包括模块化多电平转换器的能量存储系统

摘要

本公开涉及用于电气系统(4)的能量存储系统(ESS)(1)。ESS包括能量存储(2)和转换器接口，转换器接口被布置用于将能量存储连接到电气系统。转换器接口包括模块化多电平转换器(3)，其中，每个相臂包括多个串联连接的单元5，其中的至少一个是半桥单元(5a)，并且至少一个是全桥单元(5b)。

说明书

技术领域

本公开涉及具有用于电气系统的转换器接口的能量存储系统(ESS)。

背景技术

模块化多电平转换器由于其高效率、其模块化和可扩展性及其产生具有低谐波量的电压波形的能力而被经常使用的，这有效地减少了对大交流(AC)滤波器的需要。若干模块化多电平转换器拓扑存在，例如M2LC(也称为MMLC和MMC)模块化多电平转换器，特别是在高压直流(HVDC)应用中，而且也在电机驱动器中等。

模块化多电平转换器可以被用作用于能量存储系统(ESS)的转换器接口，能量存储系统(ESS)例如电池能量存储系统(BESS)，其中，高电压(锂离子、Pb-Acid、NAS、超级电容器等)直流(DC)能量储存系统被连接到转换器的公共DC链路。然而，因为转换器需要具有相应高的电压额定，所以转换器的公共DC链路的非常高的电压是ESS应用中的缺点。高电压增加了用于绝缘以及用于故障处理和断路器的成本。ESS可以配备有基于绝缘栅双极晶体管(IGBT)的分布式DC断路器，这对系统增加了显著成本，并且产生损耗。

电化学电池和超级电容器将在充电-放电循环期间改变其电压。放电曲线主要取决于电池化学性，但是也受电池温度、充电-放电速率、电池的老化等的影响。任何种类的BESS转换器将需要处理电池的可变DC电压，并且以降低额定为代价(电压方面的)。

图1示出了用于以不同速率放电的电池的典型电压曲线，其中C速率被定义为电流(以安培为单位)除以库伦容量(以Ah为单位)。

图2示出了具有5个电平M2LC(示出了一个相臂)的标准BESS，其中每一个都具有电容器的多个半桥转换器单元被串联连接，四个半桥单元形成上(正)臂并且四个半桥单元形成下(负)臂。

WO 2011/042050公开了一种电压源转换器，具有仅能够支持单极电压贡献的第一单元组和能够支持双极电压贡献的第二单元组。电路配置允许在控制方面的较高灵活性。

WO 2012/103936涉及通过将至少一个H桥子模块包括在自换相转换器的相位分支中来消除HVDC线路上的故障。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的用于诸如电力网的电气系统的能量存储系统(ESS)转换器接口，例如用于高电压应用。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于电气系统的ESS。ESS包括能量储存、以及被布置用将能量存储连接到电气系统的转换器接口。转换器接口包括模块化多电平转换器(M2LC)，其中，每个相臂包括多个串联连接的单元，其中的至少一个是半桥单元，并且至少一个是全桥单元。

根据本发明的另一个方面，提供了一种在连接到电气系统的ESS中执行的方法。ESS包括能量存储和将能量存储连接到电气系统的转换器接口。转换器接口包括模块化多电平转换器(M2LC)，其中，每个相臂包括多个串联连接的单元，其中的至少一个是半桥单元并且至少一个是全桥单元。该方法包括操作至少一个全桥单元以产生正电压。该方法进一步包括操作至少一个全桥单元以产生负电压。

通过在M2LC的每个臂处使用至少一个全桥单元，可以产生在能量存储具有低充电电平或以其他方式产生低电压时添加到能量存储的电压的电压，以便于匹配例如AC电网的电气系统的系统电压。因此，可以减少在能量存储被完全充电时在转换器中的公共DC链路的高电压。从而可以通过使用较低的电压额定来减少ESS的成本，例如较少的组件(诸如在M2LC中的较少的模块化单元)和较少的绝缘。

本发明的实施例允许设计具有能量存储的无变压器静止同步补偿器(STATCOM)，该能量存储具有以比以其他方式由能量存储电压中的限制而被允许的更高的AC连接电压。此外，本发明的实施例通过实现适当的循环电流和调制控制来允许对ESS的正常操作的更大的可控制性。此外，本发明的实施例允许在转换器臂内具有DC故障电流限制。

通常，权利要求中使用的所有术语将根据其在本技术领域中的普通含义来解释，除非本文另有明确定义。对“一/该元件、装置、组件、手段、步骤等”的所有引用都将被开放地解释为指元件、装置、组件、手段、步骤等中的至少一个实例，除非明确说明。本文所公开的任何方法的步骤不必以所公开的确切顺序来执行，除非明确声明。对于本公开的不同特征/组件使用“第一”、“第二”等仅意在将特征/组件与其他类似地特征/组件相区分，而不是对特征/组件基于任何顺序或层级。

