一种变压器一体化多电平电池储能功率变流装置
阅读说明：本技术 一种变压器一体化多电平电池储能功率变流装置 (Transformer integrated multi-level battery energy storage power converter ) 是由 张卓凡 于 2020-12-26 设计创作，主要内容包括：本发明属于电气自动化设备领域,尤其涉及一种变压器一体化多电平电池储能功率变流装置。包括一台三绕组变压器、六台单相电压源逆变桥、一台六相交流电抗器、六台滤波电容器、两台三相取能变压器、两台三相整流桥和两台直流滤波电抗器。本装置中逆变桥输出的相电压为三电平,但省去了NPC三电平逆变器的钳位二极管,因此整体成本更低,变换效率更高。其中的六相交流电抗器可以更好的实现两台三点电压源逆变桥交流侧电流的均衡,也可以采用两台三相交流电抗器实现。三绕组变压器的原边和副边可以采用三角接或星型接线,三绕组变压器的副边也可以增加绕组数以便接入更多的逆变器及滤波电路,以实现装置容量的扩大。(The invention belongs to the field of electric automation equipment, and particularly relates to a transformer integrated multi-level battery energy storage power converter. The three-phase direct current power supply system comprises a three-winding transformer, six single-phase voltage source inverter bridges, a six-phase alternating current reactor, six filter capacitors, two three-phase energy-taking transformers, two three-phase rectifier bridges and two direct current filter reactors. The phase voltage output by the inverter bridge in the device is three-level, but a clamping diode of the NPC three-level inverter is omitted, so that the overall cost is lower, and the conversion efficiency is higher. The six-phase alternating current reactors can better realize the balance of the alternating current side currents of the two three-point voltage source inverter bridges, and can also be realized by adopting two three-phase alternating current reactors. The primary side and the secondary side of the three-winding transformer can be connected in a triangular connection or star connection mode, and the number of windings of the secondary side of the three-winding transformer can be increased so as to be connected with more inverters and filter circuits, so that the capacity of the device is expanded.)
