大規模電池儲能系統PCS拓撲結構分析

謝志佳，馬會萌，靳文濤

(中國電力科學研究院，北京市 100192)

0 引言

隨著全球經濟的迅速發展，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、風能、生物質能、潮汐能等清潔能源迅猛發展。然而現已開發的新能源發電站，普遍存在著輸出電能變化大、不穩定和不可預測的問題［1］。例如2011年我國光伏裝機為3 GW，而國家能源局統計數據指出，光伏并網裝機容量僅為2.14 GW。這意味著，全國光伏裝機中約有29%光伏系統尚未并網。電池儲能系統不僅能夠提高間歇性能源并網發電能力，而且在電力系統的發電、輸電、配電和用電環節中都發揮著積極的作用，可以完成電網的削峰填谷、過負荷沖擊調節、頻率調節及提高電能質量，達到電網安全性的目的［2-5］。

電池儲能系統的一個重要組成部分就是能量轉換系統(power conversion system，PCS)。通過PCS可以實現電池儲能系統直流電池與交流電網之間的雙向能量傳遞，通過控制策略實現對電池系統的充放電管理、網側負荷功率的跟蹤、電池儲能系統充放電功率的控制、正常及孤島運行方式下網側電壓的控制等。PCS裝置已在太陽能、風能等分布式發電技術中有較多的應用，并逐漸應用于飛輪儲能、超級電容器、電池儲能等小容量雙向功率傳遞的儲能系統中［6］。近年來，隨著電池技術與電力電子技術的不斷進步，PCS拓撲結構能夠不斷改進。新型PCS拓撲結構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構方向發展。因此有必要對各種PCS拓撲結構進行對比分析。

1 PCS中變流器部分

變流器(converter)是使電源系統的電壓、頻率、相數和其他電量或特性發生變化的電器設備［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變流器用來調整直流鏈電壓;雙向DC/AC起到整流和逆變功能，實現電池儲能系統與電網能量交互。

1.1 含DC/DC與DC/AC環節的變流器

電池儲能系統中最常見的PCS拓撲結構為含DC/DC與DC/AC環節的變流器拓撲結構，如圖1所示。雙向DC/DC環節主要是進行升、降壓變換，提供穩定的直流電壓。儲能電池充電時，雙向DC/AC變流器工作在整流狀態，將電網側交流電壓整流為直流電壓，該電壓經雙向DC/DC變換器降壓得到儲能電池充電電壓;儲能電池放電時，雙向DC/AC變流器工作在逆變狀態，雙向DC/DC變換器升壓向DC/AC變流器提供直流側輸入側電壓，經變流器輸出合適的交流電壓。

圖1 含DC/DC與DC/AC環節的變流器拓撲結構Fig.1Topological structure of converter containing DC/DC link and DC/AC link

這種含DC/DC和DC/AC環節的PCS拓撲結構的主要優點是適應性強，可實現對多串并聯的電池模塊的充放電管理;由于DC/DC環節可實現直流電壓的升降，使得儲能電池的容量配置更加靈活;適于配合風電、光伏等間歇性、波動性比較強的分布式電源的接入，抑制其直接并網可能帶來電壓波動。主要缺點是由于存在DC/DC環節，使得整個PCS系統的能量轉換效率有所降低;大容量PCS的DC/DC與DC/ AC環節的開關頻率、容量及協調配合關系復雜。

除圖1所示拓撲結構外，包含DC/DC和DC/AC環節的PCS拓撲結構還有2種，如圖2所示。圖2 (a)是包含DC/DC環節的共直流側變流器的拓撲結構，這種結構的擴容方式是，多組儲能電池組分別經過各自的DC/DC環節后并聯，再共用1個DC/AC環節，然后經濾波器濾波后并網。圖2(b)是包含DC/ DC環節的共交流側變流器的拓撲結構，這種結構的擴容方式是多組電池組分別經過各自的DC/DC和DC/AC環節后再并聯，并聯后經過濾波器濾波后并網。

圖2 含DC/DC與DC/AC環節的變流器并聯拓撲結構Fig.2Parallel topological structure of converter containing DC/DC link and DC/AC link

