大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

謝志佳，馬會萌，靳文濤

(中國電力科學(xué)研究院，北京市 100192)

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人類長久賴以生存的石油、天然氣、煤炭等不可再生能源迅速地接近枯竭，在人類面對的能源困境中，太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、潮汐能等清潔能源迅猛發(fā)展。然而現(xiàn)已開發(fā)的新能源發(fā)電站，普遍存在著輸出電能變化大、不穩(wěn)定和不可預(yù)測的問題［1］。例如2011年我國光伏裝機(jī)為3 GW，而國家能源局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)指出，光伏并網(wǎng)裝機(jī)容量僅為2.14 GW。這意味著，全國光伏裝機(jī)中約有29%光伏系統(tǒng)尚未并網(wǎng)。電池儲能系統(tǒng)不僅能夠提高間歇性能源并網(wǎng)發(fā)電能力，而且在電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、配電和用電環(huán)節(jié)中都發(fā)揮著積極的作用，可以完成電網(wǎng)的削峰填谷、過負(fù)荷沖擊調(diào)節(jié)、頻率調(diào)節(jié)及提高電能質(zhì)量，達(dá)到電網(wǎng)安全性的目的［2-5］。

電池儲能系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分就是能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(power conversion system，PCS)。通過PCS可以實(shí)現(xiàn)電池儲能系統(tǒng)直流電池與交流電網(wǎng)之間的雙向能量傳遞，通過控制策略實(shí)現(xiàn)對電池系統(tǒng)的充放電管理、網(wǎng)側(cè)負(fù)荷功率的跟蹤、電池儲能系統(tǒng)充放電功率的控制、正常及孤島運(yùn)行方式下網(wǎng)側(cè)電壓的控制等。PCS裝置已在太陽能、風(fēng)能等分布式發(fā)電技術(shù)中有較多的應(yīng)用，并逐漸應(yīng)用于飛輪儲能、超級電容器、電池儲能等小容量雙向功率傳遞的儲能系統(tǒng)中［6］。近年來，隨著電池技術(shù)與電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠不斷改進(jìn)。新型PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)正向著具有更小裝置整體損耗、更高可靠性以及形成更加方便和高效的模塊化結(jié)構(gòu)方向發(fā)展。因此有必要對各種PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析。

1 PCS中變流器部分

變流器(converter)是使電源系統(tǒng)的電壓、頻率、相數(shù)和其他電量或特性發(fā)生變化的電器設(shè)備［7］。PCS中常用的變流器是雙向DC/DC變流器和雙向DC/AC變流器。雙向DC/DC變流器用來調(diào)整直流鏈電壓;雙向DC/AC起到整流和逆變功能，實(shí)現(xiàn)電池儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)能量交互。

1.1 含DC/DC與DC/AC環(huán)節(jié)的變流器

電池儲能系統(tǒng)中最常見的PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為含DC/DC與DC/AC環(huán)節(jié)的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。雙向DC/DC環(huán)節(jié)主要是進(jìn)行升、降壓變換，提供穩(wěn)定的直流電壓。儲能電池充電時(shí)，雙向DC/AC變流器工作在整流狀態(tài)，將電網(wǎng)側(cè)交流電壓整流為直流電壓，該電壓經(jīng)雙向DC/DC變換器降壓得到儲能電池充電電壓;儲能電池放電時(shí)，雙向DC/AC變流器工作在逆變狀態(tài)，雙向DC/DC變換器升壓向DC/AC變流器提供直流側(cè)輸入側(cè)電壓，經(jīng)變流器輸出合適的交流電壓。

圖1 含DC/DC與DC/AC環(huán)節(jié)的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1Topological structure of converter containing DC/DC link and DC/AC link

這種含DC/DC和DC/AC環(huán)節(jié)的PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)對多串并聯(lián)的電池模塊的充放電管理;由于DC/DC環(huán)節(jié)可實(shí)現(xiàn)直流電壓的升降，使得儲能電池的容量配置更加靈活;適于配合風(fēng)電、光伏等間歇性、波動性比較強(qiáng)的分布式電源的接入，抑制其直接并網(wǎng)可能帶來電壓波動。主要缺點(diǎn)是由于存在DC/DC環(huán)節(jié)，使得整個(gè)PCS系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率有所降低;大容量PCS的DC/DC與DC/ AC環(huán)節(jié)的開關(guān)頻率、容量及協(xié)調(diào)配合關(guān)系復(fù)雜。

