阅读说明：本技术 基于三端口分布式光伏储能混合结构的变换器 (Converter based on three-port distributed photovoltaic energy storage hybrid structure ) 是由 陈超 阙波 周金辉 苏毅方 马振宇 邓焰 阮杰 李广地 于 2019-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于三端口分布式光伏储能混合结构的变换器。本发明采用单星型拓扑结构,其包括储能介质部分、功率级部分以及LCL滤波部分；所述的储能介质部分包括储能电池和光伏阵列；所述的功率级部分包括直流侧防反二极管、由多个功率开关组成的三相桥臂结构以及双向开关,所述光伏阵列的正极与防反二极管的正极连接；所述三个双向开关的另一端和三个桥臂的中点与LCL滤波部分连接。本发明对变换器功率级的三相桥臂各个开关和双向开关进行复用,将光伏阵列和储能电池分散分配到主功率电路中,方便对两者进行功率平衡。(The invention discloses a converter based on a three-port distributed photovoltaic energy storage hybrid structure. The invention adopts a single star topology structure, which comprises an energy storage medium part, a power level part and an LCL filtering part; the energy storage medium part comprises an energy storage battery and a photovoltaic array; the power stage part comprises a direct current side anti-reverse diode, a three-phase bridge arm structure consisting of a plurality of power switches and a bidirectional switch, and the anode of the photovoltaic array is connected with the anode of the anti-reverse diode; the other ends of the three bidirectional switches and the middle points of the three bridge arms are connected with the LCL filtering part. The invention multiplexes the switches and the bidirectional switches of the three-phase bridge arm of the power level of the converter, distributes the photovoltaic array and the energy storage battery to the main power circuit in a dispersed manner, and is convenient for power balance of the photovoltaic array and the energy storage battery.)

基于三端口分布式光伏储能混合结构的变换器

技术领域

本发明属于电力电子系统技术领域，具体地说是一种基于三端口分布式光伏储能混合结构的变换器。

背景技术

分布式光伏发电具有清洁环保、建设灵活、就近利用、单个体对电网影响小等优势，对优化能源结构、推动节能减排、实现经济可持续发展具有重要意义，已成为太阳能利用的重要形式之一。然而，分布式光伏发电出力具有随机性、间歇性等缺点，接入电网后，会造成电网的功率波动、电能质量下降等不利影响。为了抑制分布式光伏发电等接入电网后，对电网造成的不利影响，需要引入储能环节。

储能在用电低谷时可以作为负荷进行充电，在用电高峰时可以作为电源进行放电，可以有效平抑功率波动、削峰填谷，还可以参与电网的频率调压和需求响应，实现分布式发电的大规模高渗透率接入，能够显著提高新能源的消纳水平，支撑分布式发电及微电网，是推动化石能源向可再生能源转换的关键技术。

光储联合发电系统是“光伏+储能”结合的最好应用形式，光储联合发电装置是光储联合发电系统的核心，其可影响系统的转换效率、电能质量、电网适应性等诸多因素，具有模块化设计、成本低、维护方便、开发周期短等特点。

传统的整流逆变电路，直流侧为一端口，其使用受到一定的限制；尤其在分布式光伏发电等新能源领域，需要直流侧多端口并联接入技术。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于三端口分布式光伏储能混合结构的变换器，其利用双向开关，实现变换器中光伏阵列和储能电池的协同工作，将光伏阵列和储能电池分散分配到主功率电路中，方便对两者进行功率平衡。

为此，本发明采用如下的技术方案：基于三端口分布式光伏储能混合结构的变换器，采用单星型拓扑结构，其包括储能介质部分、功率级部分以及LCL滤波部分；所述的储能介质部分包括储能电池和光伏阵列；

所述的功率级部分包括直流侧防反二极管、由多个功率开关组成的三相桥臂结构以及双向开关，所述光伏阵列的正极与防反二极管的正极连接；

在三相桥臂结构中，功率开关IGBT S_c1与功率开关IGBT S_c2构成第一桥臂，功率开关IGBT S_c3与功率开关IGBT S_c4构成第二桥臂，功率开关IGBT S_c5与功率开关IGBT S_c6构成第三桥臂；功率开关IGBT S_c1的发射极与IGBT S_c2的集电极相连；功率开关IGBT S_c3的发射极与IGBT S_c4的集电极相连；功率开关IGBT S_c5的发射极与IGBT S_c6的集电极相连；

功率开关IGBTS_c1、S_c3、S_c5的集电极均与防反二极管的负极相连，功率开关IGBTS_c1、S_c3、S_c5的发射极通过三个双向开关与储能电池的正极相连，功率开关IGBT S_c2、S_c4、S_c6的发射极与光伏阵列的负极和储能电池的负极相连；