技术领域
本发明属于电气自动化设备领域，尤其涉及一种变压器一体化多电平电池储能功率变流装置。
背景技术
对于直流电压高达1500V的电池储能装置，由于功率器件开关频率高达5kHz左右，一般需要采用1200V IGBT器件及中点电压钳位(NPC)三电平逆变器来实现。对于大容量(1MW以上)电池储能装置，由于需要接入10kV以上的电网，电池储能功率变换装置一半通过变压器升压接入电网。NPC三电平逆变器由于采用钳位二极管或钳位IGBT支路实现三电平的相电压输出，使得逆变器成本和损耗有增加。当采用变压器升压接入电网时，可以利用变压器绕组的接线方式来实现逆变器的三电平相电压输出。因此寻找一种成本更低、效率更高的变压器一体化多电平电池储能功率变流装置具有重要经济意义。
发明内容
本发明的目的是提出变压器一体化多电平电池储能功率变流装置，以克服现有技术之不足，降低功率变流装置的成本并提高功率变换效率。
本发明提出的变压器一体化多电平电池储能功率变流装置，包括一台三绕组变压器T、第一单相电压源逆变桥、第二单相电压源逆变桥、第三单相电压源逆变桥、第四单相电压源逆变桥、第五单相电压源逆变桥、第六单相电压源逆变桥、一台六相交流电抗器L1、第一滤波电容器CA1、第二滤波电容器CB1、第三滤波电容器CC1、第四滤波电容器CA2、第五滤波电容器CB2、第六滤波电容器CC2、第一三相取能变压器T1、第二三相取能变压器T2、第一三相整流桥B1、第二三相整流桥B2、第一直流滤波电抗器L2和第二直流滤波电抗器L3；
所述的第一单相电压源逆变桥、第二单相电压源逆变桥和第三单相电压源逆变桥的直流正端并联在一起，第一单相电压源逆变桥的直流正端接到变压器一体化多电平电池储能功率变流装置的直流正输出端，第一单相电压源逆变桥、第二单相电压源逆变桥和第三单相电压源逆变桥的直流负端分别并联在一起，第三单相电压源逆变桥的直流负端接到第四单相电压源逆变桥的直流正端；第四单相电压源逆变桥、第五单相电压源逆变桥和第六单相电压源逆变桥的直流负端并联在一起，第六单相电压源逆变桥的直流负端接到变压器一体化多电平电池储能功率变流装置的直流负输出端；
所述的第一单相电压源逆变桥、第二单相电压源逆变桥和第三单相电压源逆变桥的第一交流输出端分别接到六相交流电抗器L1的输入侧的第一组三相交流端，第四单相电压源逆变桥、第五单相电压源逆变桥和第六单相电压源逆变桥的第一交流输出端分别接到六相交流电抗器L1的输入侧的第二组三相交流端，六相交流电抗器L1的输出侧的第一组三相交流端分别接到第一滤波电容器CA1、第二滤波电容器CB1和第三滤波电容器CC1的一端，六相交流电抗器L1的输出侧的第二组三相交流端分别接到第四滤波电容器CA2、第五滤波电容器CB2和第六滤波电容器CC2的一端；
所述的第一单相电压源逆变桥、第二单相电压源逆变桥和第三单相电压源逆变桥的第二交流输出端分别接到第一滤波电容器CA1、第二滤波电容器CB1和第三滤波电容器CC1的另一端，第四单相电压源逆变桥、第五单相电压源逆变桥和第六单相电压源逆变桥的第二交流输出端分别接到第四滤波电容器CA2、第五滤波电容器CB2和第六滤波电容器CC2的另一端；第一滤波电容器CA1、第二滤波电容器CB1和第三滤波电容器CC1的两端分别接到三绕组变压器T的第一个副边三相绕组的六个引出端，第四滤波电容器CA2、第五滤波电容器CB2和第六滤波电容器CC2的两端分别接到三绕组变压器T的第二个副边三相绕组的六个引出端，三绕组变压器T的原边三相绕组引出端接入电网；
所述的第一三相取能变压器T1的原边三相绕组的六个引出端分别接到第一单相电压源逆变桥、第二单相电压源逆变桥和第三单相电压源逆变桥的第一、第二交流输出端，第一三相取能变压器T1的副边三相交流端分别接到第一三相整流桥B1的三个交流端，第一三相整流桥B1的直流正端接到第四单相电压源逆变桥的直流正端，第一三相整流桥B1的直流负端接到第一直流滤波电抗器L2的一端，第一直流滤波电抗器L2的另一端接到第六单相电压源逆变桥的直流负端；
