一种超导磁储能系统及其DC/DC换流器的制作方法

一种超导磁储能系统及其dc/dc换流器
技术领域
1.本技术涉及电能变换技术领域，特别涉及一种超导磁储能系统及其dc/dc换流器。


背景技术：

2.smes(superconducting magnetic energy storage,超导储能)系统与电网之间实现能量的双向流动主要依靠于dc/dc换流器。双向dc/dc换流器作为超导磁体与电网的接口，在功率转换中起到了传递能量的作用。它通过控制电力电子开关的通断，进行能量的储存和释放，可以降低直流侧电压波动，对抑制直流振荡，提高整个系统稳定性具有重要意义。dc/dc换流器通过一定的控制策略能够实现功率的双向流动。当前的一些smes在工作时，施加在超导磁体的两端电压基本上等于电网侧电压，容易损坏超导磁体，因此不太适合电压较高的场合使用。鉴于此，研究一种能够适应于宽范围电压场合的dc/dc换流器对储能装置尤为重要，是本领域技术人员亟需关注的。


技术实现要素：

3.本技术的目的在于提供一种超导磁储能系统及其dc/dc换流器，以便提高对超导磁体的安全保护，拓宽电压应用范围。
4.为解决上述技术问题，一方面，本技术公开了一种超导磁储能系统的dc/dc换流器，所述dc/dc换流器的输出端与超导磁体连接，输入端与直流配电网连接，用于对所述超导磁体充、放电，进行与直流配电网间的双向功率交换；
5.所述dc/dc换流器采用非隔离型模块化结构，每相桥臂中的各个桥臂均包括若干个级联的功率子模块，以便通过调节各桥臂中功率子模块的投入数量，调节所述dc/dc换流器的输出电压。
6.可选地，各桥臂中的各功率子模块均采用半桥结构，以便实现dc/dc换流器的降压运行。
7.可选地，各桥臂中的功率子模块的总数量大于需要的投入数量，以便实现故障时的冗余保护。
8.可选地，各相桥臂中的各个桥臂还包括桥臂电感。
9.可选地，各相桥臂均包括上桥臂和下桥臂；所述上桥臂包括级联在正直流母线与桥臂中点之间的外上桥臂和内上桥臂；所述下桥臂包括级联在负直流母线与桥臂中点之间的外下桥臂和内下桥臂；
10.各相桥臂中的外上桥臂与内上桥臂的连接点经滤波电感后相互并接，作为所述dc/dc换流器的正输出端；各相桥臂中的外下桥臂与内下桥臂的连接点经滤波电感后相互并接，作为所述dc/dc换流器的负输出端。
11.可选地，各个所述功率子模块具有闭锁、投入和切除三种状态。
12.可选地，各所述功率子模块包括第一可控开关管、第二可控开关管、电容、与所述第一可控开关管反向并联的第一续流二极管、与所述第二可控开关管反向并联的第二续流
二极管；
13.所述第一可控开关管与所述第二可控开关管串联后，与所述电容并联；所述第二可控开关管的两端作为所述功率子模块的级联端口。
14.可选地，所述第一可控开关管、所述第二可控开关管具体为三极管或者金属场效应管。
15.又一方面，本技术还公开了一种超导磁储能系统，包括dc/dc换流器、超导磁体、控制器；
16.所述dc/dc换流器的输入端与直流配电网连接，输出端与所述超导磁体连接；所述dc/dc换流器采用非隔离型模块化结构，每相桥臂中的各个桥臂均包括若干个级联的功率子模块；
17.所述控制器用于生成各所述功率子模块的驱动信号，以便控制所述超导磁体充、放电，进行与直流配电网间的双向功率交换；并通过调节各桥臂中功率子模块的投入数量，调节所述dc/dc换流器的输出电压。
18.可选地，所述控制器具体用于：
19.获取所述dc/dc换流器的输出电压参考值和输出电压实际值；基于所述输出电压参考值与所述输出电压实际值的差值，采用pi控制算法计算调制控制量；根据所述调制控制量进行脉宽调制生成各个对应的所述驱动信号
20.本技术所提供的超导磁储能系统及其dc/dc换流器所具有的有益效果是：本技术采用非隔离型的模块化结构，可灵活配置各桥臂中功率子模块的数量，实现对输出电压的灵活调节，有利于保护超导磁体和功率开关管，提高系统安全性和稳定性，同时，通过实现超磁导体与直流配电网间的双向功率交换，可有效调节电网电压、功率波动，提高直流配电网的稳定性。
附图说明
21.为了更清楚地说明现有技术和本技术实施例中的技术方案，下面将对现有技术和本技术实施例描述中需要使用的附图作简要的介绍。当然，下面有关本技术实施例的附图描述的仅仅是本技术中的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图，所获得的其他附图也属于本技术的保护范围。
22.图1为本技术实施例公开的一种超导磁储能系统的dc/dc换流器的结构示意图；
