[0001] 本发明属于面向液流电池储能系统技术领域，特别涉及一种液流电池储能系统功率变换集成拓扑。

[0002] 储能技术是实现“碳达峰、碳中和”，构建以新能源为主体的新型电力系统的关键支撑技术，其中液流电池储能技术具有安全、可靠、环保、寿命长等优点，是构建长时间、大规模储能的首选之一。

[0003] 大规模液流电池储能系统一般由多组电堆模块集成而来。而电堆通常由多个单电池串联组成，并通过储罐和液路系统统一供应电解液，电解液通过公共管道并列分配到各个单电池。

[0004] 在工程应用中，为了满足实际需求，需要对多个电堆进行串并联，实现高电压、大功率的输出，在同一对电解液储罐的电堆组串并联成组运行时，电堆之间的液路系统会产生旁路电流，影响电堆内部的旁路电流分布以及内部单电池的电压分布，在新的旁路电流影响下，同一液路系统中的电堆串联后，其单电堆电压水平会低于串联前的单电堆。

[0005] 传统储能变流器一般分为一级储能变流器和两级储能变流器。一级储能变流器电路简单、损耗小，电能只需经过一次DC/AC变换，缺点是升降压能力不足，需要储能系统直流侧直接提供较高的电压水平。两级储能变流器在一级基础上，在储能电池和DC/AC变流器之间加入DC/DC变流器进行升压(放电)、降压(充电)，是大部分传统液流电池储能系统采用的并网变流方式，缺点是两级变换增加了储能系统结构的复杂度和控制难度，降低了储能系统效率及可靠性。

[0040] 以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的方案作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

[0041] 常规的液流电池储能系统中，常常因为电池串联电压不够高，需要采用前级DC/DC变流器的两级储能变流器拓扑结构，前级DC/DC实现升压(放电)、降压(充电)变换，使直流母线电压满足后级变流器的并网要求，然后通过后级DC/AC变流器实现并网运行。虽然两级储能变流器引入了DC/DC变流器后使液流电池的电压和容量配置更加灵活，但是DC/DC变流器的加入增加了储能变流器的成本和控制复杂程度，并且两级储能变流器的功率转换效率相比一级储能变流器的效率低。为了使液流电池储能系统的直流电压能够足够高，满足液流储能系统大功率容量、高效的变流需求，需要增加串联电堆的数量，但是在同一个液流系统下，串联的电堆数量越多，电堆之间的旁路电流损耗越明显，串联电堆的电压不一致性越严重，造成1+1<2的效果，直接影响整体电堆串联电压的水平，也是液流电池储能系统大规模集成面临的主要挑战。因此本发明提出一种液流电池储能系统高效大功率变换集成拓扑。

[0042] 如图1所示，本发明的实施例提供了一种液流电池储能系统高效大功率变换集成拓扑，其变换集成拓扑由跨液路系统的电堆串联成组拓扑与高效大功率变换集成拓扑级联构成。

[0043] 电堆串联成组拓扑包括n套液路系统，n*m个电堆100，每套液路系统为m个电堆100提供电解液，构成一个电堆组500，整个拓扑中有n个电堆组500，对应n套液路系统。

[0044] 具体的，所述液路系统由正负极电解液储罐、正负极电解液液路管道、电堆内部液路管道及液泵构成；

[0045] 一对正负极电解液储罐通过一套正负极电解液液路管道与m个电堆的正负极电解液进出口相连，形成液路循环回路，在两个液泵的驱动下，构成一套液路系统。

[0046] 具体的，如图2所示，所述正负极电解液液路管道的连接关系如下：

[0047] 正极液路进液旁管300连接在所述电堆的正极电解液进口101和所述正极液路进液公共管道304之间；

[0048] 正极液路出液旁管301连接在所述电堆的正极电解液出口102和所述正极液路出液公共管道305之间；

[0049] 正极液路进液公共管道304连接在所述正极电解液进液旁管300和所述正极电解液储罐的出口203之间，靠近储罐出口处设有液泵400；

[0050] 正极液路出液公共管道305连接在所述正极电解液出液旁管301和所述正极电解液储罐的进口202之间；

[0051] 负极液路进液旁管302连接在所述电堆的负极电解液进口103和所述负极液路进液公共管道306之间；

[0052] 负极液路出液旁管303连接在所述电堆的负极电解液出口104和所述负极液路出液公共管道307之间；

[0053] 负极液路进液公共管道306连接在所述负极电解液进液旁管302和所述负极电解液储罐的出口205之间，靠近储罐出口处设有液泵400；

[0054] 负极液路出液公共管道307连接在所述负极电解液出液旁管303和所述负极电解液储罐的进口204之间。

[0055] 以上，就是本发明所提拓扑下的液路系统结构。在本实施例中，一套液路系统可以为m个电堆100提供电解液，这m个电堆100在本实施例中称为一个电堆组500。

