模块化多电平电池储能系统功率器件选型方法及系统

技术领域

本发明涉及的是模块化多电平电池储能系统(以下简称MMC-BESS)的子模块器件的设计选型，特别是一种考虑子模块上、下桥臂功率器件工作时发热不同这一情况的功率器件设计选型方法及系统。

背景技术

随着新能源的发展，以及智能电网和新型电力系统的提出，电池储能技术发挥着日益重要的作用。电池储能技术形式多样，其中模块化多电平储能系统(MMC-BESS)有着交直流互联、能量缓冲和适合高压大容量的优点，因此其研究和应用受到日益重视。

实际运行中，MMC-BESS子模块上、下桥臂功率器件导通的时间并不一定相同，其导通时间受到直流侧电压、子模块电池当前电压、子模块数量和传输功率三个因素的影响。其中，传输功率影响功率器件的平均占空比，而直流侧电压、子模块数量与子模块电池当前电压决定了上、下桥臂功率器件导通时间比例。随着运行过程中直流侧电压与子模块电池电压的比例变化，子模块上、下桥臂功率器件的导通比例随之变化，上、下桥臂功率器件的发热比例也随之变化。

但在当前的实验室研究和工程应用中，MMC-BESS的子模块的上、下桥臂均采用相同的功率器件。如上海交通大学开发的AC380V/DC750V/50kW MMC-BESS样机子模块桥臂功率器件均采用150V/180A器件，国家电网福建厦门的MMC-BESS示范工程子模块均采用3.3kV/1200A功率器件。当前的研究和应用均未考虑子模块上、下桥臂功率器件的导通和发热不同，也就没有针对此进行优化设计。

经检索，中国发明专利申请号为CN202110599516.2，其公开一种电池储能电路及电池储能系统，该文件实施例中记载了相关的器件选型的内容，但是其仍旧没有考虑子模块上、下桥臂功率器件的导通和发热不同所带来的影响。

发明内容

为了解决上述提到的问题，本发明提出一种优化的模块化多电平电池储能系统功率器件选型方法和系统。

本发明的第一方面，提供一种模块化多电平电池储能系统功率器件选型方法，包括：

获取模块化多电平电池储能系统桥臂总电流最大有效值；

根据直流侧电压、子模块数量和子模块电池电压的工作范围计算子模块中上、下桥臂功率器件的导通占空比；

根据所述桥臂总电流最大有效值和所述导通占空比，分别计算上、下桥臂功率器件电流；

基于所述上、下桥臂功率器件电流，对子模块上、下桥臂功率器件进行选型。

可选地，所述获取模块化多电平电池储能系统桥臂总电流最大有效值，包括：

确定模块化多电平电池储能系统的桥臂最大直流电流I

确定模块化多电平电池储能系统的桥臂最大交流电流I

根据所述最大直流电流I

可选地，所述根据直流侧电压、子模块数量和子模块电池电压的工作范围计算子模块中上、下桥臂功率器件的导通占空比，包括：

根据子模块电池最低电压U

D

可选地，所述根据所述桥臂总电流最大有效值和所述导通占空比，分别计算上、下桥臂功率器件电流，包括：

计算子模块上桥臂功率子模块电流有效值I

计算子模块上桥臂功率子模块电流有效值I

其中：I

可选地，所述基于所述上、下桥臂功率器件电流，对子模块上、下桥臂功率器件进行选型，包括：

根据子模块电池最高电压U

根据子模块电池最高电压U

所述电压裕量与电流裕量与常规功率器件选取原则相同。

本发明第二方面，提供一种模块化多电平电池储能系统功率器件选型系统，包括：

桥臂总电流最大有效值获取模块：获取模块化多电平电池储能系统桥臂总电流最大有效值；

导通占空比计算模块：根据直流侧电压、子模块数量和子模块电池电压的工作范围计算子模块中上、下桥臂功率器件的导通占空比；

桥臂功率器件电流计算模块：根据所述桥臂总电流最大有效值和所述导通占空比，分别计算上、下桥臂功率器件电流；

选型模块：基于所述上、下桥臂功率器件电流，对子模块上、下桥臂功率器件进行选型。

本发明的第三方面，提供一种终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时用于执行所述的模块化多电平电池储能系统功率器件选型方法，或，运行所述的模块化多电平电池储能系统功率器件选型系统。