所述的第二三相取能变压器T2的原边三相绕组的六个引出端分别接到第四单相电压源逆变桥、第五单相电压源逆变桥和第六单相电压源逆变桥的第一、第二交流输出端，第二三相取能变压器T2的副边三相交流端分别接到第二三相整流桥B2的三个交流端，第二三相整流桥B2的直流正端接到第二直流滤波电抗器L3的一端，第二直流滤波电抗器L3的另一端接到第一单相电压源逆变桥的直流正端，第二三相整流桥B2的直流负端接到第三单相电压源逆变桥的直流负端；
所述的第一单相电压源逆变桥、第二单相电压源逆变桥和第三单相电压源逆变桥的直流电压分别被功率变流装置控制器采样，并形成反馈控制调节各逆变桥交流侧的有功功率，使得两个逆变桥的直流电压保持平衡，确保逆变桥功率器件的安全运行。
本发明提出的变压器一体化多电平电池储能功率变流装置，其优点是：
与已有的常用基于三相两电平或NPC三电平逆变器并联的功率变流装置相比，本发明的变压器一体化多电平电池储能功率变流装置，其中逆变桥输出的相电压也为三电平，但省去了NPC三电平逆变器的钳位二极管，使得本发明的电池储能功率变流装置的整体成本更低，变换效率更高。其中的六相交流电抗器可以更好的实现两台三点电压源逆变桥交流侧电流的均衡，六相交流电抗器也可以采用两台三相交流电抗器实现。三绕组变压器的原边和副边可以采用三角接或星型接线，三绕组变压器的副边也可以增加绕组数以便接入更多的逆变器及滤波电路，以实现装置容量的扩大。
附图说明
图1为本发明提出的变压器一体化多电平电池储能功率变流装置的电路原理图。
图2为为本发明变压器一体化多电平电池储能功率变流装置中单相电压源逆变桥的电路原理图。
具体实施方式
本发明提出的变压器一体化多电平电池储能功率变流装置，其电路原理图如图1所示，包括一台三绕组变压器T、第一单相电压源逆变桥、第二单相电压源逆变桥、第三单相电压源逆变桥、第四单相电压源逆变桥、第五单相电压源逆变桥、第六单相电压源逆变桥、一台六相交流电抗器L1、第一滤波电容器CA1、第二滤波电容器CB1、第三滤波电容器CC1、第四滤波电容器CA2、第五滤波电容器CB2、第六滤波电容器CC2、第一三相取能变压器T1、第二三相取能变压器T2、第一三相整流桥B1、第二三相整流桥B2、第一直流滤波电抗器L2和第二直流滤波电抗器L3；
所述的第一单相电压源逆变桥、第二单相电压源逆变桥和第三单相电压源逆变桥的直流正端并联在一起，第一单相电压源逆变桥的直流正端接到变压器一体化多电平电池储能功率变流装置的直流正输出端，第一单相电压源逆变桥、第二单相电压源逆变桥和第三单相电压源逆变桥的直流负端分别并联在一起，第三单相电压源逆变桥的直流负端接到第四单相电压源逆变桥的直流正端；第四单相电压源逆变桥、第五单相电压源逆变桥和第六单相电压源逆变桥的直流负端并联在一起，第六单相电压源逆变桥的直流负端接到变压器一体化多电平电池储能功率变流装置的直流负输出端；
所述的第一单相电压源逆变桥、第二单相电压源逆变桥和第三单相电压源逆变桥的第一交流输出端分别接到六相交流电抗器L1的输入侧的第一组三相交流端，第四单相电压源逆变桥、第五单相电压源逆变桥和第六单相电压源逆变桥的第一交流输出端分别接到六相交流电抗器L1的输入侧的第二组三相交流端，六相交流电抗器L1的输出侧的第一组三相交流端分别接到第一滤波电容器CA1、第二滤波电容器CB1和第三滤波电容器CC1的一端，六相交流电抗器L1的输出侧的第二组三相交流端分别接到第四滤波电容器CA2、第五滤波电容器CB2和第六滤波电容器CC2的一端；
所述的第一单相电压源逆变桥、第二单相电压源逆变桥和第三单相电压源逆变桥的第二交流输出端分别接到第一滤波电容器CA1、第二滤波电容器CB1和第三滤波电容器CC1的另一端，第四单相电压源逆变桥、第五单相电压源逆变桥和第六单相电压源逆变桥的第二交流输出端分别接到第四滤波电容器CA2、第五滤波电容器CB2和第六滤波电容器CC2的另一端；第一滤波电容器CA1、第二滤波电容器CB1和第三滤波电容器CC1的两端分别接到三绕组变压器T的第一个副边三相绕组的六个引出端，第四滤波电容器CA2、第五滤波电容器CB2和第六滤波电容器CC2的两端分别接到三绕组变压器T的第二个副边三相绕组的六个引出端，三绕组变压器T的原边三相绕组引出端接入电网；