23.图2为本技术实施例公开的又一种超导磁储能系统的dc/dc换流器的拓扑结构图；
24.图3为本技术实施例公开的一种功率子模块在充电状态下的电流通路示意图；
25.图4为本技术实施例公开的一种功率子模块在放电状态下的电流通路示意图；
26.图5为本技术实施例公开的一种超导磁储能系统的控制框图；
27.图6为本技术实施例公开的一种超导磁储能系统的结构框图；
28.图7为本技术实施例公开的一种超导磁储能系统的应用场景图。
具体实施方式
29.本技术的核心在于提供一种超导磁储能系统及其dc/dc换流器，以便提高对超导
磁体的安全保护，拓宽电压应用范围。
30.为了对本技术实施例中的技术方案进行更加清楚、完整地描述，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行介绍。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
31.超导储能系统(superconducting magnetic energy storage,smes)是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一种电力设施，一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统部件组成。
32.超导储能系统与电网之间实现能量的双向流动主要依靠于dc/dc换流器。双向dc/dc换流器作为超导磁体与电网的接口，在功率转换中起到了传递能量的作用。它通过控制电力电子开关的通断，进行能量的储存和释放，可以降低直流侧电压波动，对抑制直流振荡，提高整个系统稳定性具有重要意义。dc/dc换流器通过一定的控制策略能够实现功率的双向流动。
33.当前的一些smes在工作时，施加在超导磁体的两端电压基本上等于电网侧电压，容易损坏超导磁体，因此不太适合电压较高的场合使用。可见，能适用于宽范围电压场合的dc/dc换流器对储能装置尤为重要。鉴于此，本技术提供了一种超导磁储能系统的dc/dc换流器，可有效解决上述问题。
34.参见图1所示，本技术实施例公开了一种超导磁储能系统的dc/dc换流器，dc/dc换流器的输出端与超导磁体连接，输入端与直流配电网连接，用于对超导磁体充、放电，进行与直流配电网间的双向功率交换；
35.dc/dc换流器采用非隔离型模块化结构，每相桥臂中的各个桥臂(arm)均包括若干个级联的功率子模块(sm)，以便通过调节各桥臂中功率子模块的投入数量，调节dc/dc换流器的输出电压。
36.具体地，目前应用于电压较高、功率较大场合的储能系统dc/dc换流器一般有隔离型dc/dc换流器和非隔离型dc/dc换流器。当电网出现局部故障时，隔离型dc/dc换流器可以防止故障进一步扩散，有利于直流电网的稳定运行，但这种换流器中的电气隔离设计也会增大换流器的体积和成本。非隔离型dc/dc换流器电路相对简单，成本较低。鉴于此，本技术所提供的dc/dc换流器具体选用了非隔离型结构。
37.dc/dc换流器的输出端与超导磁体串联，为能量的双向流动提供通路。不考虑内部损耗，换流器的输入电压等于输出电压，这将会导致超导磁体和换流器内部开关设备等承受较高的电压，不利于储能系统的安全运行。
38.为此，本技术所提供的dc/dc换流器还具体采用了模块化结构。具体地，dc/dc换流器的每相桥臂中的各桥臂均是由若干个功率子模块级联构成的。如此，dc/dc换流器的输出电压大小便取决于当前参与工作的功率子模块的数量。
39.通过控制器可以调控各个桥臂中的各功率子模块是否参与工作即是否投入，在直流输入电压不变的条件下，本技术也可实现对dc/dc换流器输出电压大小的有效调节，从而可以避免在一些高直流电压应用场景下，因dc/dc换流器的输出电压过高而导致超磁导体损坏。
40.而另一方面，由于采用模块化结构后，每个桥臂中功率子模块的投入数量可调，因
此，当直流输入电压过高时，可适当增加每个桥臂中功率子模块的投入数量，降低单个功率子模块中功率开关管的器件应力，避免dc/dc换流器中功率开关管的损坏频率。因此，本技术所提供的超导磁储能系统的dc/dc换流器能够同样适用于电压较高的系统中，具有宽电压范围的优势。
41.也因此，本技术所提供的超导磁储能系统的dc/dc换流器可以直接连接到直流配电网中。通过控制dc/dc换流器中各个功率子模块的工作状态，进而可以控制dc/dc换流器的工作状态，从而可实现超导磁系统与直流配电网之间的双向流动，实现调节超导磁储能系统所连电网的电压、功率波动的目的：超导磁体充电时进行能量吸收，电网的电能被储存在超导磁体中；超导磁体放电时进行能量释放，被释放的能量回馈至电网中。
