一种并联形式的电池低频纹波抑制装置及系统

技术领域

本发明涉及电池技术领域，更具体地，涉及一种并联形式的电池低频纹波抑制装置以及一种并联形式的电池低频纹波抑制系统。

背景技术

级联多电平(cascade multilevel converter，CMC)结构具有模块化程度高、谐波特性好、单体功率等级低等优点，非常适合作为大容量电池储能系统的功率变换装置。然而CMC子模块为单相H桥变换器，进行功率变换时H桥直流侧会出现两倍输出频率的脉动电流，该低频脉动电流远超出电池承受能力，若直接流入电池，将会损害电池的寿命。

为抑制CMC子模块中流入电池的二次脉动电流，目前常用的方法是在H桥直流母线处插入LC滤波器，然而滤波器截止频率低，且CMC子模块数量较多，系统体积和重量难以优化。另一种方式是将子模块改进为两级式的变换电路，即在原有子模块直流侧与电池之间再加入一级DC/DC变换电路，在每个子模块直流端并联一个双向升降压电路，其功能相当于DC APF。上述方法均能有效降低流入电池的纹波，但控制与电路复杂度、成本和体积等都将大大增加。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种并联形式的电池低频纹波抑制系统、方法及其应用，旨在解决现有的电池储能系统通过插入滤波器或者增加变换电路的方式抑制脉动电流，导致系统成本、体积、电路复杂度及控制难度都大大增加的问题。

为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种并联形式的电池低频纹波抑制装置，包括：相互并联输出的第一级联多电平子模块和第二级联多电平子模块；所述第一级联多电平子模块和所述第二级联多电平子模块皆包括电池组和连接于所述电池组两端的H桥开关管，所述H桥开关管将所述电池组输出的直流电转换为交流电输出，所述H桥开关管的两侧中点作为交流输出侧并联接入输电母线；所述第一级联多电平子模块的交流输出侧连接第一储能电感，所述第二级联多电平子模块的交流输出侧连接第二储能电感；其中，所述第一储能电感和所述二储能电感提供的交流瞬时功率与所述第一级联多电平子模块和所述第二级联多电平子模块的脉动功率相等。

在本发明的一个实施例中，所述并联形式的电池低频纹波抑制装置还包括：控制模块，用于采集通过所述第一储能电感和所述第二储能电感的输出电流，根据预设电流值进行比例积分控制，并通过正弦脉冲宽度调制后驱动所述H桥开关管进行开关。

在本发明的一个实施例中，所述控制模块对通过所述第一储能电感的输出电流与通过所述第二储能电感的输出电流分别施加大小相等且方向相反的偏置电流。

在本发明的一个实施例中，所述控制模块通过控制所述偏置电流的大小使得所述第一储能电感和所述二储能电感提供的交流瞬时功率与所述第一级联多电平子模块和所述第二级联多电平子模块的脉动功率相等。

按照本发明的第二个方面，还提供了一种并联形式的电池低频纹波抑制系统，包括：若干个级联多电平模块组，分别并联接入输电母线，其中每个所述级联多电平模块组皆包括第一级联多电平子模块和第二级联多电平子模块；所述第一级联多电平子模块和所述第二级联多电平子模块皆包括电池组和连接于所述电池组两端的H桥开关管，所述H桥开关管将所述电池组输出的直流电转换为交流电输出，所述H桥开关管的两侧中点作为交流输出侧并联接入输电母线；所述第一级联多电平子模块的交流输出侧连接第一储能电感，所述第二级联多电平子模块的交流输出侧连接第二储能电感；其中，所述第一储能电感和所述二储能电感提供的交流瞬时功率与所述第一级联多电平子模块和所述第二级联多电平子模块的脉动功率相等。

在本发明的一个实施例中，所述并联形式的电池低频纹波抑制系统还包括：控制模块，用于采集通过所述第一储能电感和所述第二储能电感的输出电流，根据预设电流值进行比例积分控制，并通过正弦脉冲宽度调制后驱动所述H桥开关管进行开关。

在本发明的一个实施例中，所述控制模块对通过所述第一储能电感的输出电流与通过所述第二储能电感的输出电流分别施加大小相等且方向相反的偏置电流。

在本发明的一个实施例中，所述控制模块通过控制所述偏置电流的大小使得所述第一储能电感和所述二储能电感提供的交流瞬时功率与所述第一级联多电平子模块和所述第二级联多电平子模块的脉动功率相等。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，至少能够取得下列有益效果：

通过将两个并联输出的级联多电平子模块作为一组，每个级联多电平子模块的交流输出侧皆连接储能电感，控制同一组级联多电平子模块的两个储能电感提供的交流瞬时功率与该两个级联多电平子模块的脉动功率相等，即由储能电感提供低频交流脉动功率，能够使得低频纹波电流仅流经级联多电平子模块中的H桥逆变器而不再流经电池组，能够有效降低电池受低频纹波影响导致寿命下降的问题；并且该系统结构简单，无需通过插入滤波器或者增加变换电路来抑制脉动电流，能够有效降低系统成本、体积、电路复杂度及控制难度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种并联形式的电池低频纹波抑制装置的结构示意图；

图2为未引入低频纹波抑制的电池储能系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的级联多电平子模块的控制原理示意图；

图4为本发明实施例提供的一种并联形式的电池低频纹波抑制系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

如图1所示，本发明第一实施例提出一种并联形式的电池低频纹波抑制装置，例如包括：相互并联输出的第一级联多电平子模块(CMC子模块1)和第二级联多电平子模块(CMC子模块2)。