附图说明

将参考附图，通过示例的方式描述实施例，在附图中：

图1是图示根据现有技术的电压如何针对不同电流而随着转换器中的单元容量变化的图。

图2是现有技术的ESS转换器接口的相臂的电路图。

图3是根据本发明的ESS转换器接口的实施例的相臂的示意性电路图。

图4a是标准M2LC-BESS电压波形的示例性图。

图4b是本发明的实施例的M2LC-ESS电压波形的示例性图。

图5a是图示在最大DC链路电压的情况下的根据本发明的ESS的实施例的有功(P)和无功(Q)功率特性。

图5b是图示在减少的DC链路电压的情况下的根据本发明的ESS的实施例的有功(P)和无功(Q)功率特性。

图6是根据本发明的具有三相转换器接口的ESS的实施例的示意性电路图。

具体实施方式

现在下文中将参考附图来更全面地描述实施例，在附图中示出的特定实施例。然而，在本公开的范围内，许多不同形式的其他实施例是可能的。相反，通过示例的方式提供了以下实施例，使得本公开将是全面和完整的，并且将对本领域技术人员充分传达本公开的范围。在本说明书中，相同的附图标记指代相同的元件。

本发明提供了一种解决方案，其减少用于降低额定的成本并且提供了在选择DC链路和存储(例如电池)电压中的额外自由度。电池电压、负序能力和伏安(VA)额定可以被优化，以便于提供更优化成本的高功率ESS。本发明提出了用全桥单元替代标准M2LC中的一些半桥单元。

图3是根据本发明的ESS 1转换器接口的实施例的相臂的示意性电路图。例如电池能量存储系统(BESS)或超级电容器ESS的ESS 1包括能量存储2和转换器接口，其包括模块化多电平转换器(M2LC)3。术语M2LC不意在将转换器限制为特定类型的M2LC转换器，因为任何类型的模块化多电平转换器可以与本发明一起使用。转换器接口将DC能量存储2与电气系统4连接，电气系统4例如诸如AC电网或AC电机驱动器的AC系统，或者替代地与能量存储2并联连接的HVDC线路。M2LC 3臂包括连接到转换器的DC链路的正极的上臂和连接到转换器的DC链路的负极的下臂。图3中的实施例的M2LC 3是五电平转换器，这意味着相臂的每个臂具有串联连接的四个模块化单元5，但是在本发明范围内的其他实施例中可以具有所需要的任何数目的电平。每个单元5包括电容器和多个开关，每一个通常具有关联的二极管。开关在图3中作为示例被描绘为绝缘栅双极晶体管(IGBT)。然而，应当注意，这些仅仅是单元的组件的示例。可以替代地使用本领域中已知的其他相应组件。如本领域公知的，M2LC的单元可以是具有两个开关的半桥单元或者具有四个开关的全桥单元(H-桥)。如在图2中所示，在ESS的转换器接口中使用半桥单元，因为单元仅需要在一个方向上传导电流，并且全桥单元也基本上更昂贵，因为其需要更多的组件。然而，根据本发明，ESS 1的转换器3具有半桥单元5a和全桥单元5b二者的组合。在图3的实施例中，相臂的每个臂具有3个半桥单元5a和1个全桥单元5b，但是也考虑具有作为全桥单元5b的四个单元5中的两个或者甚至三个的其他实施例。在图3中，全桥单元最接近AC系统4。这可能在一些实施例中是优选的，但是每个臂内的半桥单元5a和全桥单元5b内的任何顺序可以按方便被使用。

用全桥单元5b替换一些半桥电池单元5a使得转换器臂能够合成使其能够以低于线路峰到峰电压V_AC,peak-peak的DC链路电压V_DC,batt操作转换器3的(至少一些)负电压。同时，臂电压额定将不需要被增加，以处理可变电池电压，因为当电池电压低时，全桥5b可以在有或没有减小的DC偏移的情况下合成正弦电压。当电池电压高时，全桥单元可以作为半桥5a进行操作，仅产生正(或负)电压。

图4a示出了用于标准M2LC-BESS的上和下臂电压波形。实线表示在最大电池电压时的波形，虚线表示在最小电池电压时的波形，并且点线表示标称电池电压。因此，最小电池电压V_batt,min是虚线波形之间的距离。因为仅使用半桥电池单元5a，所以臂电压被禁止跨过图中的零线。转换器的臂中的每一个上的最大电压V_arm,req，即需要被额定用于的臂的电压，是在最大的电池电压处的峰值电压和零电压线之间的距离。

图4b示出了根据本发明的用于与在4a中相同布置但是其中针对转换器3改变了转换器、因此使一些全桥单元5b能够提供负的臂电压能力的上和下臂电压波形。实线表示最大电池电压处的波形，虚线表示最小电池电压处的波形，并且点线表示标称电池电压。因此，最小电池电压V_batt,min是虚线波形之间的距离。由于使用全桥来通过产生负电压来提升电池电压，所以允许臂电压通过图中的零线，由此V_batt,min明显小于用于图4a的标准转换器的电压。因此，转换器的臂中的每一个上的最大电压V_arm,req被也被显着降低，并且小于AC峰到峰电压。

