一种高压直挂储能级联变流系统及预充电启动方法

技术领域

本发明涉及电力电子应用技术领域，具体为一种高压直挂储能级联变流系统及预充电启动方法。

背景技术

随着新能源行业的不断发展，储能行业的发展空间逐日递增，高压直挂级联储能技术以其谐波含量低，模块化程度高，易于批量化等优势广泛应用于各个应用场景。

现有高压直挂级联储能预充电技术通常采用高压侧充电电阻预充电,具有操作简单的优点，但采用了高压电阻等器件，体积大，成本高等不足；

CN116400159A公开了一种高压直挂储能系统的启动测试方法、系统及电子设备。需要增加高压充电电阻等器件，成本高。

CN115276246B公开了一种链式储能系统及启动控制方法。该方案没有高压侧充电电阻，无法直接从高压侧进行预充电。其中，多个功率模块级联；所述电池组包括一个或多个电池簇，所述电池簇与防护模块连接。该方法也受限于电池组电量，在电池组电量不足的情况，无法缓解高压上电时的冲击。

现有方案在不增加高压侧充电回路的基础上，无法兼顾高压侧预充电和电池组预充电，应用场合受限，无法灵活适应不同的工况。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施方式的一些方面以及简要介绍一些较佳实施方式。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

因此，本发明的目的是提供一种高压直挂储能级联变流系统及预充电启动方法，在不增加高压侧充电回路的基础上，解决上述现有问题，无需高压侧充电电阻，具有结构简单，方法简单灵活的优点，应用场合广泛，能够灵活适应不同的工况。同时解决了初始冲击电流大，电流大的问题，达到高效、成本低的特点。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：

一种高压直挂储能级联变流系统，其包括：

高压电源、接触器QF、电抗器L及多个具有双重预充电方式的储能变流功率单元依次串联组成三相结构；

还包括控制系统，与每个储能变流功率单元的控制单元CU进行光纤通讯，用于传递状态信息、故障信息、模式信息和指令。

作为本发明所述的一种高压直挂储能级联变流系统的一种优选方案，其中，所述储能变流功率单元包括由单刀单掷开关K1、单刀单掷开关K2、单刀单掷开关K4、单刀双掷开关K3、充电电阻R1、电池组B、直流电容C、绝缘栅双极晶体管Q1、绝缘栅双极晶体管Q2、绝缘栅双极晶体管Q3和绝缘栅双极晶体管Q4组成的H桥；

还包括DC/DC转换电源PW1、DC/DC转换电源PW2和控制单元CU，控制单元CU检测DC/DC转换电源PW1输入电压UDC1，DC/DC转换电源PW2输入电压UDC2。

作为本发明所述的一种高压直挂储能级联变流系统的一种优选方案，其中，绝缘栅双极晶体管Q1集电极与绝缘栅双极晶体管Q3集电极相连组成直流电压正极端UDC2+，绝缘栅双极晶体管Q2发射极与绝缘栅双极晶体管Q4发射极相连组成直流电压负极端UDC2-，绝缘栅双极晶体管Q1发射极与绝缘栅双极晶体管Q2集电极相连组成输出端口U，绝缘栅双极晶体管Q3发射极与绝缘栅双极晶体管Q4集电极相连组成输出端口V。

作为本发明所述的一种高压直挂储能级联变流系统的一种优选方案，其中，充电电阻R1的一端、单刀单掷开关K1的一端、单刀单掷开关K2的一端、单刀双掷开关K3的位置1相连，充电电阻R1的另一端、单刀单掷开关K1的另一端、单刀单掷开关K2的另一端、单刀双掷开关K3的位置2相连；

单刀单掷开关K2的另一端与电池组B正极端UDC1+相连，单刀单掷开关K4的另一端与电池组B负极端UDC1-相连；直流电容C正极与单刀双掷开关K3的位置3相连，直流电容C负极与直流电压负极端UDC2-相连。

作为本发明所述的一种高压直挂储能级联变流系统的一种优选方案，其中，控制单元CU具有双重供电方式，由DC/DC转换电源PW1、PW2提供供电，

DC/DC转换电源PW2的输入为直流电压正极端UDC2+，直流电压负极端UDC2-，输出连接控制单元CU；DC/DC转换电源PW1的输入为电池组B正极端UDC1+，电池组B负极端UDC1-，输出连接控制单元CU。

一种高压直挂储能级联变流系统的预充电启动方法，为高压侧预充电启动方式或者电池侧预充电并/离网启动方式的双重预充电方式；

高压侧预充电启动方式既从高压侧取电，对每个功率单元中的直流电容C进行充电，完成后系统并网待机或运行；

电池侧预充电并/离网启动方式既从每个功率单元对应的电池组取电，对每个功率单元中的直流电容C进行充电，完成后系统并/离网待机或运行。

作为本发明所述的一种高压直挂储能级联变流系统的预充电启动方法的一种优选方案，其中，所述高压侧预充电启动方式的具体步骤如下：

S101、初始状态时，接触器QF断开，直流电容C两端电压差低于电池组电压；

S102、控制系统收到高压侧预充电启动方式指令后，通过光纤通讯控制每个功率单元切换到高压侧预充电等待状态。控制单元CU接收到指令后，确保单刀单掷开关K1、单刀单掷开关K2处于断开状态，单刀双掷开关K3的动触头3在位置1；闭合单刀单掷开关K4后；功率单元处于高压侧预充电等待状态；