42.其中，以超导磁体为储能载体，超导磁体流过直流电流时不产生能量损耗，且储能密度高。因此，超导磁储能系统的充、放电次数不受限制，具有响应速度快、功率密度高、抗干扰能力强等特点，更适合应用于抑制波动性和间歇性较强的新能源接入、电力系统存在谐振的场合。进而，通过与电网之间的能量交换，超导磁储能系统能够在较大的范围内调节电网电压、功率波动，提高直流配电网的稳定性。
43.可见，本技术所提供的超导磁储能系统的dc/dc换流器，采用了非隔离型的模块化结构，可以灵活配置各桥臂中功率子模块的数量，实现了对输出电压的灵活调节，有利于保护超导磁体和功率开关管，提高了系统安全性和稳定性，同时，通过帮助实现超磁导体与直流配电网间的双向功率交换，可有效调节电网电压、功率波动，提高直流配电网的稳定性。
44.作为一种具体实施例，本技术实施例所提供的超导磁储能系统的dc/dc换流器在上述内容的基础上，各桥臂中的各功率子模块均采用半桥结构，以便实现dc/dc换流器的降压运行。
45.具体地，dc/dc换流器的种类可具体包括升压型、降压型、升降压型。功率子模块可以采用全桥结构或者半桥结构，其中，当各功率子模块均采用半桥结构时，可实现dc/dc换流器的降压运行。
46.作为一种具体实施例，本技术实施例所提供的超导磁储能系统的dc/dc换流器在上述内容的基础上，各桥臂中的功率子模块的总数量大于需要的投入数量，以便实现故障时的冗余保护。
47.具体地，为了提高故障抗灾能力，本实施例中可在各桥臂中设置冗余的功率子模块作为备用。
48.作为一种具体实施例，本技术实施例所提供的超导磁储能系统的dc/dc换流器在上述内容的基础上，各相桥臂中的各个桥臂还包括串接的桥臂电感。
49.参见图2，图2为本技术实施例提供的一种dc/dc换流器的拓扑结构图。
50.如图2所示，作为一种具体实施例，本技术实施例所提供的超导磁储能系统的dc/dc换流器在上述内容的基础上，各相桥臂均包括上桥臂和下桥臂；上桥臂包括级联在正直流母线与桥臂中点之间的外上桥臂和内上桥臂；下桥臂包括级联在负直流母线与桥臂中点之间的外下桥臂和内下桥臂；
51.各相桥臂中的外上桥臂与内上桥臂的连接点经滤波电感后相互并接，作为dc/dc换流器的正输出端；各相桥臂中的外下桥臂与内下桥臂的连接点经滤波电感后相互并接，作为dc/dc换流器的负输出端。
52.dc/dc换流器每一相桥臂包括两个上桥臂和两个下桥臂，这四个桥臂关于中点o对称，每个桥臂由一定数量的功率子模块(sm)级联而成。l
a
为桥臂电感，用以抑制系统故障时的暂态冲击电流。l
f
为滤波电感，用于滤除输出电流中的交流分量。z
s
为每相桥臂的中点阻抗，为桥臂的交流换流提供通路。v
in
、v
out
和i
in
、i
out
分别为dc/dc换流器的输入电压、输出电压和输入电流、输出电流，v
x,o
、v
x,i
和i
x,o
、i
x,i
(x＝p，n)分别为各相桥臂的电压、电流，p、n分别代表上、下桥臂，o、i分别代表外、内桥臂。
53.当电路阻抗为感性时，换流器中的能量交换几乎没有任何损耗。图中虚线表示dc/dc换流器中一相桥臂的直流电流通路(以smes系统吸收功率为例)。为了保证dc
‑
mmc的正常工作，桥臂瞬时功率为零，即非零的直流功率传输需要一个非零的交流功率来维持子模块电容电压的平衡，交流功率的极性跟dc/dc换流器的工作模式有关。该种拓扑结构的dc/dc换流器不需要加装中间变压器，可有效降低系统的体积和成本。
54.作为一种具体实施例，本技术实施例所提供的超导磁储能系统的dc/dc换流器在上述内容的基础上，各个功率子模块具有闭锁、投入和切除三种状态，并具体可由系统的控制器进行状态控制。当电网系统稳定性变差，电压、功率出现波动时，smes吸收或放出能量，功率子模块运行于投入状态。
55.参见图3和图4，图3为本技术实施例所公开的一种功率子模块在充电状态下的电流通路示意图，图4为本技术实施例所公开的一种功率子模块在放电状态下的电流通路示意图。
56.如图3和图4所示，作为一种具体实施例，本技术实施例所提供的超导磁储能系统的dc/dc换流器在上述内容的基础上，各功率子模块包括第一可控开关管s
10
、第二可控开关管s
20
、电容c0、与第一可控开关管s
10
反向并联的第一续流二极管d
10
、与第二可控开关管s
20
反向并联的第二续流二极管d
20
；
57.第一可控开关管s
10
与第二可控开关管s
20
串联后，与电容c0并联；第二可控开关管s
20
的两端作为功率子模块的级联端口。
58.其中，u
sm
为sm两端的电压，i