[0056] 进一步的，介绍本实施例中电堆100之间的电气连接方式：

[0057] 一般，为了提高液流电池储能系统的电压水平，需要多个电堆100进行串联连接，以往都是在同一个液路系统下的电堆100之间串联，存在电堆之间液路管道的旁路电流损耗，以及电堆电压的降低，因此本发明提出了一种跨液路系统的电堆串联连接方式。

[0058] 首先，本实施例中的串联连接是指：

[0059] 有两个电堆时，第一个电堆的负极106与第二个电堆的正极105通过电气连接线连接，第一个电堆的正极105作为连接后的总正极700，第二个电堆的负极106作为连接后的总负极701；

[0060] 有多个电堆100时，前一个电堆100与后一个电堆100之间，按照上述两个电堆100串联的方式连接，第一个电堆的正极105作为连接后的总正极700，最后一个电堆的负极106作为连接后的总负极701；

[0061] 在本实施例中，具有上述串联连接关系的多个电堆100称为一个电堆串600。

[0062] 特别的，本实施例中跨液路系统的电堆串，如图1所示，是每个电堆组500各自分别提供一个位置相同的电堆100进行排序，然后将前一个电堆100的负极106与后一个电堆100的正极105连接，电堆串首端电堆100的正极105作为电堆串的总正极700，电堆串末端电堆的负极106作为电堆串的总负极701。除本实施例外，跨液路系统的电堆串还可以选择每个电堆组中位置不同的电堆100进行串联连接。

[0063] 每个电堆组包含m个电堆，在本实施例中，每个电堆组中的电堆全部参与跨液路系统的串联连接，构成m个电堆串。

[0064] 在传统液流电池储能系统电堆串联成组拓扑中，电堆串一般是由同一个液路系统中的电堆串联构成，由于电堆之间存在电势差，电堆之间连接的液路管道中存在旁路电流。而本实例中采用的跨液路系统的电堆串联成组拓扑，避免了同一液路系统下电堆的电气连接，消除了电堆组内电堆之间的电势差，消除了液路管道中的旁路电流，另外，本实施例中电堆串中的电堆之间虽然存在电气连接和电势差，但是没有液路上的连接关系，因此电堆串中不会产生旁路电流。

[0065] 本实施例中，电堆串600中串联电堆100的数量由电堆组500组数确定，使电堆串600的串联电压调整更加灵活，能够方便地增加电堆串联数量，提高电堆串直流输出电压水平，只需一级DC/AC功率变换，就能满足液流储能系统大功率容量、高效的变流需求，省去了原二级储能变流器拓扑中的DC/DC变流环节，所以，本实施例高效大功率变换集成拓扑中的储能变流器拓扑采用更加简单、可靠、高效的一级DC/AC变流器拓扑。

[0066] 如图1所示，一级DC/AC变流器、直流母线电容、LC滤波器、隔离变压器构成所述所述一级储能变流器拓扑；

[0067] 所述一级DC/AC变流器800的直流侧801与直流母线电容805并联，构成一级储能变流器拓扑直流侧806；

[0068] 所述一级DC/AC变流器800的交流侧802与LC滤波器803和隔离变压器804串联，构成一级储能变流器拓扑交流侧807；

[0069] 本实施例中，m个一级储能变流器拓扑直流侧806分别与m个电堆串总正极700和总负极701相连，m个一级储能变流器拓扑交流侧807并联后与交流电网900相连，构成所述高效大功率变换集成拓扑，

[0070] 最后，跨液路系统的电堆串联成组拓扑与高效大功率变换集成拓扑级联构成所述液流电池储能系统高效大功率变换集成拓扑。

[0071] 另外，本实施例中一级储能变流器拓扑中采用的一级DC/AC变流器为两电平电压源型PWM变流器(VSC)但不限于此，三电平和多电平等电压源型PWM变流器(VSC)也在本实施例的考虑范围内。

[0072] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。