储能型固态变压器及其控制方法与流程

本发明属于电气自动化设备，具体涉及一种储能型固态变压器及其控制方法。

背景技术：

1、随着ai算力爆发式增长，训练型aidc单机柜功率已突破100kw，对供电系统的容量、效率和可靠性提出前所未有的要求。固态变压器（solid state transformer, sst）凭借其高频化、多端口、智能可控等优势，被视为下一代数据中心供电架构的核心设备。当前，将sst与储能系统深度融合，已成为破解高功率密度供电、供电可靠性跃升等核心挑战的关键路径。

2、然而，现有技术中固态变压器与储能系统的融合方案均存在显著局限性。例如，专利文献cn121508105a公开了一种用于数据中心的能量调节路由器，其将储能电池直接连接在sst的直流母线处，仅在控制策略上进行融合，拓扑上仍是分离的，这导致直流母线电压易受储能充放电影响而宽范围波动，不利于后级变换器的优化设计。再如，专利文献cn119010600a和cn115632562a均公开了基于模块化多电平变换器（mmc）的固态变压器拓扑及混频调制方法，其通过共模、差模解耦或设置高频消除子模块来实现高低频信号的解耦。然而，这些方案或依赖于特定的子模块拓扑和复杂的成对控制，或子模块功能高度耦合，设计与均衡复杂，且未涉及储能单元在子模块层面的深度集成。专利文献cn114070115b虽然公开了一种级联h桥储能系统，但该系统未提供电气隔离，且未实现固态变压器所需的高频隔离与电压变换功能。

3、综上所述，现有技术均未能在单个拓扑中同时实现分布式储能子模块级联、集中式高频隔离变换以及工频与高频控制的完全解耦，导致系统成本、效率和可靠性难以兼顾。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中储能系统与固态变压器在拓扑架构上分离、控制策略上耦合、能量路径冗长、系统成本高等缺陷，提供一种储能型固态变压器及其控制方法，实现储能与功率变换在拓扑架构和控制策略层面的融合，降低系统成本，提升系统效率，并支撑新能源直接接入与高效消纳。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、需要说明的是，本发明提供的储能型固态变压器，也可称为储能型电力电子变压器，两者均指采用高频变压器实现电气隔离和电压变换的储能型电力电子变换装置。为便于描述，本发明统一采用储能型固态变压器进行说明。

4、本发明提出一种储能型固态变压器，包括：

5、三个结构相同的单元，分别连接于三相中高压交流电网的a相、b相、c相与低压直流正负母线之间；

6、每个所述单元包括：一相储能桥臂、网侧滤波电抗、交流软起电路、整流器和母线电容；所述一相储能桥臂由多个储能子模块的交流端口依次串联构成，其一端通过所述网侧滤波电抗和所述交流软起电路连接至所述三相中高压交流电网的对应相，另一端与另外两个所述单元中的一相储能桥臂的对应端连接构成中性点；

7、所述储能型固态变压器还包括：谐振电容、谐振电感和矩阵变压器，所述谐振电容、谐振电感和矩阵变压器的原边支路与三个所述一相储能桥臂构成高频电路回路；

8、所述整流器的交流端口用于连接矩阵变压器的副边交流端口，所述整流器的直流端口连接所述母线电容；

9、三个所述单元的母线电容正负极相互并联，汇集形成所述储能型固态变压器的低压直流正负母线端口。

10、在上述技术方案的基础上，所述高频电路回路可以采用以下两种方式之一构成：

11、方式一：在每个所述单元中，所述谐振电容、谐振电感、矩阵变压器的原边支路与所述一相储能桥臂的交流端口串联构成一个高频电路回路。该方式便于各相谐振参数的独立优化。

12、方式二：三个所述谐振电容的一端相互连接，另一端各自连接至三个单元中所述网侧滤波电抗与所述一相储能桥臂的连接处；所述谐振电感和矩阵变压器的原边支路串联后，一端连接至三个所述谐振电容的相互连接端，另一端连接至所述中性点。该方式可自动平衡三相谐振电流，简化功率回路布局。