sm
为sm的电流。每个sm有一个连接端口用于串联接入主电路拓扑，而dc/dc换流器通过各个sm的直流侧电容电压来支撑直流母线的电压。图中，第一可控开关管s
10
、第二可控开关管s
20
具体为三极管，当然，其也可以为金属场效应管。
59.sm的投入状态又分为电容充电和电容放电两种模式。参见表1，当sm触发脉冲为0010时，二极管d
10
工作在导通状态，即使开关s
10
施加了开通信号，但因其承受反向电压仍然处于关断状态，同时t
20
、d
20
关断，电流经过d
10
向电容器充电，sm输出电压为电容器电压u
c0
；当sm触发脉冲为1000时，s
10
工作在导通状态，同时d
10
承受反向电压而处于关断状态，s
20
、d
20
关断，电流流经s
10
使电容器放电，sm输出电压为电容器电压u
c0
。
60.表1
[0061][0062]
作为一种具体实施例，本技术实施例所提供的超导磁储能系统的dc/dc换流器在上述内容的基础上，dc/dc换流器的输出电压可具体基于pi控制法进行输出控制。
[0063]
具体地，参见图5，图5为本技术实施例公开的一种超导磁储能系统的控制框图。其中，v
in
、i
in
分别为dc/dc换流器的输入电压实际值、输入电流实际值，v
inref
为smes与直流配电系统互联的输入电压参考值。若v
in
能跟踪指令值变化，在理想情况下i
inref
为0，即直流侧母线电压稳定。
[0064]
如图5所示，通过计算dc/dc换流器的输出电压参考值和输出电压实际值的差值，采用pi控制算法计算对应的调制控制量，以便根据该调制控制量进行脉宽调制(pulse width modulation，pwm)，从而生成各个功率子模块对应的驱动信号。
[0065]
参见图6所示，本技术实施例公开了一种超导磁储能系统，主要包括超导磁体101、dc/dc换流器102、控制器103；
[0066]
该dc/dc换流器102的输入端与直流配电网连接，输出端与超导磁体101连接；dc/dc换流器102采用非隔离型模块化结构，每相桥臂中的各个桥臂均包括若干个级联的功率子模块；
[0067]
控制器103用于生成各功率子模块的驱动信号，以便控制超导磁体101充、放电，进行与直流配电网间的双向功率交换；并通过调节各桥臂中功率子模块的投入数量，调节dc/dc换流器102的输出电压。
[0068]
可见，本技术实施例所公开的超导磁储能系统，采用了非隔离型的模块化结构，可以灵活配置各桥臂中功率子模块的数量，实现了对输出电压的灵活调节，有利于保护超导磁体和功率开关管，提高了系统安全性和稳定性，同时，通过帮助实现超磁导体与直流配电网间的双向功率交换，可有效调节电网电压、功率波动，提高直流配电网的稳定性。
[0069]
关于上述超导磁储能系统的具体内容，可参考前述关于超导磁储能系统的dc/dc换流器的详细介绍，这里就不再赘述。
[0070]
作为一种具体实施例，本技术实施例所公开的超导磁储能系统在上述内容的基础上，控制器具体用于：
[0071]
获取dc/dc换流器的输出电压参考值和输出电压实际值；基于输出电压参考值与输出电压实际值的差值，采用pi控制算法计算调制控制量；根据调制控制量进行脉宽调制生成各个对应的驱动信号。
[0072]
参见图7所示，图7为本技术实施例公开的一种超导磁储能系统的应用场景图。
[0073]
具体地，配电系统可具体为柔性直流配电系统，配电系统中换流站的交流侧与交流电网连接，直流侧可接入交、直流负载或者直流微网等集成单元，smes系统并联接入具有恒功率负载特性换流站的直流侧。smes系统以超导磁体为储能载体，基于双向dc/dc换流器实现储能系统与外部电网之间的能量交换。
[0074]
本技术中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的设备而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0075]
还需说明的是，在本技术文件中，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语，仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。此外，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0076]
以上对本技术所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本技术的保护范围内。