与现有技术相比，本发明实施例至少具有如下一种有益效果：

本发明实施例提供的模块化多电平电池储能系统功率器件选型方法和系统，考虑子模块上、下桥臂功率器件的导通和发热不同，通过分别计算上下桥臂功率器件导通电流的最大有效值，再根据两者的最大有效值分别指导对应功率器件的选型，可以优化模块化多电平电池储能系统功率器件选型，以达到最经济可靠的目的。

本发明实施例提供的模块化多电平电池储能系统功率器件选型方法和系统，通过分别计算上下桥臂功率器件电流，能够在满足模块化多电平电池储能系统安全运行的情况下，降低子模块上桥臂功率器件的电流等级。

本发明实施例提供的模块化多电平电池储能系统功率器件选型方法和系统通过适当的选型，使得上下桥臂功率器件具有相同的电流裕量和工作温度，实现子模块上、下桥臂功率器件的热应力均衡，降低了储能系统的成本。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例中的模块化多电平电池储能系统功率器件选型方法流程图；

图2为本发明一实施例中的MMC-BESS主电路结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施实例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

因为上下桥臂功率器件导通的时间不相同，因此流过的电流不同，发热量也不同。而现有技术模块化多电平电池储能系统功率器件选型时并没有考虑该影响。为了解决该问题，本发明实施例通过分别计算上下桥臂功率器件导通电流的最大有效值，再根据两者的最大有效值分别指导对应功率器件的选型，以达到最经济可靠的目的。

参照图1所示，为本发明一实施例中的模块化多电平电池储能系统功率器件选型方法流程图；具体的，本实施例中方法包括如下步骤：

S100，获取模块化多电平电池储能系统桥臂总电流最大有效值；

S200，根据直流侧电压、子模块数量和子模块电池电压的工作范围计算子模块中上、下桥臂功率器件的导通占空比；

S300，根据桥臂总电流最大有效值和导通占空比，分别计算上、下桥臂功率器件电流；

S400，基于上、下桥臂功率器件电流，对子模块上、下桥臂功率器件进行选型。

上述实施例中，S100、S200可以不按照顺序，比如也可以先实现S200，再执行S100，也可以两者并行执行。

本发明上述实施例考虑子模块上、下桥臂功率器件的导通和发热不同，通过分别计算上、下桥臂功率器件电流来作为功率器件选型依据，可以降低上桥臂功率器件的电流等级，降低了成本；实现热应力的均衡，有利于对整机的可靠性。

在一些实施例中，S100可以按照以下步骤来实现获取模块化多电平电池储能系统桥臂总电流最大有效值，具体为：

(1)根据直流侧最大功率P

(2)根据交流侧最大功率P

(3)根据MMC-BESS桥臂最大直流电流I

本发明上述实施例得到桥臂总电流最大有效值，为了后续分别计算上下桥臂功率器件电流提供条件。

在一些实施例中，执行S200时，可以按照以下操作计算子模块中上、下桥臂功率器件的导通占空比，具体为：

根据子模块电池最低电压U

D

本发明上述实施例得到子模块中上、下桥臂功率器件的导通占空比，为了后续分别计算上下桥臂功率器件电流提供条件。

在一些实施例中，执行S300时，可以按照以下方式计算上、下桥臂功率器件电流，其中：

采用以下公式计算子模块上桥臂功率子模块电流有效值I

采用以下公式计算子模块上桥臂功率子模块电流有效值I

本发明上述实施例通过分别计算上下桥臂功率器件电流，一般而言，上桥臂电流有效值会小于下桥臂功率器件的电流。因此相对于之前上下桥臂采用相同的功率器件，在本发明的方法的指导下上桥臂可以选用较低电流等级的功率器件。本发明能够在满足模块化多电平电池储能系统安全运行的情况下，降低子模块上桥臂功率器件的电流等级，进一步的，通过适当的选型，使得上下桥臂功率器件具有相同的电流裕量和工作温度，即保持了它们热应力的均衡。

