一种储能系统并离网切换装置的制作方法

1.本发明涉及电路领域，尤其涉及一种储能系统并离网切换装置。


背景技术：

2.储能系统工作于并网模式时，电网给电池充放电，并给负载供电；当电网掉电时，需确保负载不中断供电，则电池经储能变流器(pcs)、并离网切换装置(sts)切换到给负载供电。
3.为保护电能传输电路，储能变流器(pcs)与并离网切换装置(sts)之间连接需要有隔离与升压装置，现有技术通常采用工频变压器来实现，但工频变压器体积大，效率低，而且需要配套安装机柜和风扇等设施，经济成本高。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是：提供一种储能系统并离网切换装置，能够实现并离网储能系统的高效率和轻量化。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案为：
6.一种储能系统并离网切换装置，包括储能器、双向高频隔离dc/dc变换器、双向ac/dc变换器和并离网切换器；
7.所述储能器的一端和所述双向高频隔离dc/dc变换器的一端连接；
8.所述双向高频隔离dc/dc变换器的另一端与所述双向ac/dc变换器的一端连接；
9.所述双向ac/dc变换器的另一端和所述并离网切换器连接。
10.从上述描述可知，本发明的有益效果在于：本发明提供的一种储能系统并离网切换装置，通过在储能变流器内部设置双向高频隔离dc/dc变换器，替代现有技术中储能变流器与并离网切换装置之间连接的工频变压器，实现了电池与电网之间的隔离，由于双向高频隔离dc/dc变换器工作在高频，变换效率较高，在同等的功率要求下需要的体积和重量较小，通过将带有双向高频隔离dc/dc变换装置的储能变流器与并离网切换装置结合，可实现减少并离网储能系统的重量和体积，提高系统的电能传输效率，从而实现并离网储能系统的高效率和轻量化，满足了电源系统的发展趋势。
附图说明
11.图1为本发明实施例的一种储能系统并离网切换装置的结构图；
12.图2为本发明实施例的另一种储能系统并离网切换装置的结构图；
13.图3为本发明实施例的一种双向高频隔离dc/dc变换器的结构图。
14.标号说明：
15.cb1、第一断路器；cb2、第二断路器；cb3、第三断路器；c1、第一电容；c2、第二电容；q1、第一mos管；q2、第二mos管；q3、第三mos管；q4、第四mos管；q5、第五mos管；q6、第六mos管；q7、第七mos管；q8、第八mos管；q9、第九mos管；q10、第十mos管；q11、第十一mos管；q12、
第十二mos管；l1、第一电感；l2、第二电感；l3、第三电感；c31、第一第三电容；c32、第二第三电容；c33、第三第三电容；t1、第一高频隔离变压器；t2、第二高频隔离变压器；t3、第三高频隔离变压器。
具体实施方式
16.为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
17.请参照图1至图3，一种储能系统并离网切换装置，包括储能器、双向高频隔离dc/dc变换器、双向ac/dc变换器和并离网切换器；
18.所述储能器的一端和所述双向高频隔离dc/dc变换器的一端连接；
19.所述双向高频隔离dc/dc变换器的另一端与所述双向ac/dc变换器的一端连接；
20.所述双向ac/dc变换器的另一端和所述并离网切换器连接。
21.从上述描述可知，本发明的有益效果在于：本发明提供的一种储能系统并离网切换装置，通过在储能变流器内部设置双向高频隔离dc/dc变换器，替代现有技术中储能变流器与并离网切换装置之间连接的工频变压器，实现了电池与电网之间的隔离，由于双向高频隔离dc/dc变换器工作在高频，变换效率较高，在同等的功率要求下需要的体积和重量较小，通过将带有双向高频隔离dc/dc变换装置的储能变流器与并离网切换装置结合，可实现减少并离网储能系统的重量和体积，提高系统的电能传输效率，从而实现并离网储能系统的高效率和轻量化，满足了电源系统的发展趋势。