所述的第一三相取能变压器T1的原边三相绕组的六个引出端分别接到第一单相电压源逆变桥、第二单相电压源逆变桥和第三单相电压源逆变桥的第一、第二交流输出端，第一三相取能变压器T1的副边三相交流端分别接到第一三相整流桥B1的三个交流端，第一三相整流桥B1的直流正端接到第四单相电压源逆变桥的直流正端，第一三相整流桥B1的直流负端接到第一直流滤波电抗器L2的一端，第一直流滤波电抗器L2的另一端接到第六单相电压源逆变桥的直流负端；
所述的第二三相取能变压器T2的原边三相绕组的六个引出端分别接到第四单相电压源逆变桥、第五单相电压源逆变桥和第六单相电压源逆变桥的第一、第二交流输出端，第二三相取能变压器T2的副边三相交流端分别接到第二三相整流桥B2的三个交流端，第二三相整流桥B2的直流正端接到第二直流滤波电抗器L3的一端，第二直流滤波电抗器L3的另一端接到第一单相电压源逆变桥的直流正端，第二三相整流桥B2的直流负端接到第三单相电压源逆变桥的直流负端。
本发明提出的变压器一体化多电平电池储能功率变流装置，可以采用常规的单相两电平电压源逆变桥，其电路原理图如图2所示，也可以采用常规的单相NPC三电平电压源逆变桥。在实际应用中，为扩大功率变流装置容量，单相两电平电压源逆变桥或单相NPC三电平电压源逆变桥还可以采用多台直流侧直接并联交流侧通过电抗器并联的方式运行。
本发明的变压器一体化多电平电池储能功率变流装置的工作原理是：储能电池组的正负端分别连接到变压器一体化多电平电池储能功率变流装置的直流正输出正端DC+和直流负输出端DC-。第一/二/三单相电压源逆变桥和第四/五/六单相电压源逆变桥的直流侧形成串联关系以适应更高的储能电池直流电压，交流输出端通过L1和CA1/CB1/CC1/CA2/CB2/CC2组成的滤波器滤波后分别接到三绕组变压器的副边低压绕组，从而形成两组三单相电压源逆变桥交流侧的隔离。当功率变流装置处于充电运行模式时，第一/二/三单相电压源逆变桥和第四/五/六单相电压源逆变桥受到功率变流装置控制器的控制，使有功功率从三绕组变压器的源边流向副边并经过第一/二/三单相电压源逆变桥和第四/五/六单相电压源逆变桥转换成直流电流流向两组储能电池，从而实现电池的充电；当装置处于放电运行模式时，第一/二/三单相电压源逆变桥和第四/五/六单相电压源逆变桥受到功率变流装置控制器的控制，使有功功率从两组储能电池流向第一/二/三单相电压源逆变桥和第四/五/六单相电压源逆变桥，并转换成交流电流流向三绕组变压器并最终流向三绕组变压器源边的交流电源，从而实现电池的放电。为减少第一/二/三单相电压源逆变桥和第四/五/六单相电压源逆变桥流向变压器电网侧的谐波电流，第一/二/三单相电压源逆变桥和第四/五/六单相电压源逆变桥的PWM控制脉冲可采用载波移相模式。
第一/二/三单相电压源逆变桥和第四/五/六单相电压源逆变桥的直流电压分别被功率变流装置控制器采样，并形成反馈控制调节各逆变桥交流侧的有功功率，使得两个逆变桥的直流电压保持平衡，确保逆变桥功率器件的安全运行。取能变压器T1/T2，三相整流桥B1/B2以及直流滤波电抗器L2/L3组成直流电压平衡辅助控制电路，其原理是：当第一/二/三单相电压源逆变桥直流电压偏高时，其输出的交流电压幅值也偏高，经过T1隔离及B1整流后，通过L2向第四/五/六单相电压源逆变桥的直流侧充电，使得第四/五/六单相电压源逆变桥的直流电压升高，直到和第一/二/三单相电压源逆变桥的直流电压一样高后充电停止，从而实现两个逆变桥直流电压的平衡控制。
本发明的变压器一体化多电平电池储能功率变流装置中，六相交流电抗器可以更好的实现两台三点电压源逆变桥交流侧电流的均衡，六相交流电抗器也可以采用两台三相交流电抗器实现。三绕组变压器的原边和副边可以采用三角接或星型接线，三绕组变压器的副边也可以增加绕组数以便接入更多的逆变器及滤波电路，以实现装置容量的扩大。
任何基于本发明电路所作的等效变换电路，均属于本发明的保护范围。