所述三个双向开关的另一端和三个桥臂的中点与LCL滤波部分连接。

本发明的三相桥臂采用常用功率器件，便于采购、安装、制作。

进一步的，所述的三相桥臂结构中，所述的功率开关为逆导功率开关。所述的逆导功率开关可以为绝缘栅极双极性晶体管。

进一步的，所述的LCL滤波部分包括滤波电感和与滤波电感相连的滤波电容。

更进一步的，滤波电感L_1-1、L_1-2串联，滤波电感L_1-1的一端与第一桥臂中点和第一双向开关SW₁一端相连，滤波电容C₁与滤波电感L_1-1、L_1-2相连；滤波电感L_2-1、L_2-2串联，滤波电感L_2-1的一端与第一桥臂中点和第二双向开关SW₂一端相连，滤波电容C₂与滤波电感L_2-1、L_2-2相连；滤波电感L_3-1、L_3-2串联，滤波电感L_3-1的一端与第一桥臂中点和第三双向开关SW₃一端相连，滤波电容C₃与滤波电感L_3-1、L_3-2相连。LCL滤波部分输出端直接接到三相电网电压，起到滤波作用。

进一步的，在三相桥臂结构中，功率开关IGBT S_c1集电极、IGBT S_c3集电极和IGBTS_c5集电极相连。

进一步的，所述的双向开关由若干个功率开关管组成。

更进一步的，所述的双向开关由两个逆导型功率IGBTV_T1和V_T2反向串联组成，IGBTV_T1的发射极与V_T2的发射极连接；其中，第一双向开关中的一个IGBT V_T11的集电极与储能电池的正极相连，另一个IGBT V_T12的集电极与第一桥臂的中点相连；第二双向开关中的一个IGBT V_T21的集电极与储能电池正极相连，另一个IGBT V_T22的集电极与第二桥臂的中点相连；第三双向开关中的一个IGBT V_T31的集电极与储能电池正极相连，另一个IGBT V_T32的集电极与第三桥臂的中点相连。

更进一步的，所述的双向开关由两个逆阻型功率IGBT反向并联构成，双向开关的一端接在储能电池的正极，另一端接在桥臂的中点。

根据需要，可以将若干个光伏电池板串联或并联后形成光伏阵列，替换单个的光伏电板；将若干个储能电池串联或并联后，替换单个的电池。所述的光伏阵列可以为任一类型的光伏阵列；所述的储能电池可以为任一类型的储能电池。

普通的IGBT具有反向阻断能力，通常采用反并联续流二极管构成逆导开关。本发明使用的IGBT为具有反并联二极管的逆导型IGBT。

本发明具有的效果如下：本发明可以对变换器功率级的三相桥臂各个功率开关和双向开关进行复用，将光伏阵列和储能电池分散分配到主功率电路中，方便对两者进行功率平衡，且光储联合发电具有对电网冲击小、可调度、并网电能质量好、可向系统提供惯性和阻尼等优点，是实现光伏阵列、储能单元和电网之间能量转换的核心电力电子设备。

附图说明

图1是本发明的一种双向开关结构示意图；

图2是本发明的另一种双向开关结构示意图；

图3是本发明基于三端口分布式光伏储能混合结构的变换器的结构示意图。

具体实施方式

为了便于本领域的技术人员能够更好地理解本发明并予以实施，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明，但本发明并不限于本实施例。

基于三端口分布式光伏储能混合结构的变换器，采用单星型拓扑结构，其包括储能介质部分、功率级部分以及LCL滤波部分；所述的储能介质部分包括储能电池Battery和光伏阵列PV。整个变换器通过滤波电路(即LCL滤波部分)并在三相电网上。

所述的功率级部分包括直流侧防反二极管D₀、由多个功率开关组成的三相桥臂结构以及双向开关，所述光伏阵列的正极与防反二极管的正极连接。

在三相桥臂结构中，功率开关IGBT S_c1与功率开关IGBT S_c2构成第一桥臂，功率开关IGBT S_c3与功率开关IGBT S_c4构成第二桥臂，功率开关IGBT S_c5与功率开关IGBT S_c6构成第三桥臂；功率开关IGBT S_c1的发射极与IGBT S_c2的集电极相连；功率开关IGBT S_c3的发射极与IGBT S_c4的集电极相连；功率开关IGBT S_c5的发射极与IGBT S_c6的集电极相连。功率开关IGBT S_c1集电极、IGBT S_c3集电极和IGBT S_c5集电极相连。

功率开关IGBTS_c1、S_c3、S_c5的集电极均与防反二极管的负极相连，功率开关IGBTS_c1、S_c3、S_c5的发射极通过三个双向开关与储能电池的正极相连，功率开关IGBT S_c2、S_c4、S_c6的发射极与光伏阵列的负极和储能电池的负极相连。