22.进一步地，所述双向高频隔离dc/dc变换器包括第一级变换单元、变压单元和第二级变换单元；
23.所述第一级变换单元的一端和所述储能器的一端连接；
24.所述变压单元的一端和所述第一级变换单元的另一端连接；
25.所述第二级变换单元的一端和所述变压单元的另一端连接；
26.所述双向ac/dc变换器的一端和所述第二级变换单元的另一端连接。
27.由上述描述可知，通过设置第一级变换单元和第二级变换单元，可以根据电能流动的方向实现高频逆变或整流功能，通过设置变压单元，可以根据电能流动的方向实现不同电压的高频变换，从而实现能量的双向流动。
28.进一步地，所述第一级变换单元包括第一电容和三个第一开关组；
29.三个所述第一开关组之间并联连接；
30.所述第一电容和所述储能器并联连接；
31.所述第一开关组和所述第一电容并联连接；
32.所述第一开关组包括两个串联连接的mos管。
33.由上述描述可知，通过设置第一级变换单元包括第一开关组，可以依靠控制各个开关的频率和状态，完成对电压增益的调节操作，并且设置第一开关组包括的开关为mos管，利于同步整流，从而实现电能的双向流动，在需要能量双向流动的应用场合可以大幅度减少系统的体积和成本，同时通过设置第一电容，可以滤除储能器侧的波纹电流，有利于电压稳定。
34.进一步地，所述第二级变换单元包括第二电容和三个第二开关组；
35.三对所述第二开关组之间并联连接；
36.所述第二电容和所述双向ac/dc变换器并联连接；
37.所述第二开关组和所述第二电容并联连接；
38.所述第二开关组由两个串联连接的mos管组成。
39.由上述描述可知，通过设置第二级变换单元包括第二开关组，可以依靠控制各个开关的频率和状态，完成对电压增益的调节操作，并且设置第二开关组包括的开关为mos管，利于同步整流，从而实现电能的双向流动，在需要能量双向流动的应用场合可以大幅度减少系统的体积和成本，同时通过设置第二电容，可以滤除双向ac/dc变换器侧的波纹电流，有利于电压稳定。
40.进一步地，所述变压单元包括三个高频隔离变压器和三个谐振单元；
41.所述三个高频隔离变压器原边绕组的第一端和所述三个谐振单元的一端一一对应连接；
42.所述三个高频隔离变压器原边绕组的第二端共同连接；
43.所述三个谐振单元的另一端一一对应连接在所述三个第一开关组的所述两个串联连接的mos管之间；
44.所述三个高频隔离变压器副边绕组的第一端和所述三个第二开关组的所述两个串联连接的mos管之间一一对应连接；
45.所述三个高频隔离变压器副边绕组的第二端共同连接。
46.由上述描述可知，通过设置高频隔离变压器，储能器和并离网切换器的两侧电路不直接导通，高频电能通过电磁感应从一侧传输到另一侧，实现了两侧电气绝缘，起到了对两侧电路的保护作用，并且通过设置谐振单元提高了高频逆变效果。
47.进一步地，所述谐振单元包括电感和第三电容；
48.所述电感的一端和所述高频隔离变压器原边绕组的第一端连接；
49.所述电感的另一端和所述第三电容的一端连接；
50.所述第三电容的另一端连接在所述第一开关组的所述两个串联连接的mos管之间。
51.由上述描述可知，通过采用llc谐振变换器具有开关频率高、关断损耗小、效率高、重量轻、体积小、电磁干扰噪声小、开关应力小等优点；同时采用三相交错并联，可以自动调节各相电压的能力，调节各相电流，并使电流自然叠加相消，不仅降低了输出电流纹波，还扩大了设备的容量。
52.进一步地，还包括负载、第一交流emc滤波器、第二交流emc滤波器和电网；
53.所述第一交流emc滤波器的一端分别与所述并离网切换器的一端和所述负载的一端连接；
54.所述第一交流emc滤波器的另一端和所述电网的一端连接；
55.所述负载的一端与所述第二交流emc滤波器的一端连接；
56.所述第二交流emc滤波器的另一端与所述并离网切换器的另一端连接。
57.由上述描述可知，通过设置负载分别与电网和并离网切换器连接，当系统处于并网模式时，电网给负载供电，当电网掉电时，并离网切换器给负载供电，保证负载不中断供电，同时设置第一交流emc滤波器和第二交流emc滤波器分别稳定电网侧和负载侧的电压。