S103、控制系统通过光纤通讯接收每个功率单元反馈的状态，当所有功率单元均处于高压侧预充电等待状态后，等待预充电指令；

S104、控制系统收到预充电指令后，接触器QF合闸，高压电源通过每个串联功率单元的H桥和充电电阻R向直流电容C充电；

S105、充电时间到达高压充电时间阈值T1，闭合单刀单掷开关K2；

S106、当|UDC2-UDC1|<允许压差UDCM，闭合单刀单掷开关K1，完成后系统并网待机或运行；

其中，高压侧预充电启动方式指令和高压侧预充电指令可以合并为一条指令，当状态达到S103要求时自动完成S104、S105步骤。

作为本发明所述的一种高压直挂储能级联变流系统的预充电启动方法的一种优选方案，其中，所述电池侧预充电并/离网启动方式的具体步骤如下：

S201、初始状态时，接触器QF断开，直流电容C两端电压差低于电池组电压；

S202、控制系统收到电池侧预充电并网启动方式指令后，通过光纤通讯控制每个功率单元切换到电池侧预充电等待状态。控制单元CU接收到指令后，确保单刀单掷开关K1、单刀单掷开关K2处于断开状态，单刀双掷开关K3的动触头3在位置2；闭合单刀单掷开关K4后；功率单元处于电池侧预充电等待状态；

S203、控制系统通过光纤通讯接收每个功率单元反馈的状态，当所有功率单元均处于电池侧预充电等待状态后，等待预充电指令；

S204、控制系统收到预充电指令后，通过光纤通讯控制每个功率单元闭合单刀单掷开关K2，每个功率单元的电池组B通过充电电阻R向直流电容C充电；

S205、充电时间到达电池充电时间阈值T2，闭合单刀单掷开关K1，完成后系统离网待机或运行；单刀双掷开关K3的动触头3从位置2切换到位置1，接触器QF合闸；当|UDC2-UDC1|<允许压差UDCM，闭合单刀单掷开关K1，完成后系统并网待机或运行；

其中，其中，电池侧预充电并网启动方式指令和电池侧预充电指令可以合并为一条指令，当功率单元处于电池侧预充电等待状态可自动完成S204、S205步骤。

作为本发明所述的一种高压直挂储能级联变流系统的预充电启动方法的一种优选方案，其中，高压侧预充电过程中发生功率单元故障，控制系统将断开接触器QF；电池侧预充电过程中发生功率单元故障，控制系统将断开故障功率单元的单刀单掷开关K2。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：本发明高压直挂储能级联变流系统及预充电启动方法，解决了现有方案两种充电方式不能灵活切换的问题，无需高压侧充电电阻，具有结构简单，方法简单灵活的优点，应用场合广泛，能够灵活适应不同的工况。同时，降低了预充电过程中高压上电对直流母线电容的冲击。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将将结合附图和详细实施方式对本发明进行详细说明，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明的高压直挂储能级联变流系统原理框图；

图2为本发明的高压直挂储能级联功率模块原理框图；

图3为本发明的高压直挂储能级联变流系统高压侧预充电启动方式流程图；

图4为本发明的高压直挂储能级联变流系统电池侧预充电离网启动方式流程图；

图5为本发明的高压直挂储能级联变流系统电池侧预充电并网启动方式流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施方式时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明提供一种高压直挂储能级联变流系统及预充电启动方法，在不增加高压侧充电回路的基础上，解决上述现有问题，无需高压侧充电电阻，具有结构简单，方法简单灵活的优点，应用场合广泛，能够灵活适应不同的工况。同时解决了初始冲击电流大，电流大的问题，达到高效、成本低的特点。

实施例1

如图1-图2所示，本发明提供一种高压直挂储能级联变流系统，包括高压电源、接触器QF、电抗器L及多个具有双重预充电方式的储能变流功率单元依次串联组成三相结构；

还包括控制系统，与每个储能变流功率单元的控制单元CU进行光纤通讯，用于传递状态信息、故障信息、模式信息和指令。

储能变流功率单元包括由单刀单掷开关K1、单刀单掷开关K2、单刀单掷开关K4、单刀双掷开关K3、充电电阻R1、电池组B、直流电容C、绝缘栅双极晶体管Q1、绝缘栅双极晶体管Q2、绝缘栅双极晶体管Q3和绝缘栅双极晶体管Q4组成的H桥；

还包括DC/DC转换电源PW1、DC/DC转换电源PW2和控制单元CU，控制单元CU检测DC/DC转换电源PW1输入电压UDC1，DC/DC转换电源PW2输入电压UDC2。