與圖1所示拓撲結構相比，圖2所示拓撲結構的優點是:采用模塊化連接方式，配置更加靈活;通過并聯DC/DC變換器達到系統容量需求，避免多組儲能電池的并聯，降低了整個系統對儲能電池電壓特性的要求;當個別儲能電池組或并聯變換器出現故障時，儲能系統仍可正常工作，提高了整個儲能系統穩定性;減小了對單個電力電子器件功率等級的要求。但是這2種結構不足之處是增加了器件個數，使控制系統設計更加復雜。

1.2 僅含DC/AC環節的變流器

僅含DC/AC環節的PCS拓撲結構如圖3所示，在這種結構的PCS中，儲能電池經過串并聯后，直接連接DC/AC的直流端。儲能電池系統充電時，雙向DC/AC變流器工作在整流器狀態，將系統側交流電轉換為直流電，將能量儲存在儲能電池中;儲能電池系統放電時，雙向DC/AC變流器工作在變流器狀態，將儲能電池釋放的能量由直流轉換為交流回饋外部系統。

圖3 僅含DC/AC環節的變流器拓撲結構Fig.3Topological structure of converter only containing DC/AC link

這種僅含DC/AC環節的PCS拓撲結構的優點是:適于電網中分布式獨立電源并網，結構簡單，PCS環節能耗相對較低。該結構的主要缺點是:系統體積大，造價高;儲能系統的容量選擇缺乏靈活性;電網側發生短路故障有可能在PCS直流側產生短時大電流，對電池系統產生較大沖擊等。

僅包含DC/AC環節的PCS的另外一種拓撲結構如圖4所示，為僅含DC/AC環節的共交流側變流器拓撲結構。這種拓撲結構的擴容方式是多組電池組分別經過各自的DC/AC環節后再并聯，并聯后經過濾波器濾波后并網。

圖4 僅含DC/AC環節的共交流側變流器拓撲結構Fig.4Topological structure of converter containing DC/AC link and parallel at AC side

與圖3所示的拓撲結構相比，圖4所示的拓撲結構的優點是:采用模塊化連接方式，配置更加靈活;當個別儲能電池組或并聯變換器出現故障時，儲能系統仍可正常工作，提高了整個儲能系統穩定性;減小了對單個電力電子器件功率等級的要求。但是這種結構同樣存在電力電子器件增多，控制系統設計復雜等不足。

1.3 含Z源與DC/AC環節的變流器

含Z源與DC/AC環節的變流器拓撲結構如圖5所示。在傳統變流電路中，逆變橋的任何1相、2相或3相橋臂的2個絕緣柵雙極性晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)同時導通的直通狀態是被嚴格禁止的，因為這會造成電壓源短路損壞設備。而Z源變流器由于加入了阻抗網絡，允許發生這種狀態。在直通狀態下，Z源網絡中的電感被充電;在非直通狀態下，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，使直通狀態和非直通狀態按預設的升壓調制方式交替出現來實現直流鏈電壓泵升的［8-9］。

圖5 含Z源與DC/AC環節的變流器拓撲結構Fig.5Topological structure of converter containing Z-source and DC/AC link

將Z源阻抗網絡和全橋變流器結合在一起的變流器拓撲主要優點有:允許逆變橋上下管直通狀態，提高了變流器的安全性和可靠性;在系統不附加升壓環節的情況下，可以通過插入直通時間，運用直通零電壓來升高直流電壓以實現變流器的升壓功能;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電壓相同，甚至比電網電壓更高;消除由死區帶來的輸出電壓波形畸變。

1.4 級聯H橋變流器

級聯H橋拓撲結構如圖6所示。級聯型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。每個功率單元中有2對開關狀態互補的開關，其每對互補開關的動作將導致該相的輸出電壓上升或下降1個單元直流母線電壓。通過合理選擇產生上升沿和下降沿的開關組合，即可完成不同開關間的輪換，免除了2個開關周期間的開關動作，達到降低開關頻率的目的。具體選擇方法為:根據開關當前狀態將開關分為2組:一組為開關動作后將導致輸出電壓上升，另一組為開關動作后將導致輸出電壓下降。根據輸出波形的需要，從中選擇未動作時間最長的2組開關來完成電壓波形的輸出。

