一种单级三相储能变流器的制作方法

1.本发明涉及新能源设备技术领域，尤指一种单级三相储能变流器。


背景技术：

2.本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
3.储能电池为直流电，低压电网为交流电，因此需要通过一种双向dc/ac变换器，即储能变流器，来连接储能电池和低压电网。当储能电池的电压范围与电网电压相匹配时，储能变流器可以由最简单的三相半桥拓扑来实现。但是，当电池的电压较低，不能与电网电压匹配时，则需要更复杂的电路拓扑结构，来实现储能电池和电网间的双向功率流动。
4.参考图3，为现有技术中的两级式电路拓扑结构示意图。如图3所示，在现有技术方案中，通常采用两级式电路拓扑结构，储能电池先经由boost电路(或交错并联boost电路)升压，再通过三相半桥逆变电路连接低压交流电网。但是，该方案的两级式拓扑结构采用的功率开关器件较多(12个)，导致储能变流器成本高，可靠性低，体积大。
5.因此，亟需一种可以克服上述缺陷的技术方案。


技术实现要素：

6.为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种单级三相储能变流器，有效解决两级式电路拓扑功率开关器件过多的问题，以及两级式电路拓扑结构复杂、可靠性低的问题。本发明的单级三相储能变流器可以减少采用的功率开关器件的数量，降低储能变流器的成本，减小体积并有效提高可靠性。
7.在本发明实施例的第一方面，提出了一种单级三相储能变流器，包括：电池组，直流母线电容，直流滤波电感，变流装置，lcl滤波器；其中，
8.电池组的正极连接直流滤波电感的一端，负极连接负直流母线；直流滤波电感的另一端连接变流装置中桥臂的中点；变流装置中桥臂的两端分别连接正直流母线、负直流母线；直流母线电容的正极连接正直流母线，负极连接负直流母线；变流装置中桥臂的中点通过lcl滤波器与交流电网相连；
9.在单级三相储能变流器工作时，变流装置与直流滤波电感组成boost升压电路，使电池组到直流母线电容之间的功率双向流动；变流装置与lcl滤波器构成三相逆变器，使直流母线电容到交流电网之间的功率双向流动；通过直流母线电容的能量中转，使电池组与交流电网之间的功率双向流动。
10.进一步的，所述变流装置包括六个全控型功率开关器件；
11.其中，所述六个全控型功率开关器件组成三个桥臂；第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的一端与正直流母线相连，另一端与负直流母线相连。
12.进一步的，还包括：驱动控制装置；其中，
13.所述驱动控制装置用于发出控制信号，控制所述全控型功率开关器件的导通或截
止的宽度。
14.进一步的，若交流侧额定线电压为u，将直流母线电压设定为2u；
15.监测电池组电压；其中，在电池组电压为u时，所述驱动控制装置控制变流装置的三相半桥电路的调制波正负对称，不添加直流分量。
16.进一步的，在电池组电压大于u时，所述驱动控制装置在三相对称的正弦调制波上添加正的直流分量，通过闭环控制使直流母线电压保持为2u。
17.进一步的，在电池组电压小于u时，所述驱动控制装置在三相对称的正弦调制波上添加负的直流分量，通过闭环控制使直流母线电压保持为2u。
18.进一步的，所述驱动控制装置还用于：
19.通过调整三相调制波的交流分量，对电网侧的电流波形进行控制；
20.其中，三相调制波的直流分量用于控制直流母线电压保持一个恒定值，三相调制波的交流分量用于控制交流电网侧的电流，进一步控制电网侧的功率大小及方向。
21.进一步的，所述直流滤波电感的数量为三个；
22.其中，该三个直流滤波电感的一端分别与变流装置的三个桥臂的中点相连，另一端连接电池组的正极。
23.进一步的，所述六个全控型功率开关器件采用mosfet或igbt。
24.进一步的，所述lcl滤波器包括六个电感及三个电容；
25.其中，第一电感的一端连接变流装置中第一桥臂的中点，另一端分别与第一电容的一端和第四电感的一端相连；
26.第二电感的一端连接变流装置中第二桥臂的中点，另一端分别与第二电容的一端和第五电感的一端相连；
27.第三电感的一端连接变流装置中第三桥臂的中点，另一端分别与第三电容的一端和第六电感的一端相连；
28.第一电容的另一端、第二电容的另一端和第三电容的另一端相连接；
29.第四电感的另一端、第五电感的另一端、第六电感的另一端分别与电网的三条相线连接。
