10kV鏈式儲能系統二次供電方式分析及選擇

李勇琦，湯曼麗，凌志斌

（1.中國南方電網調峰調頻發電公司，廣東 廣州 510630；2.廣東省電力設計研究院，廣東 廣州 510663；3.上海交通大學電氣工程系，上海 200240）

10kV鏈式儲能系統二次供電方式分析及選擇

李勇琦1，湯曼麗2，凌志斌3

（1.中國南方電網調峰調頻發電公司，廣東 廣州 510630；2.廣東省電力設計研究院，廣東 廣州 510663；3.上海交通大學電氣工程系，上海 200240）

主要針對10kV鏈式儲能PCS的二次功耗和供電方式進行分析研究。首先分析了10kV鏈式儲能PCS的二次系統功耗，分析了中高壓電力電子裝置常用的5種供電方式，最后基于10kV鏈式儲能PCS系統隔離耐壓特性提出了兩種二次電源互備的供電方式。最終選擇工頻隔離變壓器與直流DC/DC互備供電方式作為10kV鏈式儲能PCS系統的二次供電方案，對儲能系統二次供電可靠性研究具有一定意義。

鏈式儲能PCS；二次供電；互備供電

1 引言

在南方電網承擔的國家863項目“大容量儲能系統設計及其監控管理與保護技術”中，儲能系統采用10kV中壓鏈式拓撲結構，儲能系統主要由蓄電池、蓄電池管理系統（BMS）、能量轉換系統（PCS）、儲能站監控系統等組成。儲能系統中鏈式PCS采取星形連接，每相20鏈節，共60個鏈節，每個鏈節PCS功率模塊直流側與一個電池組連接。在儲能系統電氣主回路中的PCS功率模塊、蓄電池、BMS系統均存在對地工頻高電壓。因此，每個功率模塊控制系統及其散熱風扇、BMS系統供電電源需要按照對地10kV的絕緣要求加以特殊考慮。

目前，用于中高壓電力電子裝置的隔離電源傳送能量的方式按照能量轉換類型分為：電磁傳輸、光電傳輸和壓電傳輸3種。電磁傳輸方式以磁場作為能量傳輸和高電壓隔離的介質，可獲得較大的傳輸功率，同時可獲得數萬伏的隔離耐壓。光電傳輸方式在傳輸端將電能轉化為光能，在接收端將光能重新轉換為電能，利用光作為能量傳輸和隔離的介質。由于光電轉換效率較低，該方式整體能量效率較低，但是其隔離耐壓幾乎不受限制。壓電傳輸利用陶瓷晶體的壓電效應在傳輸端將電能轉化為機械能，在接收端將機械能轉換為電能。其隔離電壓僅達到數千伏。

2 二次控制功率分析

PCS功率模塊的電子控制電路與主電路電氣上連接，對地存在高的工頻電位，且每個功率模塊的控制電路之間電位不同。因此，每個功率模塊的控制電源之間需相互隔離，隔離電壓按照10kV設計。

對于PCS而言，二次控制的電源主要用于兩個方面：①電子電路的控制；②散熱控制。一般而言，電子電路所需功率較小；而通過合理的散熱設計，散熱風扇所需的功率僅為發熱功率的5%～10%，以10%考慮較為穩妥。

圖1 功率模塊結構圖

PCS功率模塊結構如圖1所示。

每個PCS模塊需要實現通訊、對IGBT的驅動保護以及接觸器的控制功能。其中通訊和對IGBT的驅動保護功能所需的功率約15W，接觸器保持所需平均功率約1.5W，總計功率16.5W。為保證電源工作可靠性，考慮電源的實際負荷不超過其額定功率的60%，控制電源按照30W設計為宜。

每個PCS功率模塊直流側與一個電池組連接，電池組BMS系統的正常工作需要電源的供給。經計算，BMS系統總功率約10950W。如PCS功率模塊的控制電源與對應的電池組BMS采取統一供電，則二次系統功耗統計見表1。

表1 二次系統功耗統計

從表1對比分析可見，BMS和PCS總的二次供電對效率的影響為0.73%，相比于PCS主電路2%～3%的效率，其所占比例相當高。二次供電的能量轉換效率對提高儲能系統的整體效率具有不可忽視的意義。

3 供電方式種類與比較

鏈式中高壓電力電子裝置中，各個模塊的控制電源多通過如下5種方式取得。

3.1 交流電流總線隔離供電

交流電流總線隔離供電通過DC/AC環節將工頻電壓整流后的直流逆變為高頻的交流電流，交流電流線以穿心方式依次穿過各個功率模塊內電流型互感器，互感器副邊的感應電流經過整流和穩壓后形成穩定的電源供電子電路工作。由于高頻線路長，且因所需隔離電壓高、絕緣距離大導致耦合效率降低，目前類似的應用中，每個子電源的功率約為15W左右。

