一種MW級大功率電池儲能變流器關鍵技術及其工程應用

吳俊勇, 梅東升，張巨瑞，郝亮亮，熊飛，艾洪克，苗青

(1. 北京交通大學電氣工程學院，北京市100044；2. 北京能源投資(集團)有限公司，北京市100022；3.北京京能清潔能源電力股份有限公司，北京市100028)

一種MW級大功率電池儲能變流器關鍵技術及其工程應用

吳俊勇1, 梅東升2，張巨瑞3，郝亮亮1，熊飛1，艾洪克1，苗青1

(1. 北京交通大學電氣工程學院，北京市100044；2. 北京能源投資(集團)有限公司，北京市100022；
3.北京京能清潔能源電力股份有限公司，北京市100028)

大功率大容量電池儲能是建設智能電網和未來儲能電站的關鍵技術，在可再生能源并網、電力系統調頻調峰和需求側響應等方面有著廣泛應用。提出一種MW級大功率大容量儲能變流器的拓撲結構及其控制策略，在北京市科學技術委員會和京能集團的大力支持下，從基礎理論、仿真分析、實驗室低壓物理模型驗證和MW級示范工程等全流程，驗證本文所提出的技術路線的可行性和正確性。實踐證明，所提出的大功率儲能變流器的技術路線為未來建設MW級乃至數十MW級儲能電站奠定了技術基礎，達到了工程實用化應用水平。

儲能電站；電池儲能；儲能變流器；隔離型DC/DC；H橋級聯

0 引 言

在化石能源枯竭和環境保護的雙重壓力下，我國能源產業結構亟待轉型，可再生能源發電所占比例不斷提高[1]。由于光伏發電和風力發電所固有的間歇性和波動性，使儲能成為有效利用可再生清潔能源必不可少的關鍵技術之一。從技術上講，儲能可分為抽水蓄能、電池儲能、儲熱、蓄冷、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等多種類型。抽水蓄能(電站)受地理環境條件的限制，建設成本較大，在我國應用不多，成為電力系統調度中調頻調峰的稀缺資源。儲熱、蓄冷、壓縮空氣儲能和飛輪儲能等，或者技術上不夠成熟，或者成本太高，相比較而言，電池儲能是最傳統、最成熟，也是市場上應用最多的儲能技術。近年來，隨著各種新材料的出現和應用，各種新型電池技術和產品不斷涌現，如磷酸鐵鋰電池、全釩液流電池、超級電容器等，在電動汽車、光伏發電、需求側響應等領域，扮演著越來越重要的角色[2]。

據中關村儲能產業技術聯盟(China Energy Storage Alliance，簡稱CNESA)統計，截止2014年底，全國應用于電力系統的儲能(不含抽蓄、壓縮空氣和儲熱)累計84.4 MW，2015年新增31 MW，年增長58%，較上一年度提升14%，增幅明顯。從技術上講，鋰離子電池、鉛酸電池和液流電池分別占74%、14%和10%，幾乎占據整個儲能市場。從應用上講，用戶側領域占50%，集中于海島、偏遠地區、工業園區和低碳城鎮等，可再生能源發電并網(主要是風電場)和電動汽車(光儲式電動汽車充換電站、V2G、需求響應等)各占27%和13%。2015年3月，國務院陸續頒布了《關于進一步深化電力體制改革的若干意見》和《關于推進售電側改革的實施意見》等6個配套文件，強有力地啟動了第2輪中國電力體制改革，在“監管中間，放開兩頭”的總框架下，積極有序地推進售電側開放，并在北京和廣州成立了2個區域性的電力交易中心。

2016年3月，發改委能源局頒布了《關于推進“互聯網+”智慧能源發展的指導意見》，積極推進能源互聯網建設，文中22處提到了儲能，提出“推動集中式與分布式儲能協同發展，開發儲電、儲熱、儲冷、清潔燃料存儲等多類型、大容量、低成本、高效率、長壽命儲能產品及系統”，使儲能成為智能電網和能源互聯網必不可少的關鍵技術之一，確立儲能在我國能源產業結構轉型中的戰略地位。同月，國家能源局發布了《推動電儲能參與“三北”地區調峰輔助服務的通知(草案)》征求意見稿，提出發電側10 MW/4 h以上的集中式大功率大容量儲能設施，和用戶側的分布式儲能設備均可參與電力系統調峰輔助服務，并獲得相應回報。據測算，此舉可使儲能設施的投資回收率縮短40%，開啟了大功率大容量儲能的商業化發展之路。

