电容与负载相连。 [0025] 总的来说，本申请的优势及给用户带来的体验在于：本申请提出一种新型1500V混合钳位四电平四桥臂储能装置，实现新型电力电子开关器件少、满足离网不平衡负载、各个 功率器件损耗均衡等多目标。 附图说明 [0026] 在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图仅描绘了根据本申请 公开的一些实施方式，而不应将其视为是对本申请范围的限制。 [0027] 图1示出本申请的1500V混合钳位四电平四桥臂储能装置拓扑结构示意图。 [0028] 图2示出根据本申请实施例的1500V混合钳位四电平四桥臂储能装置a相桥臂结构和公共z桥臂结构图。 具体实施方式[0029] 下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便 于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。 [0030] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。 [0031] 术语解释： [0032] 多电平逆变器：多电平逆变器是指每个桥臂可以输出多种电平的逆变器，与传统的两电平逆变器相比，多电平逆变器不仅可以输出更多的电压等级，从而降低开关器件的 电压应力，产生更接近于正弦波的输出电压，减少谐波含量和电磁干扰。同时，多电平逆变 器能够实现更高的电压和电流调节精度，减小了能量转换过程中的损耗。常见的多电平拓 扑结构包括二极管钳位，电容钳位或级联H桥等。 [0033] 一种新型1500V混合钳位四电平四桥臂储能装置拓扑结构如图1所示。该拓扑结构中共采用26个电力电子开关管。26个电力电子开关管分别为S1、S2、Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sa5、Sa6、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sb5、Sb6、Sc1、Sc2、Sc3、Sc4、Sc5、Sc6、Sn1、Sn2、Sn3、Sn4、Sn5、Sn6。1500V混合钳位四电平四桥臂储能装置由a桥臂、b桥臂、c桥臂、n桥臂和公共z桥臂构成，储能装置a桥臂、b桥臂、 c桥臂通过LC滤波器与负载相连。1500V混合钳位四电平四桥臂储能装置中，a桥臂、b桥臂、c 桥臂、n桥臂结构相同。下面具体分析a桥臂结构，其结构如图2所示。在本发明新型1500V储 能装置中，电力电子开关管采用绝缘栅双极型晶体管(insulated‑gate bipolar transistor，IGBT)。直流母线由三个电容C1、电容C2和电容C3串联组成，其中电容C1一端连 接P点，另一端连接P1点，电容C2一端连接P1点，另一端连接N1点，电容C3一端连接N1点，另一 端连接N点。电力电子开关管Sa1的漏极与直流母线正极P点相连，电力电子开关管Sa1的源极 和电力电子开关管Sa2的漏极相连Pa1点，电力电子开关管Sa2的源极和电力电子开关管Sa3的 漏极相连a点，电力电子开关管Sa3的源极和电力电子开关管Sa4的漏极相连Na1点，电力电子 开关管Sa4的源极与直流母线负极N点相连，电力电子开关管Sa5的漏极与电力电子开关管Sa2 的漏极相连Pa1点，电力电子开关管Sa5的源极与电力电子开关管Sa6的漏极相连O点，电力电 子开关管Sa6的源极与电力电子开关管Sa3的源极相连Na1点。公共z桥臂的电力电子开关管S1 的源极与电力电子开关管S2的漏极相连O点。电力电子开关管S1的漏极与电容C1相连P1点， 电力电子开关管S2的源极与电容C2相连N1点。b桥臂、c桥臂、n桥臂结构与a桥臂相同，1500V 混合钳位四电平四桥臂储能装置的a桥臂、b桥臂、c桥臂、n桥臂与公共z桥臂相连。n桥臂通 过所述LC滤波器中的电容与负载相连。 [0034] 电力电子开关管Sb1的漏极与直流母线正极P点相连，电力电子开关管Sb1的源极和电力电子开关管Sb2的漏极相连Pb1点，电力电子开关管Sb2的源极和电力电子开关管Sb3的漏 极相连b点，电力电子开关管Sb3的源极和电力电子开关管Sb4的漏极相连Nb1点，电力电子开 关管Sb4的源极与直流母线负极N点相连，电力电子开关管Sb5的漏极与电力电子开关管Sb2的 漏极相连Pb1点，电力电子开关管Sb5的源极与电力电子开关管Sb6的漏极相连O点，电力电子 开关管Sb6的源极与电力电子开关管Sb3的源极相连Nb1点。 [0035] 电力电子开关管Sc1的漏极与直流母线正极P点相连，电力电子开关管Sc1的源极和电力电子开关管Sc2的漏极相连Pc1点，电力电子开关管Sc2的源极和电力电子开关管Sc3的漏 极相连c点，电力电子开关管Sc3的源极和电力电子开关管Sc4的漏极相连Nc1点，电力电子开 关管Sc4的源极与直流母线负极N点相连，电力电子开关管Sc5的漏极与电力电子开关管Sc2的 漏极相连Pc1点，电力电子开关管Sc5的源极与电力电子开关管Sc6的漏极相连O点，电力电子 开关管Sc6的源极与电力电子开关管Sc3的源极相连Nc1点。 [0036] 电力电子开关管Sn1的漏极与直流母线正极P点相连，电力电子开关管Sn1的源极和电力电子开关管Sn2的漏极相连Pn1点，电力电子开关管Sn2的源极和电力电子开关管Sn3的漏 极相连n点，电力电子开关管Sn3的源极和电力电子开关管Sn4的漏极相连Nn1点，电力电子开 关管Sn4的源极与直流母线负极N点相连，电力电子开关管Sn5的漏极与电力电子开关管Sn2的 漏极相连Pn1点，电力电子开关管Sn5的源极与电力电子开关管Sn6的漏极相连O点，电力电子 开关管Sn6的源极与电力电子开关管Sn3的源极相连Nn1点。 [0037] 对于图2新型1500V混合钳位四电平四桥臂储能装置，假定直流母线滤波电容C1、滤波电容C2和滤波电容C3控制为Vdc/3，储能装置以直流母线负极N为参考点。1500V混合钳 位四电平四桥臂储能装置a桥臂和公桥臂z的开关状态和输出电压如表1所示,其中“1”代表 电力电子开关管开通，“0”代表电力电子开关管关断。从表1可以看出：1500V混合钳位四电 平四桥臂储能装置a桥臂输出Vdc、2Vdc/3、Vdc/3、0四个电平和8个开关状态。 [0038] 表1：a桥臂和公桥臂z的开关状态和输出电压 [0039] [0040] [0041] 开关状态V1：电力电子开关S1、Sa1、Sa2、Sa6开通，电力电子开关S2、Sa3、Sa4、Sa5关断,储能装置a桥臂输出电压为Vdc。 [0042] 开关状态V2：电力电子开关S2、Sa1、Sa2、Sa6开通，电力电子开关S1、Sa3、Sa4、Sa5关断,储能装置a桥臂输出电压为Vdc。 [0043] 开关状态V3：电力电子开关S1、Sa1、Sa3、Sa6开通，电力电子开关S2、Sa2、Sa4、Sa5关断,储能装置a桥臂输出电压为2Vdc/3。 [0044] 开关状态V4：电力电子开关S2、Sa2、Sa4、Sa5开通，电力电子开关S1、Sa1、Sa3、Sa6关断,储能装置a桥臂输出电压为2Vdc/3。 [0045] 开关状态V5：电力电子开关S2、Sa1、Sa3、Sa6开通，电力电子开关S1、Sa2、Sa4、Sa5关断,储能装置a桥臂输出电压为Vdc/3。 [0046] 开关状态V6：电力电子开关S2、Sa2、Sa4、Sa5开通，电力电子开关S1、Sa1、Sa3、Sa6关断,储能装置a桥臂输出电压为Vdc/3。 [0047] 开关状态V7：电力电子开关S1、Sa3、Sa4、Sa5开通，电力电子开关S2、Sa1、Sa2、Sa6关断,储能装置a桥臂输出电压为0。 [0048] 开关状态V8：电力电子开关S2、Sa3、Sa4、Sa5开通，电力电子开关S1、Sa1、Sa2、Sa6关断,储能装置a桥臂输出电压为0。 [0049] 需要说明的是： [0050] 在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本申请的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构 和技术，以便不模糊对本说明书的理解。 [0051] 类似地，应当理解，为了精简本申请并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本申请的示例性实施例的描述中，本申请的各个特征有时被一起分组到单个实施 例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保 护的本申请要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面 的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此， 遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身 都作为本申请的单独实施例。 [0052] 本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单 元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或 子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何 组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任 何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权 利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代 替。 [0053] 此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本申请的 范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任 意之一都可以以任意的组合方式来使用。 [0054] 应该注意的是上述实施例对本申请进行说明而不是对本申请进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中， 不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未 列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的 元件。本申请可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实 现。在列举了若干系统的单元权利要求中，这些系统中的若干个可以是通过同一个硬件项 来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名 称。 [0055] 以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到其各种变化或替换， 这些都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保 护范围为准。 |
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