所述三个双向开关SW₁、SW₂、SW₃的另一端和三个桥臂的中点与LCL滤波部分连接。

所述的LCL滤波部分包括滤波电感和与滤波电感相连的滤波电容。滤波电感L_1-1、L_1-2串联，滤波电感L_1-1的一端与第一桥臂中点和第一双向开关SW₁一端相连，滤波电容C₁与滤波电感L_1-1、L_1-2相连；滤波电感L_2-1、L_2-2串联，滤波电感L_2-1的一端与第一桥臂中点和第二双向开关SW₂一端相连，滤波电容C₂与滤波电感L_2-1、L_2-2相连；滤波电感L_3-1、L_3-2串联，滤波电感L_3-1的一端与第一桥臂中点和第三双向开关SW₃一端相连，滤波电容C₃与滤波电感L_3-1、L_3-2相连。

本发明涉及的基于三端口分布式光伏储能混合结构的变换器的调制方式可以采用SPWM调制或者是SVPWM调制方式，对直流侧的两种介质采用分时利用。

本发明的双向开关可以采用二种结构：

第一种双向开关如图1所示，由两个逆导型功率IGBT反向串联组成，其中IGBT V_T1的发射极与V_T2的发射极连接。第一双向开关SW₁中，IGBTV_T11的集电极与超级电容正极相连，IGBTV_T12的集电极与第一桥臂的中点相连；第二双向开关SW₂中，IGBTV_T21的集电极与超级电容正极相连，IGBTV_T22的集电极与第二桥臂的中点相连；第三双向开关SW₃中，IGBTV_T31的集电极与超级电容正极相连，IGBTV_T32的集电极与第三桥臂的中点相连。通过控制两个功率IGBT可以实现能量的双向流动，从而控制储能电池与电网之间的功率吞吐。

如图3所示，当双向开关为第一种双向开关时。

工作模式1：SW₁、SW₂、SW₃长时间断开、其余桥臂上功率开关有开关动作时，此时为光伏阵列向电网充电。

工作模式2：所有功率开关有开关动作时，光伏阵列给电网供能，同时给储能电池充电。

工作模式3：所有桥臂中上桥臂的三个功率开关S_C1、S_C3、S_C5长时间关断，其余功率开关有开关动作时，储能电池给电网供电。

工作模式4：电网电压、电流反相位，所有功率开关有开关动作时，电网向储能电池充电。

当所有IGBT均关断时，认为闭锁该变换器。

任意时刻变换器仅会处于以上四种工作状态中的一种。

第二种双向开关如图2所示，第二种双向开关由两个逆阻型功率IGBT反并联构成。V_T1的发射极与V_T2的集电极相连，V_T1的集电极与V_T2的发射极相连。其中IGBT一端接在超级电容的正极，另外一端接在各个桥臂的中点。SW₁中，V_T11的发射极与V_T12的集电极连接到超级电容的正极，V_T11的集电极与V_T12的发射极连接到第一桥臂的中点；SW₂中，V_T21的发射极与V_T22的集电极连接到超级电容的正极，V_T21的集电极与V_T22的发射极连接到第一桥臂的中点；SW₃中，V_T31的发射极与V_T32的集电极连接到超级电容的正极，V_T31的集电极与V_T32的发射极连接到第一桥臂的中点。

如图3所示，当双向开关为第二种开关时，对于整个变换器而言。

工作模式1：SW₁、SW₂、SW₃长时间断开、其余桥臂上功率开关由开关动作时，此时为光伏阵列向电网充电。

工作模式2：所有功率开关有开关动作时，光伏阵列给电网供能，同时给储能电池充电。

工作模式3：所有桥臂中上桥臂的三个功率开关S_C1、S_C3、S_C5长时间关断，其余功率开关有开关动作时，储能电池给电网供电。

工作模式4：电网电压、电流反相位，所有功率开关有开关动作时，电网向储能电池充电。

当所有IGBT均关断时，认为闭锁该变换器。

任意时刻变换器仅会处于以上四种工作状态中的一种。

通过脉冲调制方式，可以灵活控制变换器中三相桥臂和双向开关，控制变换器和电网间的能量流动，重新分配变换器的能量，可以控制系统的输入输出功率，控制能量流向。

通过控制系统输入电流控制电网输入系统的无功和有功功率，使用电池进行储能和低频无功补偿。

本发明电路结构简单，利用双向开关，实现了变换器中光伏阵列和储能电池的协同工作，光储联合发电具有对电网冲击小、可调度、并网电能质量好、可向系统提供惯性和阻尼等优点。