绝缘栅双极晶体管Q1集电极与绝缘栅双极晶体管Q3集电极相连组成直流电压正极端UDC2+，绝缘栅双极晶体管Q2发射极与绝缘栅双极晶体管Q4发射极相连组成直流电压负极端UDC2-，绝缘栅双极晶体管Q1发射极与绝缘栅双极晶体管Q2集电极相连组成输出端口U，绝缘栅双极晶体管Q3发射极与绝缘栅双极晶体管Q4集电极相连组成输出端口V。

充电电阻R1的一端、单刀单掷开关K1的一端、单刀单掷开关K2的一端、单刀双掷开关K3的位置1相连，充电电阻R1的另一端、单刀单掷开关K1的另一端、单刀单掷开关K2的另一端、单刀双掷开关K3的位置2相连；

单刀单掷开关K2的另一端与电池组B正极端UDC1+相连，单刀单掷开关K4的另一端与电池组B负极端UDC1-相连；直流电容C正极与单刀双掷开关K3的位置3相连，直流电容C负极与直流电压负极端UDC2-相连。

控制单元CU具有双重供电方式，由DC/DC转换电源PW1、PW2提供供电；

DC/DC转换电源PW2的输入为直流电压正极端UDC2+，直流电压负极端UDC2-，输出连接控制单元CU；DC/DC转换电源PW1的输入为电池组B正极端UDC1+，电池组B负极端UDC1-，输出连接控制单元CU。

在本发明的实施例中，绝缘栅双极型晶体管Q1、绝缘栅双极型晶体管Q2、绝缘栅双极型晶体管Q3、绝缘栅双极型晶体管Q4不限于为绝缘栅双极型晶体管，还可以是其他全控电力电子开关器件。

实施例2

如图3-图5所示，本发明还提供一种高压直挂储能级联变流系统的预充电启动方法，为高压侧预充电启动方式或者电池侧预充电并/离网启动方式的双重预充电方式。

高压侧预充电启动方式既从高压侧取电，对每个功率单元中的直流电容C进行充电，完成后系统并网待机或运行；

电池侧预充电并/离网启动方式既从每个功率单元对应的电池组取电，对每个功率单元中的直流电容C进行充电，完成后系统并/离网待机或运行。

10.其中，所述高压侧预充电启动方式的具体步骤如下：

S101、初始状态时，接触器QF断开，直流电容C两端电压差低于电池组电压；

S102、控制系统收到高压侧预充电启动方式指令后，通过光纤通讯控制每个功率单元切换到高压侧预充电等待状态。控制单元CU接收到指令后，确保单刀单掷开关K1、单刀单掷开关K2处于断开状态，单刀双掷开关K3的动触头3在位置1；闭合单刀单掷开关K4后；功率单元处于高压侧预充电等待状态；

S103、控制系统通过光纤通讯接收每个功率单元反馈的状态，当所有功率单元均处于高压侧预充电等待状态后，等待预充电指令；

S104、控制系统收到预充电指令后，接触器QF合闸，高压电源通过每个串联功率单元的H桥和充电电阻R向直流电容C充电；

S105、充电时间到达高压充电时间阈值T1，闭合单刀单掷开关K2；

S106、当|UDC2-UDC1|<允许压差UDCM，闭合单刀单掷开关K1，完成后系统并网待机或运行；

其中，高压侧预充电启动方式指令和高压侧预充电指令可以合并为一条指令，当状态达到S103要求时自动完成S104、S105步骤。

在上述步骤中，如果高压侧预充电过程中发生功率单元故障，控制系统将断开接触器QF；电池侧预充电过程中发生功率单元故障，控制系统将断开故障功率单元的单刀单掷开关K2。

所述电池侧预充电并/离网启动方式的具体步骤如下：

S201、初始状态时，接触器QF断开，直流电容C两端电压差低于电池组电压；

S202、控制系统收到电池侧预充电并网启动方式指令后，通过光纤通讯控制每个功率单元切换到电池侧预充电等待状态。控制单元CU接收到指令后，确保单刀单掷开关K1、单刀单掷开关K2处于断开状态，单刀双掷开关K3的动触头3在位置2；闭合单刀单掷开关K4后；功率单元处于电池侧预充电等待状态；

S203、控制系统通过光纤通讯接收每个功率单元反馈的状态，当所有功率单元均处于电池侧预充电等待状态后，等待预充电指令；

S204、控制系统收到预充电指令后，通过光纤通讯控制每个功率单元闭合单刀单掷开关K2，每个功率单元的电池组B通过充电电阻R向直流电容C充电；

S205、充电时间到达电池充电时间阈值T2，闭合单刀单掷开关K1，完成后系统离网待机或运行；单刀双掷开关K3的动触头3从位置2切换到位置1，接触器QF合闸；当|UDC2-UDC1|<允许压差UDCM，闭合单刀单掷开关K1，完成后系统并网待机或运行；

其中，其中，电池侧预充电并网启动方式指令和电池侧预充电指令可以合并为一条指令，当功率单元处于电池侧预充电等待状态可自动完成S204、S205步骤。

虽然在上文中已经参考实施方式对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。