58.进一步地，还包括第一断路器；
59.所述第一交流emc滤波器通过所述第一断路器与所述并离网切换器连接。
60.进一步地，还包括第二断路器；
61.所述第一交流emc滤波器通过所述第二断路器与所述负载连接。
62.进一步地，还包括第三断路器；
63.所述第一交流emc滤波器通过所述第三断路器与所述并离网切换器连接。
64.由上述描述可知，通过设置第一断路器作为电网侧断路器，第二断路器作为维修旁路开关断路器，第三断路器作为负载侧断路器，当闭合第二断路器，断开第一断路器和第三断路器时，可以实现对储能变流器内部进行检修，负载直接由电网进行供电。
65.本发明上述储能系统并离网切换装置可以应用于任何类型的并离网储能系统，以下通过具体实施方式进行说明：
66.本发明的实施例一为：
67.一种储能系统并离网切换装置，包括储能器、双向高频隔离dc/dc变换器、双向ac/dc变换器和并离网切换器；
68.所述储能器的一端和所述双向高频隔离dc/dc变换器的一端连接；
69.所述双向高频隔离dc/dc变换器的另一端与所述双向ac/dc变换器的一端连接；
70.所述双向ac/dc变换器的另一端和所述并离网切换器连接；
71.其中双向高频隔离dc/dc变换器和双向ac/dc变换器可以共同构成储能变流器，双向高频隔离dc/dc变换器可以把直流电经高频变换为高频脉冲，隔离之后再整流为直流，变换频率较高，通常为100khz左右，因此无需再额外添加工频变压器，双向ac/dc变换器可以把双向高频隔离dc/dc变换器输出的直流电高频逆变成交流电，或者将并离网切换器输出的交流电整流为直流电；
72.在一种可选的实施方式中，所述储能变流器可以是模块化的，支持多模块并联和并离网切换器连接如图1所示，其中储能器包含多组电池组，多组电池组和多组双向高频隔离dc/dc变换器一一对应连接，多组双向高频隔离dc/dc变换器和多组双向ac/dc变换器一一对应连接，多组双向ac/dc变换器连接到并离网切换器；
73.多组储能器通过各自独立的双向隔离变换装置接入母线，不同储能器之间的差异不再相互影响，甚至不同性质的储能器可以组合使用；
74.此外塔式储能变流器也适用于该储能系统并离网切换装置如图2所示。
75.本发明的实施例二为：
76.在实施例一的基础上，本实施例对所述储能系统并离网切换装置的结构进行了进一步限定；
77.请参照图1或图2，还包括负载、第一交流emc滤波器、第二交流emc滤波器和电网；
78.所述第一交流emc滤波器的一端分别与所述并离网切换器的一端和所述负载的一端连接；
79.所述第一交流emc滤波器的另一端和所述电网的一端连接；
80.所述负载的一端还与所述第二交流emc滤波器的一端连接；
81.所述第二交流emc滤波器的另一端与所述并离网切换器的另一端连接；
82.其中所述并离网切换器采用静态切换开关sts，静态切换开关sts包括分别设置在
a相电、b相电、c相电和n相电的scr开关；
83.所述储能系统并离网切换装置的工作原理如下：
84.当处于并网模式时，电网经并离网切换器通过双向ac/dc变换器和双向高频隔离dc/dc变换器给储能器充电，并给负载供电，或接受电网调度，储能器通过双向高频隔离dc/dc变换器和双向ac/dc变换器经并离网切换器放电回馈至电网，并给负载供电；当电网掉电时，并离网切换器检测到电网掉电，给出切换指令关闭设置在a相电、b相电、c相电和n相电的scr开关，双向高频隔离dc/dc变换器和双向ac/dc变换器由充电状态切换至放电状态，给负载供电，使负载不掉电；电网恢复后，并离网切换器切换至并网运行模式，双向高频隔离dc/dc变换器和双向ac/dc变换器由放电状态切换至充电状态，给储能器供电；由此实现了并离网的无缝切换，并且可以削峰填谷，从而赚取电费差价。
85.本发明的实施例三为：
86.在实施例一的基础上，对并离网切换器、电网和负载之间的连接进行了进一步限定：