除圖1所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)外，包含DC/DC和DC/AC環(huán)節(jié)的PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還有2種，如圖2所示。圖2 (a)是包含DC/DC環(huán)節(jié)的共直流側(cè)變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的擴(kuò)容方式是，多組儲能電池組分別經(jīng)過各自的DC/DC環(huán)節(jié)后并聯(lián)，再共用1個(gè)DC/AC環(huán)節(jié)，然后經(jīng)濾波器濾波后并網(wǎng)。圖2(b)是包含DC/ DC環(huán)節(jié)的共交流側(cè)變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的擴(kuò)容方式是多組電池組分別經(jīng)過各自的DC/DC和DC/AC環(huán)節(jié)后再并聯(lián)，并聯(lián)后經(jīng)過濾波器濾波后并網(wǎng)。

圖2 含DC/DC與DC/AC環(huán)節(jié)的變流器并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2Parallel topological structure of converter containing DC/DC link and DC/AC link

與圖1所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，圖2所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是:采用模塊化連接方式，配置更加靈活;通過并聯(lián)DC/DC變換器達(dá)到系統(tǒng)容量需求，避免多組儲能電池的并聯(lián)，降低了整個(gè)系統(tǒng)對儲能電池電壓特性的要求;當(dāng)個(gè)別儲能電池組或并聯(lián)變換器出現(xiàn)故障時(shí)，儲能系統(tǒng)仍可正常工作，提高了整個(gè)儲能系統(tǒng)穩(wěn)定性;減小了對單個(gè)電力電子器件功率等級的要求。但是這2種結(jié)構(gòu)不足之處是增加了器件個(gè)數(shù)，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。

1.2 僅含DC/AC環(huán)節(jié)的變流器

僅含DC/AC環(huán)節(jié)的PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，在這種結(jié)構(gòu)的PCS中，儲能電池經(jīng)過串并聯(lián)后，直接連接DC/AC的直流端。儲能電池系統(tǒng)充電時(shí)，雙向DC/AC變流器工作在整流器狀態(tài)，將系統(tǒng)側(cè)交流電轉(zhuǎn)換為直流電，將能量儲存在儲能電池中;儲能電池系統(tǒng)放電時(shí)，雙向DC/AC變流器工作在變流器狀態(tài)，將儲能電池釋放的能量由直流轉(zhuǎn)換為交流回饋外部系統(tǒng)。

圖3 僅含DC/AC環(huán)節(jié)的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3Topological structure of converter only containing DC/AC link

這種僅含DC/AC環(huán)節(jié)的PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是:適于電網(wǎng)中分布式獨(dú)立電源并網(wǎng)，結(jié)構(gòu)簡單，PCS環(huán)節(jié)能耗相對較低。該結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是:系統(tǒng)體積大，造價(jià)高;儲能系統(tǒng)的容量選擇缺乏靈活性;電網(wǎng)側(cè)發(fā)生短路故障有可能在PCS直流側(cè)產(chǎn)生短時(shí)大電流，對電池系統(tǒng)產(chǎn)生較大沖擊等。

僅包含DC/AC環(huán)節(jié)的PCS的另外一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，為僅含DC/AC環(huán)節(jié)的共交流側(cè)變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的擴(kuò)容方式是多組電池組分別經(jīng)過各自的DC/AC環(huán)節(jié)后再并聯(lián)，并聯(lián)后經(jīng)過濾波器濾波后并網(wǎng)。

圖4 僅含DC/AC環(huán)節(jié)的共交流側(cè)變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4Topological structure of converter containing DC/AC link and parallel at AC side

與圖3所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，圖4所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是:采用模塊化連接方式，配置更加靈活;當(dāng)個(gè)別儲能電池組或并聯(lián)變換器出現(xiàn)故障時(shí)，儲能系統(tǒng)仍可正常工作，提高了整個(gè)儲能系統(tǒng)穩(wěn)定性;減小了對單個(gè)電力電子器件功率等級的要求。但是這種結(jié)構(gòu)同樣存在電力電子器件增多，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜等不足。

1.3 含Z源與DC/AC環(huán)節(jié)的變流器

含Z源與DC/AC環(huán)節(jié)的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。在傳統(tǒng)變流電路中，逆變橋的任何1相、2相或3相橋臂的2個(gè)絕緣柵雙極性晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)同時(shí)導(dǎo)通的直通狀態(tài)是被嚴(yán)格禁止的，因?yàn)檫@會造成電壓源短路損壞設(shè)備。而Z源變流器由于加入了阻抗網(wǎng)絡(luò)，允許發(fā)生這種狀態(tài)。在直通狀態(tài)下，Z源網(wǎng)絡(luò)中的電感被充電;在非直通狀態(tài)下，電感中的能量被釋放。Z源變流器就是通過給橋臂加入直通狀態(tài)，使直通狀態(tài)和非直通狀態(tài)按預(yù)設(shè)的升壓調(diào)制方式交替出現(xiàn)來實(shí)現(xiàn)直流鏈電壓泵升的［8-9］。