在一些实施例中，执行S400时，可以按照以下方式来进行功率器件选型：

根据子模块电池最高电压U

本发明上述实施例上述选型方式，以上下桥臂功率器件电流作为依据，可以进一步细化选择，使得功率器件的选型更符合实际的需求，降低成本。

上述各优选特征互不冲突的情形下，可以任意组合。

基于相同的技术构思，在本发明另一实施例中，还提供一种模块化多电平电池储能系统功率器件选型系统，包括：

桥臂总电流最大有效值获取模块：获取模块化多电平电池储能系统桥臂总电流最大有效值；

导通占空比计算模块：根据直流侧电压、子模块数量和子模块电池电压的工作范围计算子模块中上、下桥臂功率器件的导通占空比；

桥臂功率器件电流计算模块：根据所述桥臂总电流最大有效值和所述导通占空比，分别计算上、下桥臂功率器件电流；

选型模块：基于所述上、下桥臂功率器件电流，对子模块上、下桥臂功率器件进行选型。

本实施例提供的模块化多电平电池储能系统功率器件选型系统中，各模块的实现可以采用上述模块化多电平电池储能系统功率器件选型方法实施例中各步骤对应的技术，在此不再赘述。

基于相同的技术构思，在本发明另一实施例中，还提供一种终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时用于执行上述实施例中的模块化多电平电池储能系统功率器件选型方法，或，运行上述实施例中的模块化多电平电池储能系统功率器件选型系统。

为了更好地说明本发明上述技术方案，以下结合具体应用的实验进行详细说明，但是应当理解的是，本发明并不局限于以下应用实验。

如图2所示，为本实施例中采用的模块化多电平电池储能系统(MMC-BESS)主电路实施例的拓扑示意图。图中，MMC-BESS主电路包含三个相簇，每个相簇分为上桥臂和下桥臂，桥臂中包含若干子模块，上下桥臂中包含的子模块数量相同；在每个相簇中，直流母线的正极与上桥臂第一个子模块的输出正端连接，输出负端与下一个子模块的输出正端连接，以此类推；上桥臂的最后一个子模块的输出负端与桥臂电感相连；下桥臂的连接方式与上桥臂一样：桥臂电感、各子模块依次相连后，最后一个子模块的输出负端与直流母线的负极连接。上下桥臂的中点连接在一起形成交流电网电压的出口，并且通过交流电感引出，形成系统的交流侧。

本实施例中的MMC-BESS最大功率50kW，直流侧电压DC700-800V，交流侧电压AC350-420V，每个桥臂包含20个子模块，三相共120个子模块。子模块电池电压工作范围DC48-56V。

本实施例的子模块功率器件选型方法，可以参照以下步骤实现：

(1)根据直流侧最大功率P

(2)根据交流侧最大功率P

(3)根据MMC-BESS桥臂最大直流电流I

(4)根据子模块电池最低电压U

D

(5)计算子模块上桥臂功率子模块电流有效值I

(6)计算子模块上桥臂功率子模块电流有效值I

(7)根据子模块电池最高电压U

如果采用常规方法，则上述实验情况的选型就是上下桥臂功率器件均采用120A/150V的MOSFET，而本发明上述实验的方法可以一半选择120A/150V的MOSFET，另一半选择90A/150V的MOSFET。从而可以进一步降低成本，实现热应力均衡，可靠性高。

需要说明的是，本发明提供的所述方法中的步骤，可以利用所述系统中对应的模块、装置、单元等予以实现，本领域技术人员可以参照所述系统的技术方案实现所述方法的步骤流程，即，所述系统中的实施例可理解为实现所述方法的优选例，在此不予赘述。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。