87.请参照图1或图2，还包括第一断路器cb1；
88.所述第一交流emc滤波器通过所述第一断路器与所述并离网切换器连接；
89.还包括第二断路器cb2；
90.所述第一交流emc滤波器通过所述第二断路器与所述负载连接。
91.还包括第三断路器cb3；
92.所述第一交流emc滤波器通过所述第三断路器与所述并离网切换器连接；
93.其中cb1作为电网侧断路器，cb2作为维修旁路开关断路器，cb3作为负载侧断路器，当闭合cb2时，断开cb1、cb3时，可对双向高频隔离dc/dc变换器和双向ac/dc变换器的内部进行检修，负载直接由电网直接供电，确保负载不断电。
94.本发明的实施例四为：
95.在实施例一至三任一项实施例的基础上，本实施例对双向高频隔离dc/dc变换器的结构进行了进一步限定；
96.请参照图3，所述双向高频隔离dc/dc变换器包括第一级变换单元、变压单元和第二级变换单元；
97.所述第一级变换单元的一端和所述储能器的一端连接；
98.所述变压单元的一端和所述第一级变换单元的另一端连接；
99.所述第二级变换单元的一端和所述变压单元的另一端连接；
100.所述双向ac/dc变换器的一端和所述第二级变换单元的另一端连接。
101.在一种可选的实施方式中，所述第一级变换单元包括第一电容c4和三个第一开关组；
102.三对所述第一开关组之间并联连接；
103.所述第一电容c1和所述储能器并联连接；
104.所述第一开关组和所述第一电容c1并联连接；
105.优选地，所述第一开关组由两个串联连接的mos管组成；
106.具体地，本实施例中，第一个第一开关组由串联的第一mos管q1和第二mos管q2组成，其中第一mos管q1的s极连接第二mos管q2的d极，第一mos管q1的d极连接第一电容c1的
第一端，第二mos管q2的s极连接第一电容c1的第二端；
107.第二个第一开关组由串联的第三mos管q3和第四mos管q4组成，其中第三mos管q3的s极连接第四mos管q4的d极，第三mos管q3的d极连接第一电容c1的第一端，第四mos管q4的s极连接第一电容c1的第二端；
108.第三个第一开关组由第五mos管q5和第六mos管q6组成，其中第五mos管q5的s极连接第六mos管q6的d极，第五mos管q5的d极连接第一电容c1的第一端，第六mos管q6的s极连接第一电容c1的第二端；
109.所述第二级变换单元包括第二电容c2和三个第二开关组；
110.三对所述第二开关组之间并联连接；
111.所述第二电容c2和所述并离网切换器并联连接；
112.所述第二开关组和所述第二电容c2并联连接；
113.优选地，所述第二开关组由两个串联连接的mos管组成；
114.具体地，本实施例中，第一个第二开关组由串联的第七mos管q7和第八mos管q8组成，其中第七mos管q7的s极连接第八mos管q8的d极，第七mos管q7的d极连接第二电容c2的第一端，第八mos管q8的s极连接第二电容c2的第二端；
115.第二个第二开关组由串联的第九mos管q9和第十mos管q10组成，其中第九mos管q9的s极连接第十mos管q10的d极，第九mos管q9的d极连接第二电容c2的第一端，第十mos管q10的s极连接第二电容c2的第二端；
116.第三个第二开关组由第十一mos管q11和第十二mos管q12组成，其中第十一mos管q11的s极连接第十二mos管q12的d极，第十一mos管q11的d极连接第二电容c2的第一端，第十二mos管q12的s极连接第二电容c2的第二端；
117.在一种可选的实施方式中，所述变压单元包括三个高频隔离变压器和三个谐振单元；
118.所述三个高频隔离变压器原边绕组的第一端和所述三个谐振单元的一端一一对应连接；
119.所述三个高频隔离变压器原边绕组的第二端共同连接；
120.所述三个谐振单元的另一端和所述三个第一开关组的所述两个串联连接的mos管之间一一对应连接；
121.所述三个高频隔离变压器副边绕组的第一端和所述三个第二开关组的所述两个串联连接的mos管之间一一对应连接；