圖5 含Z源與DC/AC環(huán)節(jié)的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.5Topological structure of converter containing Z-source and DC/AC link

將Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)和全橋變流器結(jié)合在一起的變流器拓?fù)渲饕獌?yōu)點(diǎn)有:允許逆變橋上下管直通狀態(tài)，提高了變流器的安全性和可靠性;在系統(tǒng)不附加升壓環(huán)節(jié)的情況下，可以通過插入直通時(shí)間，運(yùn)用直通零電壓來升高直流電壓以實(shí)現(xiàn)變流器的升壓功能;升降壓比高，使儲能電池容量選擇范圍寬泛;輸出電壓與交流電網(wǎng)電壓相同，甚至比電網(wǎng)電壓更高;消除由死區(qū)帶來的輸出電壓波形畸變。

1.4 級聯(lián)H橋變流器

級聯(lián)H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。級聯(lián)型H橋變流器每相由若干功率單元組成，電池組連接到功率單元兩端。每個(gè)功率單元中有2對開關(guān)狀態(tài)互補(bǔ)的開關(guān)，其每對互補(bǔ)開關(guān)的動作將導(dǎo)致該相的輸出電壓上升或下降1個(gè)單元直流母線電壓。通過合理選擇產(chǎn)生上升沿和下降沿的開關(guān)組合，即可完成不同開關(guān)間的輪換，免除了2個(gè)開關(guān)周期間的開關(guān)動作，達(dá)到降低開關(guān)頻率的目的。具體選擇方法為:根據(jù)開關(guān)當(dāng)前狀態(tài)將開關(guān)分為2組:一組為開關(guān)動作后將導(dǎo)致輸出電壓上升，另一組為開關(guān)動作后將導(dǎo)致輸出電壓下降。根據(jù)輸出波形的需要，從中選擇未動作時(shí)間最長的2組開關(guān)來完成電壓波形的輸出。

H橋級聯(lián)型多電平變流器的優(yōu)點(diǎn)是:采用多個(gè)功率單元串聯(lián)的方法來實(shí)現(xiàn)高壓輸出，需要實(shí)現(xiàn)高壓時(shí)，

圖6 級聯(lián)H橋變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.6Topological structure of cascaded H-bridge converter

只需簡單增加單元數(shù)即可，避免儲能電池串聯(lián);H橋級聯(lián)型多電平變流器的每個(gè)變流器單元的結(jié)構(gòu)相同，容易進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)和封裝;每個(gè)功率單元都是分離的直流電源，之間彼此獨(dú)立，對一個(gè)單元的控制不會影響其他單元;直流側(cè)的均壓比較容易實(shí)現(xiàn)，各變流器單元的工作負(fù)荷一致。

2 PCS中濾波器部分

并網(wǎng)變流器濾波的主要作用是:有效地抑制了輸出電流的過分波動;將開關(guān)動作所產(chǎn)生的高頻電流成分濾除;輸出濾波電感相當(dāng)于連接電網(wǎng)和逆變橋的杠桿，通過它可以控制并網(wǎng)電流的幅值和相位，從而實(shí)現(xiàn)控制并網(wǎng)變流器的功率輸出，可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)等于1，也可以根據(jù)需要向電網(wǎng)輸送無功功率，甚至實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)純電感、純電容運(yùn)行特性［10-12］。

目前常見的變流器輸出濾波器一般有3種形式: L濾波器、LC濾波器和LCL濾波器。根據(jù)變流器運(yùn)行不同狀態(tài)，所選取的濾波器形式也不相同。

2.1 L 濾波器

單電感L濾波器的結(jié)構(gòu)簡單，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。L濾波器并網(wǎng)電流控制容易，但其高頻濾波特性差，不適合開關(guān)頻率較低的應(yīng)用場合。典型的并網(wǎng)變流器通過串聯(lián)電感濾波器，來衰減輸出電流中的開關(guān)頻率諧波分量，但在低開關(guān)頻率的大功率并網(wǎng)變流器中，采用電感濾波需要較大的電感量，電感值的增加不但提高了成本而且不利于變流器的控制。