30.本发明提出的单级三相储能变流器主要由电池组，直流母线电容，三个直流滤波电感，六个全控型功率开关器件和lcl交流滤波器组成，基于该单级三相储能变流器可以实现boost升压电路和三相半桥逆变电路的整合，并实现电池组与交流电网间的功率双向流动，大幅减少功率开关器件的数量，简化电路拓扑架构，从而降低电路拓扑的成本，减小硬件架构体积，并使可靠性得到有效提高。
附图说明
31.为了更清楚地说明本技术实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
32.图1是本发明一实施例的单级三相储能变流器的架构示意图。
33.图2是本发明一具体实施例的调制关系示意图。
34.图3是现有技术中的两级式电路拓扑结构示意图。
35.附图标号说明：
36.100：电池组；
37.200，la，lb，lc：直流滤波电感；
38.ca：直流母线电容
39.300：变流装置；
40.s1，s2，s3，s4，s5，s6，s7，s8，s9，s
10
，s
11
，s
12
：全控型功率开关器件；
41.301，302，303：桥臂；
42.d1，d2，d3：中点；
43.400：lcl滤波器；
44.l1，l2，l3，l4，l5，l6：电感；
45.c1，c2，c3：电容；
46.a，b，c：交流电网的三条相线。
具体实施方式
47.下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
48.本领域技术人员知道，本发明的实施方式可以实现为一种系统、装置、设备、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，或者硬件和软件结合的形式。
49.根据本发明的实施方式，提出了一种单级三相储能变流器，涉及新能源设备技术领域，是一种连接储能电池与低压电网的储能变流器，用于低压配电网的电化学储能系统。
50.本发明能同时实现升压和逆变两种功能，简化了电路的硬件结构；与传统两级式电路相比，能节约多个功率开关器件，从而降低成本和体积，提高可靠性。
51.下面参考本发明的若干代表性实施方式，详细阐释本发明的原理和精神。
52.图1是本发明一实施例的单级三相储能变流器的架构示意图。如图1所示，该单级三相储能变流器包括：电池组100，直流母线电容ca，直流滤波电感200，变流装置300，lcl滤波器400；其中，
53.电池组100的正极连接直流滤波电感200的一端，负极连接负直流母线；
54.直流滤波电感200的另一端连接变流装置300中桥臂的中点；
55.变流装置300中桥臂的两端分别连接正直流母线、负直流母线；
56.直流母线电容ca的正极连接正直流母线，负极连接负直流母线；
57.变流装置300中桥臂的中点通过lcl滤波器400与交流电网相连；
58.在单级三相储能变流器工作时，变流装置300与直流滤波电感200组成boost升压电路，使电池组100到直流母线电容ca之间的功率双向流动；
59.变流装置300与lcl滤波器400构成三相逆变器，使直流母线电容ca到交流电网之间的功率双向流动；
60.通过直流母线电容ca的能量中转，使电池组100与交流电网之间的功率双向流动。
61.进一步参考图1，变流装置300包括六个全控型功率开关器件s1，s2，s3，s4，s5，s6；
62.其中，所述六个全控型功率开关器件s1，s2，s3，s4，s5，s6组成三个桥臂301，302，303；三个桥臂301，302，303的一端与正直流母线相连，另一端与负直流母线相连。
63.在实际应用场景中，所述六个全控型功率开关器件采用mosfet或igbt。
64.igbt：insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管，是由bjt(双极型三极管)和mos(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有mosfet的高输入阻抗和gtr的低导通压降两方面的优点。
65.mosfet：金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,mosfet)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)。
66.在本实施例中，所述直流滤波电感200为三个直流滤波电感la，lb，lc；
67.其中，三个直流滤波电感la，lb，lc的一端分别与变流装置300的三个桥臂301，302，303的中点d1，d2，d3相连，另一端连接电池组100的正极。