122.所述三个高频隔离变压器副边绕组的第二端共同连接；
123.优选地，所述谐振单元包括电感和第三电容；
124.所述电感的一端和所述高频隔离变压器原边绕组的第一端连接；
125.所述电感的另一端和所述第三电容的一端连接；
126.所述第三电容的另一端和所述第一开关组的所述两个串联连接的mos管之间连接；
127.具体地，本实施例中，第一第三电容c31的一端连接在第一mos管q1和第二mos管q2之间，第一第三电容c31的另一端连接在第一电感l1的一端，第一电感l1的另一端连接在第一高频隔离变压器t1原边绕组的第一端，第一高频隔离变压器t1副边绕组的第一端连接在
第七mos管q7和第八mos管q8之间；
128.第二第三电容c32的一端连接在第三mos管q3和第四mos管q4之间，第二第三电容c32的另一端连接在第二电感l8的一端，第二电感l8的另一端连接在第二高频隔离变压器t2原边绕组的第一端，第二高频隔离变压器t2副边绕组的第一端连接在第九mos管q9和第十mos管q10之间；
129.第三第三电容c33的一端连接在第五mos管q5和第六mos管q6之间，第三第三电容c33的另一端连接在第三电感l3的一端，第三电感l3的另一端连接在第三高频隔离变压器t3原边绕组的第一端，第三高频隔离变压器t3副边绕组的第一端连接在第十一mos管q11和第十二mos管q12之间；
130.其中所述三个高频隔离变压器t1、t2和t3原边绕组的第二端共同连接，所述三个高频隔离变压器t1、t2和t3副边绕组的第二端共同连接，原边绕组的第一端和副边绕组的第一端为同名端。
131.本发明的实施例五为：
132.在实施例四的基础上，还包括控制器，用来控制各个mos管的导通和关断；
133.其中三个所述第一开关组中连接所述第一电容c1正极的mos管分别与三个所述第二开关组中连接所述第二电容c2正极的mos管一一对应，三个所述第一开关组中连接所述第一电容c1负极的mos管分别与三个所述第二开关组中连接所述第二电容c2负极的mos管一一对应；
134.具体地，所述控制器用于控制每个所述第二开关组中连接所述第二电容c2正极的所述mos管与对应的所述第一开关组中连接所述第一电容c1正极的可控开关管成同步整流状态；以及控制每个所述第二开关组中连接所述第二电容c2负极的mos管与对应的所述第一开关组中连接所述第一电容c1负极的mos管成同步整流状态；
135.当能量正向流动时，原边工作在串联谐振模式，副边工作在同步整流模式，当能量正向流动时，副边工作在串联谐振模式，原边工作在同步整流模式，从实现了电能的双向流动，并且由于第一级变换单元和第二级变换单元的电路结构相同，不论电能的流动方向是正向还是反向，电路都工作在相同模式下，所以两个流向的控制均可采用相同的控制策略，简化了控制算法；
136.并且其中三个谐振电路采用对称的llc结构，提高了谐振对称性，自主完成均流，提高了两个变换电路之间电流流动的对称性，进一步减少了纹波电流，更加容易满足大功率的输出要求。
137.综上所述，本发明提供的一种储能系统并离网切换装置，通过在储能变流器内部设置双向高频隔离dc/dc变换器，其中双向高频隔离dc/dc变换器包括高频隔离变压器，替代现有技术中储能变流器与并离网切换装置之间连接的工频变压器，实现了电池与电网之间的隔离以及能量的双向流动，同时双向高频隔离dc/dc变换器工作在高频，变换效率较高，在同等的功率要求下需要的体积和重量较小，并且采用三相交错并联结构有效的减小波纹，可以减小滤波电容的体积，同时热量可以分散到三个高频隔离变压器中，更加适用于大功率的输出要求；综上，通过将带有双向高频隔离dc/dc变换装置的储能变流器与并离网切换装置结合，可实现减少并离网储能系统的重量和体积，提高系统的电能传输效率，从而实现并离网储能系统的高效率和轻量化，具有明显的技术优势与经济价值，可以广泛应用
于中功率并离网储能系统。
138.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。