圖7 L濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.7Topological structure of L filter

2.2 LC濾波器

由于變流器以高頻脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)方式工作，所以輸出濾波器的作用是濾掉高次諧波分量，使輸出電壓接近正弦波。LC濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8所示，其控制策略簡單，與單電感L濾波器相比，電路中的電容能有效地衰減并網(wǎng)電流的高頻成分，而且適合于實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)與獨(dú)立2種運(yùn)行模式間的切換。

圖8 LC濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.8Topological structure of LC filter

LC濾波器的優(yōu)點(diǎn)是成本低，插入損耗小。不足之處是當(dāng)工作頻率較低時(shí)，所需要的電感和電容數(shù)值都很大，使得濾波器的體積和質(zhì)量大;不易集成化;工作頻率較高時(shí)，小電感不易制作;且分布參數(shù)影響難估計(jì)，調(diào)整困難。

2.3 LCL濾波器

圖9所示為LCL濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。LCL濾波器的高頻衰減特性好，但濾波元件參數(shù)設(shè)計(jì)及并網(wǎng)電流控制策略較為復(fù)雜。LCL濾波為三階系統(tǒng)，具有更好的高頻衰減特性，對高頻分量呈高阻態(tài)。要達(dá)到相同的濾波效果，LCL濾波器總電感量比L濾波器小得多。但作為三階系統(tǒng)，LCL濾波需要確定2個(gè)電感量，1個(gè)電容量，增加了設(shè)計(jì)難度;而且LCL濾波還有諧振問題，控制回路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。

圖9 LCL濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.9Topological structure of LCL filter

3 優(yōu)化的PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通過對PCS的變流器部分和濾波器部分的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析發(fā)現(xiàn):

(1)在變流器方面，雖然含級聯(lián)H橋變流器與含DC/DC和DC/AC環(huán)節(jié)的PCS裝置的電池組的配置更靈活，對電池的充放電管理更準(zhǔn)確、可靠;但隨著電池技術(shù)的發(fā)展，僅依靠電池串并聯(lián)達(dá)到穩(wěn)定的功率及容量需求成為可能，這樣就可省去DC/DC環(huán)節(jié)，不僅減少器件數(shù)量，也使得控制更為簡單，更重要的是提高了能量轉(zhuǎn)換效率。含Z源網(wǎng)絡(luò)的變流器，允許逆變橋上下管直通狀態(tài)，省去死區(qū)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，提高了變流器的安全性和可靠性，提高輸出波形質(zhì)量，并且具有高升降壓比。

(2)在濾波器方面，LCL濾波器在高頻段具有較快的衰減特性，可以很好地抑制高次諧波，從而能有效地降低電感的值。在大功率場合可以相對減小系統(tǒng)的體積和成本，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，并且受電網(wǎng)的影響較小。

因此，提出含Z源網(wǎng)絡(luò)和LCL濾波器的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和僅含DC/AC環(huán)節(jié)和LCL濾波器的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的2種電池儲能系統(tǒng)PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖10、11所示。

在含Z源網(wǎng)絡(luò)和LCL濾波器的變流器中，儲能電池系統(tǒng)通過Z源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行直流電壓前調(diào)解，提供穩(wěn)定的直流鏈電壓。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變流器的優(yōu)點(diǎn)是允許逆變橋上下管直通狀態(tài)，具有更高的安全性;同時(shí)升降壓比高，對電池系統(tǒng)的電壓要求比較寬泛。不足之處是，Z源網(wǎng)絡(luò)需要加入大電感，增大了系統(tǒng)的體積。

在僅含DC/AC環(huán)節(jié)和LCL濾波器的變流器中，儲能系統(tǒng)直接與雙向DC/AC變流器連接。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是省去部分功率轉(zhuǎn)換器件，提高了系統(tǒng)整體效率;不足的是對電池的電壓特性要求很高。

4 結(jié)語

隨著電池技術(shù)的發(fā)展，僅含DC/AC環(huán)節(jié)的變流器和含Z源網(wǎng)絡(luò)與DC/AC環(huán)節(jié)的變流器，將由于器件數(shù)量少，控制簡單，能量轉(zhuǎn)換效率高，輸出波形質(zhì)量好等原因得到更廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，LCL型變流器由于可以很好抑制高次諧波，有效地降低電感值，減小系統(tǒng)的體積和成本，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，將成為PCS濾波器的主流。

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(編輯:魏希輝)