圖2 交流電流總線隔離供電原理示意圖

3.2 交流電壓總線隔離供電

交流電壓總線隔離供電通過DC/AC環節將工頻電壓整流后的直流逆變為高頻電壓信號，交流電壓通過高隔離度的高頻變壓器后整流得到直流電壓，在經穩壓后得到穩定的電源供電子電路工作。

與第一種供電方式類似，由于高頻線路長，且因所需隔離電壓高、絕緣距離大導致耦合效率降低，目前類似的應用中，每個子電源的功率約為15W左右。

圖3 交流電壓總線隔離供電原理示意圖

3.3 H橋直流側DC/DC取電供電

在級聯H橋工作的過程中，其直流側電容上存在約700V DC的電壓，通過DC/DC變換電路，將700V左右的高壓降為15V或者24V的穩定電壓，供給控制電路使用。控制電路與直流側電容處于同一功率模塊內，兩者的對地工頻電位相同，因此不需單獨考慮對地10kV的耐壓，只需實現輸入輸出之間1000V左右的隔離耐壓即可。該方案有成熟的產品可供選用。由于降壓比大，DC/DC轉換效率較低，其功率一般在50W以內。

圖4中，DC/DC隔離電源從直流側取電。雖然其功率較小，但長期的、微小的工作電流必將對電池的SOC造成一定的影響。另外，由于鏈式結構的每個功率模塊的電路功耗的微小差異，長期累積的效果也會造成各個鏈節之間電池的SOC偏差。

圖4 DC/DC隔離供電示意圖

3.4 模塊交流側供電

在級聯H橋正常工作過程中，其交流側存在近300V AC的電壓，通過AC/DC變換電路，將其變換為15V或者24V的穩定直流電壓，供給控制電路使用。控制電路與交流側取電點處于同一功率模塊內，兩者的對地工頻電位相同，因此不需單獨考慮對地10kV的耐壓，只需實現輸入輸出之間1000V左右的隔離耐壓即可。該方案的不足之處在于，當本功率模塊處于故障旁路或者主電路故障時，供電無法得到可靠保證。

圖5 AC/DC隔離供電示意圖

3.5 工頻隔離變壓器供電

隔離變壓器方案結構簡單，無需控制，是上述所有供電方案中可靠性最高的一種。其容量范圍寬，數十瓦至數百瓦均可實現，其不足之處為頻率較低、且需要按照10kV絕緣設計，體積較大，效率較常規變壓器低些。

圖6 模塊間互備供電示意圖

4 互備供電方式

控制系統供電可靠性是系統可靠性的基礎。為增強供電可靠性，可以采用雙電源互備供電的方式。設計兩種互備供電方案如下。

4.1 臨近功率模塊相互備用供電

如圖6所示，電源1和電源2完全相同，其取得方式為上述5種中的任意一種。

當某一個鏈節因為故障損壞（如直流側短路）而不能保證電源供給時，通過臨近的模塊的供電可以保證故障模塊IGBT的可靠保護動作與故障信息上報。

由于兩個功率模塊電氣上相鄰，兩者之間的電位差不高，僅為10kV/20，對圖中電源1、電源2的輸入輸出之間的隔離度要求不高。

4.2 同一功率模塊內兩種供電電源互備

如圖7所示，電源1和電源2是兩種采取不同取電方式的電源，其取得方式為上述5種中的任意兩種。正常工作時，兩種電源互為備用。當某一個電源損壞，自然無縫切換到另一電源供電。可以保證故障模塊IGBT的可靠保護動作與故障信息上報。由于兩個電源處于同一功率模塊內，兩者之間處于等電位，兩種電源無特殊的隔離耐壓要求。

圖7 兩種電源互備供電示意圖

5 結論

通過上述的分析可以看出，二次供電方式種類較多，各有特點。工程中需要根據實際的需求特點進行選擇。結合本863項目儲能課題示范工程儲能系統的實際情況，擬采取工頻隔離變壓器供電和直流側DC/DC隔離供電相互備用的應用方式。通過合理的設計，在正常工作時的二次電源由工頻變壓器提供，當工頻電源異常情況時，直流側DC/DC隔離電源自動無縫投入，使得正常情況下控制電源不從直流側取得，對儲能系統電池組SOC的影響最小。采用這種供電方式，不僅保證了儲能系統二次供電可靠性，同時完全滿足儲能系統黑啟動的需要。

TM910

A

1672-5387（2015）S-0082-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2015.S.024

2015-10-22

國家高新技術研究發展計劃（863計劃）課題“大容量儲能系統設計及其監控管理與保護技術”（2011AA05A111）。

李勇琦（1979-），男，高級工程師，從事抽水蓄能電廠電氣設備檢修及電池儲能技術研究工作。