其中，CMC子模块1和CMC子模块2皆包括电池组和连接于所述电池组两端的H桥开关管，H桥开关管将电池组输出的直流电转换为交流电输出，并且H桥开关管的两侧中点作为交流输出侧并联接入输电母线。

进一步的，CMC子模块1的交流输出侧连接第一储能电感L1，CMC子模块2的交流输出侧连接第二储能L2；其中，所述第一储能电感和所述二储能电感提供的交流瞬时功率与所述第一级联多电平子模块和所述第二级联多电平子模块的脉动功率相等。

具体的，结合图2所示的未引入低频纹波抑制的电池储能系统对本实施例的技术方案和有益效果进行详细说明：

在图2中，未加入低频纹波抑制时，由于CMC模块组1中各子模块为并联形式，因此电压相等为v

CMC模块组中子模块1输出电流为交流正弦电流：i

CMC模块组中子模块2输出电流为交流正弦电流：i

CMC模块组输出电流为：i

CMC模块组交流瞬时功率为：p

可以看出在没有采取低频纹波抑制方法时，CMC模块组中的平均功率和瞬时脉动功率传导电池组，会在电池组产生低频纹波，降低电池寿命。

在图1中，加入低频纹波抑制时，由于CMC模块组中各子模块为并联形式，因此电压相等为v

CMC模块组中子模块1输出电流为带有偏置F(t)＝Asin(wt+θ)的交流正弦电流：i

CMC模块组中子模块2输出电流为带有偏置F(t)的交流正弦电流：i

CMC模块组1输出电流为：i

CMC模块组1中L1和L2提供的交流瞬时功率为：p

CMC模块组1输出瞬时功率为p

通过控制储能电路电流波形函数F(t)＝Asin(wt+θ)，可以使储能电路电感瞬时功率与交流侧脉动功率相等。具体的，令wLI

通过三角函数计算可以得到波形函数F(t)＝Asin(wt+θ)为：

因此，加入低频纹波抑制后，级联多电平模块组中的低频交流脉动功率由电感提供，电池提供功率仅为平均功率不含低频交流脉动成分，低频纹波电流仅流经及各CMC子模块中的H桥逆变器而不再流经电池组，电池测的低频纹波得以消除。

如图3所示为级联多电平子模块的控制原理示意图，在CMC模块组中控制器采集子模块1、子模块2中电感L1、L2的输出电流，分别与电感L1、L2的输出电流给定值比较，比较得到结果进行PI(比例积分)控制后，进行PWM控制(正弦脉冲宽度计算)后分别给到子模块1、子模块2中H桥开关管，用于驱动所述H桥开关管进行开关。

综上所述，本发明第一实施例提出的一种并联形式的电池低频纹波抑制装置，通过将两个并联输出的级联多电平子模块作为一组，每个级联多电平子模块的交流输出侧皆连接储能电感，控制同一组级联多电平子模块的两个储能电感提供的交流瞬时功率与该两个级联多电平子模块的脉动功率相等，即由储能电感提供低频交流脉动功率，能够使得低频纹波电流仅流经级联多电平子模块中的H桥逆变器而不再流经电池组，能够有效降低电池受低频纹波影响导致寿命下降的问题；并且该系统结构简单，无需通过插入滤波器或者增加变换电路来抑制脉动电流，能够有效降低系统成本、体积、电路复杂度及控制难度。

如图4所示，本发明第二实施例还提出一种并联形式的电池低频纹波抑制系统，例如包括：若干个级联多电平模块组，分别并联接入输电母线，其中每个所述级联多电平模块组皆包括第一级联多电平子模块和第二级联多电平子模块；所述第一级联多电平子模块和所述第二级联多电平子模块皆包括电池组和连接于所述电池组两端的H桥开关管，所述H桥开关管将所述电池组输出的直流电转换为交流电输出，所述H桥开关管的两侧中点作为交流输出侧并联接入输电母线；所述第一级联多电平子模块的交流输出侧连接第一储能电感，所述第二级联多电平子模块的交流输出侧连接第二储能电感；其中，所述第一储能电感和所述二储能电感提供的交流瞬时功率与所述第一级联多电平子模块和所述第二级联多电平子模块的脉动功率相等。

在一个实施方式中，所述并联形式的电池低频纹波抑制系统例如还包括：控制模块，用于采集通过所述第一储能电感和所述第二储能电感的输出电流，根据预设电流值进行比例积分控制，并通过正弦脉冲宽度调制后驱动所述H桥开关管进行开关。

在一个实施方式中，所述控制模块对通过所述第一储能电感的输出电流与通过所述第二储能电感的输出电流分别施加大小相等且方向相反的偏置电流。

在一个实施方式中，所述控制模块通过控制所述偏置电流的大小使得所述第一储能电感和所述二储能电感提供的交流瞬时功率与所述第一级联多电平子模块和所述第二级联多电平子模块的脉动功率相等。

值得一提的是，本发明第二实施例公开的并联结构的电池低频纹波抑制系统包括前述第一实施例中提出的并联结构的电池低频纹波抑制装置，具体的电池低频纹波抑制装置的结构和功能可参考第一实施例中所述的内容，为了简洁在此不再详细讲述，且本实施例提供的并联结构的电池低频纹波抑制系统具有与第一实施例提供的并联结构的电池低频纹波抑制装置相同的有益效果。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些服务接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储器中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储器中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储器包括：U盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通进程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储器中，存储器可以包括：闪存盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取器(Random AccessMemory，RAM)、磁盘或光盘等。

以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本发明旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。