在图4a和图4b中，已经假定变化约33％的电池电压，例如每电池单元从大约2.7到4.0V之间。这是实际的，甚至可能有点保守。例如，在一些BESS使用的能量储存2的电池单元可以在2.3和4.1V之间安全地操作。超级电容器可以具有更大的电压变化。在图4a和图4b中，还假定，四分之一的半桥单元5a已经用全桥单元5b来替代。为了优化成本和损耗，可以针对不同应用不同地选择在半桥和全桥单元5之间的比率。本发明的能量存储2可以具有相对高的标称电压，例如至少30kV或至少50kV和/或高达70kV或高达100kV。

示例1

当减少DC线路电压时，需要较大的电流来处理在转换器3的AC侧的负序负载电流。

用于控制二次谐波的第一步骤是要找到在电容器上的电压波动，并且在所有时间使用该电压波动来校正注入指示。然后，相臂，例如相位A，的上和下臂的调制指标上部的调制指数如下：

$>{\mathrm{nau}}_{arm}=\frac{U_{battery}-mU\sin \left(\omega t\right)}{2U+U_{ruarm}}---\left(I\right)$>

$>{\mathrm{nal}}_{arm}=\frac{U_{battery}-mU\sin \left(\omega t\right)}{2U+U_{rlarm}}---\left(II\right)$>

其中：

nau_arm＝用于上臂Aa的注入指示。

nal_arm＝用于下臂Ab的注入指示。

U_battery＝电池2极对地电压。

$>U=\frac{{\hat{U}}_{AC,pole-to-ground}}{m}---\left(III\right)$>

m＝单元5的调制指标。

U_ruarm＝用于补偿上臂中的半桥5a和全桥5b单元二者中的电容器电压波动的电压基准值。

U_rlarm＝用于补偿下臂中的半桥5a和全桥5b单元二者中的电容器电压波动的电压基准值。

用于找到这些电压波动的主要解决方案是经由滤波器滤除电容器电压的总和。首先，电容器电压的DC分量通过使用一阶带阻滤波器来消除：

$>\omega =0\frac{rad}{\sec }---\left(IV\right)$>

在DC分量被消除之后，10个二阶带通滤波器用于提取电压波动。当全桥单元5b在旁通半桥的同时生成负的臂电压时，可以在DC侧施加40％的压降的同时，实现转换器3的循环电流控制和电压平衡。

示例2

为了选择在半桥单元5a和全桥单元5b的数目之间的最佳和最成本有效的比值，可以执行优化，并且这与电压降成比例。通常，对于每个臂中的全桥单元5b需要压降额定的一半，以能够具有最大AC电压。然而，必须考虑的因素包括但不限于：

-与能量存储2电压变化相关的转换器3电压过额定的成本。

-与负序要求相关的转换器3电流过额定的成本。

-用于诸如静态DC断路器的高压保护的能量存储2系统额定和附加成本。

可以在数学上证明，在保持用于转换器的稳定操作的同时的DC链路电压下降有一些限制。这在图5a和5b中被示出，其中考虑本发明的ESS的有功(P)和无功(Q)功率特性。图5a涉及最大能量存储2电压的情况，而图5b涉及在转换器3以减少的能量存储2电压以及因此减少的DC链路电压进行操作时的情况。S是视在功率，P是有功(实际)功率，Q是无功功率，并且j是虚运算符。注意，这是通用示例，并且实际P-Q图可能有些不同。

基于在全桥单元5b中的能量波动找到一个保守的极限。一个周期中在每个半桥和全桥单元中具有零能量允许找出全桥5b是否可以在负电压生成期间重新得到该损失的能量。在该极限处，假定所有非DC循环电流通过完美电流控制器被消除。

基于臂中的电流的符号来找到另一极限。

仿真结果表明，在不必进行任何重要考虑的情况下能够实现高达50％的压降。

示例3

图6图示了使用三相M2LC 3的本发明的ESS 1的示例。转换器3具有三个相臂A、B和C，其中的每一个作为上臂Aa、Ba和Ca以及下臂Ab、Bb和Cb。再次，转换器3是五电平转换器，其中每个臂具有四个模块化单元5。根据本发明，每个臂具有至少一个半桥单元5a和至少一个全桥单元5b。在图6的示例性实施例中，每个臂具有两个半桥单元5a和两个全桥单元5b。如本文中所讨论的，本发明可以与具有任何数目的相位和电平的转换器3一起使用。

以上主要参考几个实施例描述了本公开。然而，如本领域技术人员容易理解的，除上面公开之外的其他实施例在由所附权利要求定义的本公开的范围内同样是可能的。