68.在本实施例中，所述lcl滤波器包括六个电感l1，l2，l3，l4，l5，l6及三个电容c1，c2，c3；
69.其中，电感l1的一端连接变流装置300中桥臂301的中点d1，另一端分别与电容c1的一端和电感l4的一端相连；
70.电感l2的一端连接变流装置300中桥臂302的中点d2，另一端分别与电容c2的一端和电感l5的一端相连；
71.电感l3的一端连接变流装置300中桥臂303的中点d3，另一端分别与电容c3的一端和电感l6的一端相连；
72.电容c1的另一端、电容c2的另一端和电容c3的另一端相连接；
73.电感l4的另一端、电感l5的另一端、电感l6的另一端分别与交流电网的三条相线a，b，c连接。
74.进一步的，该单级三相储能变流器还可以包括：驱动控制装置(在附图中未绘示)；其中，
75.所述驱动控制装置用于发出控制信号，控制所述全控型功率开关器件s1，s2，s3，s4，s5，s6的导通或截止的宽度。
76.具体的，若交流侧额定线电压为u，将直流母线电压设定为2u；
77.参考图2，为本发明一具体实施例的调制关系示意图。如图2所示，调制关系为：
78.s101，在电路组正常工作时，监测电池组电压。
79.s102，在电池组电压为u时，所述驱动控制装置控制变流装置300的三相半桥电路的调制波正负对称，不添加直流分量。
80.s103，在电池组电压大于u时，所述驱动控制装置在三相对称的正弦调制波上添加正的直流分量，通过闭环控制使直流母线电压保持为2u。
81.s104，在电池组电压小于u时，所述驱动控制装置在三相对称的正弦调制波上添加负的直流分量，通过闭环控制使直流母线电压保持为2u。
82.在本实施例中，驱动控制装置还用于：
83.通过调整三相调制波的交流分量，对电网侧的电流波形进行控制；
84.其中，三相调制波的直流分量用于控制直流母线电压保持一个恒定值，三相调制波的交流分量用于控制交流电网侧的电流，进一步控制电网侧的功率大小及方向。
85.需要说明的是，尽管在上述实施例及附图中以特定顺序描述了方法步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
86.为了对上述单级三相储能变流器进行更为清楚的解释，下面结合一个具体的实施例来进行说明，然而值得注意的是该实施例仅是为了更好地说明本发明，并不构成对本发明不当的限定。
87.以电压波动范围是300v～500v的电池组为例，交流侧额定线电压为400v，将直流母线电压设定为800v(400v
×
2)。
88.当电池组电压正好为直流母线电压的一半400v时，三相半桥电路的调制波正负对称即可，无需添加直流分量。
89.当电池组电压大于直流母线电压的一半400v时，应在三相对称的正弦调制波的基础上添加正的直流分量，从而通过闭环使得控制直流母线电压保持为800v；
90.当电池组电压小于直流母线电压的一半400v时，应在三相对称的正弦调制波的基础上添加负的直流分量，从而通过闭环控制使得直流母线电压保持为800v；
91.在实际应用场景中，对于电网侧的电流波形的控制，与现有逆变器的控制方法相同，通过调整三相调制波的交流分量来实现控制。因此，三相调制波的直流分量用于控制直流母线电压为一个恒定值，三相调制波的交流分量用于控制交流电网侧的电流，进一步控制电网侧的功率大小和方向。
92.本发明提出的单级三相储能变流器主要由电池组，直流母线电容，三个直流滤波电感，六个全控型功率开关器件和lcl交流滤波器组成，基于该单级三相储能变流器可以实现boost升压电路和三相半桥逆变电路的整合，并实现电池组与交流电网间的功率双向流动，大幅减少功率开关器件的数量，简化电路拓扑架构，从而降低电路拓扑的成本，减小硬件架构体积，并使可靠性得到有效提高。
93.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
94.本发明是参照根据本发明实施例的方法和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
95.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指
令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
96.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
97.最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。