H橋級聯型多電平變流器的優點是:采用多個功率單元串聯的方法來實現高壓輸出，需要實現高壓時，

圖6 級聯H橋變流器拓撲結構Fig.6Topological structure of cascaded H-bridge converter

只需簡單增加單元數即可，避免儲能電池串聯;H橋級聯型多電平變流器的每個變流器單元的結構相同，容易進行模塊化設計和封裝;每個功率單元都是分離的直流電源，之間彼此獨立，對一個單元的控制不會影響其他單元;直流側的均壓比較容易實現，各變流器單元的工作負荷一致。

2 PCS中濾波器部分

并網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;將開關動作所產生的高頻電流成分濾除;輸出濾波電感相當于連接電網和逆變橋的杠桿，通過它可以控制并網電流的幅值和相位，從而實現控制并網變流器的功率輸出，可以實現功率因數等于1，也可以根據需要向電網輸送無功功率，甚至實現網側純電感、純電容運行特性［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。根據變流器運行不同狀態，所選取的濾波器形式也不相同。

2.1 L 濾波器

單電感L濾波器的結構簡單，其拓撲結構如圖7所示。L濾波器并網電流控制容易，但其高頻濾波特性差，不適合開關頻率較低的應用場合。典型的并網變流器通過串聯電感濾波器，來衰減輸出電流中的開關頻率諧波分量，但在低開關頻率的大功率并網變流器中，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濾波器拓撲結構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濾波器拓撲結構如圖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電流的高頻成分，而且適合于實現并網與獨立2種運行模式間的切換。

圖8 LC濾波器拓撲結構Fig.8Topological structure of LC filter

LC濾波器的優點是成本低，插入損耗小。不足之處是當工作頻率較低時，所需要的電感和電容數值都很大，使得濾波器的體積和質量大;不易集成化;工作頻率較高時，小電感不易制作;且分布參數影響難估計，調整困難。

2.3 LCL濾波器

圖9所示為LCL濾波器拓撲結構。LCL濾波器的高頻衰減特性好，但濾波元件參數設計及并網電流控制策略較為復雜。LCL濾波為三階系統，具有更好的高頻衰減特性，對高頻分量呈高阻態。要達到相同的濾波效果，LCL濾波器總電感量比L濾波器小得多。但作為三階系統，LCL濾波需要確定2個電感量，1個電容量，增加了設計難度;而且LCL濾波還有諧振問題，控制回路設計比較復雜。

圖9 LCL濾波器拓撲結構Fig.9Topological structure of LCL filter

3 優化的PCS拓撲結構

通過對PCS的變流器部分和濾波器部分的拓撲結構的分析發現:

(1)在變流器方面，雖然含級聯H橋變流器與含DC/DC和DC/AC環節的PCS裝置的電池組的配置更靈活，對電池的充放電管理更準確、可靠;但隨著電池技術的發展，僅依靠電池串并聯達到穩定的功率及容量需求成為可能，這樣就可省去DC/DC環節，不僅減少器件數量，也使得控制更為簡單，更重要的是提高了能量轉換效率。含Z源網絡的變流器，允許逆變橋上下管直通狀態，省去死區補償環節，提高了變流器的安全性和可靠性，提高輸出波形質量，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的體積和成本，提高系統的動態性能，并且受電網的影響較小。

因此，提出含Z源網絡和LCL濾波器的變流器拓撲結構和僅含DC/AC環節和LCL濾波器的變流器拓撲結構的2種電池儲能系統PCS拓撲結構，如圖10、11所示。

在含Z源網絡和LCL濾波器的變流器中，儲能電池系統通過Z源網絡進行直流電壓前調解，提供穩定的直流鏈電壓。這種拓撲結構的變流器的優點是允許逆變橋上下管直通狀態，具有更高的安全性;同時升降壓比高，對電池系統的電壓要求比較寬泛。不足之處是，Z源網絡需要加入大電感，增大了系統的體積。

在僅含DC/AC環節和LCL濾波器的變流器中，儲能系統直接與雙向DC/AC變流器連接。這種結構的優點是省去部分功率轉換器件，提高了系統整體效率;不足的是對電池的電壓特性要求很高。

4 結語

隨著電池技術的發展，僅含DC/AC環節的變流器和含Z源網絡與DC/AC環節的變流器，將由于器件數量少，控制簡單，能量轉換效率高，輸出波形質量好等原因得到更廣泛的應用。同時，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，減小系統的體積和成本，提高系統的動態性能，將成為PCS濾波器的主流。

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(編輯:魏希輝)