13、在上述技术方案的基础上，所述储能子模块包括储能单元、滤波电感、滤波电容、直流软起电路、功率器件和旁路开关，四个所述功率器件和所述滤波电容形成交直流功率变换电路，在其交流输出端口连接所述旁路开关，所述储能单元串联所述滤波电感和所述直流软起电路后与所述滤波电容支路并联。所述储能单元可以是电池簇、超级电容或锂超容等能量存储载体。所述直流软起电路包括由旁路接触器和预充电电阻并联构成，用于在储能单元投入运行时限制冲击电流。所述旁路开关用于在储能子模块故障时将该储能子模块旁路出桥臂，保证系统的冗余运行能力。

14、进一步地，所述矩阵变压器由多个分立的高频变压器组成，多个所述高频变压器的原边串联形成一个高压交流端口，多个所述高频变压器的副边形成多个副边交流端口。优选地，所述矩阵变压器包含3至12个高频变压器。

15、进一步地，所述整流器为二极管不控整流桥或同步整流电路。优选采用同步整流电路以提高整流效率。

16、第二方面，本发明还提出一种上述储能型固态变压器的控制方法，包括以下步骤：

17、网侧功率控制步骤：控制向所述三相中高压交流电网注入的有功功率和无功功率，通过对并网电流进行闭环控制生成三个所述一相储能桥臂各自的低频调制电压；

18、低压直流母线电压控制步骤：控制低压直流母线电压，通过对低压直流母线电压进行闭环控制生成三个所述一相储能桥臂各自的高频调制电压；

19、调制电压合成步骤：将所述网侧功率控制步骤生成的所述低频调制电压和所述低压直流母线电压控制步骤生成的所述高频调制电压相加，形成三个所述一相储能桥臂各自的最终调制电压。

20、进一步地，所述网侧功率控制步骤包括：

21、储能充放电功率控制子步骤：将储能的充放电功率指令和低压直流的输出功率求和后计算得到并网电流控制的有功电流指令；

22、储能相间荷电状态均衡子步骤：根据三个所述单元中储能子模块的平均荷电状态计算出零序电压的幅值和相位，叠加到三个所述一相储能桥臂各自的调制电压上；

23、储能相内荷电状态均衡子步骤：根据每个所述一相储能桥臂内各个所述储能子模块的荷电状态与该一相储能桥臂内储能子模块的平均荷电状态的差值，计算出各个储能子模块的调制波上叠加的均衡电压；

24、并网电流控制子步骤：通过对并网电流进行闭环控制生成三个所述一相储能桥臂各自的低频调制电压。

25、进一步地，所述低压直流母线电压控制步骤包括：

26、母线电压闭环控制子步骤：对低压直流母线电压进行闭环控制生成三个所述一相储能桥臂各自的高频调制电压；

27、相间电流均衡子步骤：根据三个所述单元各自直流侧输出电流与三个所述单元直流侧输出电流的平均值的差值，计算出三个所述单元各自高频调制电压的补偿电压；

28、将所述母线电压闭环控制子步骤和所述相间电流均衡子步骤输出的调制电压相加后得到三个所述单元各自的最终高频调制电压。

29、进一步地，所述低频调制电压的频率为50hz或60hz，所述高频调制电压的频率为5khz至50khz。

30、在上述技术方案的基础上，所述控制方法还包括并离网切换控制步骤：当检测到电网故障时，控制所述储能型固态变压器从电流源模式切换为电压源模式，由所述储能子模块通过所述一相储能桥臂和所述矩阵变压器为负载供电，切换时间不超过1ms。

31、本发明的有益效果是：

32、本发明将储能变流器与固态变压器的功率单元在拓扑层面深度集成，共用功率器件、控制平台、散热系统，可使系统初始投资降低约30%-40%，并大幅减少占地面积。

33、融合架构使能量路径由多级迂回变为最短路径直达，电网、储能与负载间的能量交换通过同一功率单元实现，系统综合效率显著提升。

34、本发明将三个一相储能桥臂各自的调制电压分解为低频调制电压和高频调制电压，二者由独立控制模块生成后叠加，工频并网控制与高频谐振变换控制完全解耦，可独立优化。

35、采用相间荷电状态通过零序电压均衡、相内荷电状态通过调制波叠加均衡的多级均衡方法，均衡精度高，不影响并网电能质量，大幅提高储能系统的可用容量和使用寿命。

36、系统融合后赋予了完整的构网型能力，可主动为电网提供惯量支撑和频率响应，并在毫秒级内完成并离网无缝切换，支撑新能源直接接入和高效消纳。