綜上所述，國內的儲能市場正在啟動和不斷成長，在相關政策的激勵下，可以預見在未來2到3年，儲能市場將面臨一個爆發性增長，特別在光伏+儲能、電力系統調頻調峰、需求側管理與微電網、電動汽車相關應用上值得期待。據CNESA預測，2020年中國儲能市場容量將達67 GW(含35 GW抽蓄)，迎來“儲能元年”。

1 大功率電池儲能技術的問題分析

電池儲能系統按照功率和應用場景來分，可分為分布式儲能和集中式儲能兩大類。目前由于大功率電力電子開關器件如IGBT(insulated gate bipolar transistor)、碳化硅器件等的最大耐壓和最大電流參數的限制，單臺儲能變流器(power conversion system, PCS)的功率一般不大于0.5 MW。這個功率級別的變流器應用于用戶側分布式儲能的場合一般是夠用的，但若需要建設類似電力系統儲能電站的大功率大容量儲能系統，目前在工程實際中一般是多臺變流器在低壓交流側并聯運行，再通過多臺升壓變壓器接入10, 35或110 kV的高壓電力系統中。多臺變流器并聯運行時，由于每臺變流器都是獨立控制的，甚至是不同廠家不同電池的產品，輸出電壓的不同會帶來“環流”和附加損耗。為將這種負面效應降到最低，并聯運行的變流器不宜太多，一般不超過4～6臺，這就需要更多的低壓匯流母線和更多的升壓變壓器。變壓器正常運行時會有較大的無功功率損耗，一般接近通過其有功功率的12%，整個儲能電站的眾多變壓器將帶來較大的無功損耗，必須配置無功補償等附加設備。

以我國兩大電網公司為例，國家電網公司在張北建設了全國最大的風光儲輸示范工程，其中的儲能系統是20 MW/95 MW·h，包括了能量型鋰電池、功率型鋰電池、液流電池和鈉硫電池4種不同類型電池和多個廠家的儲能產品，整個儲能系統共使用70臺PCS和13臺升壓變壓器。南方電網公司在深圳寶清建設了4 MW/16 MW·h的儲能示范工程，整個儲能系統包含8個功能模塊，每個模塊500 kW/2 M·h，由16個DC/AC變器換、96個DC/DC變器換和96個電池陣列組成，有直流匯流和交流匯流的兩級匯流。

從以上2個最具代表性的大功率大容量電池儲能系統(電站)的工程實例可見，目前我國大功率電池儲能項目都是沿用了分布式儲能的技術路線，有眾多小功率的PCS在交流側匯流，逐級升壓接入電力系統。這種系統結構不但占地面積大，電纜線路和通信線路長，輔助設備多，而且控制系統復雜、協調困難，環流帶來的有功損耗和變壓器帶來的無功損耗都較大，降低了整個系統的運行效率，不能適應未來建設更大功率更大容量儲能電站的需求，亟需技術上的突破和創新。

2 組合級聯式大功率儲能變流器

本文提出一種適用于未來儲能電站的組合級聯式大功率儲能變流器的拓撲結構，如圖1所示。整個系統由拓撲結構完全相同的ABC三相組成，中性點接成星型，每相都由鏈式DC/AC變換器、直流電容器、高頻隔離型DC/DC變換器和電池陣列構成，交流側可直接接入高壓電力系統。DC/DC變換器可選擇半橋和全橋2種類型，工作頻率為10 KHz，中間含高頻隔離變壓器，實現高壓側和低壓側的電氣隔離，確保電池陣列和人員安全。這有助于提高系統的功率密度，減小裝置體積。一般來說，根據裝置額定功率的大小，可選擇雙半橋/雙全橋隔離型DC/DC變換器。這類變換器基于移相控制原理，通過調節高頻變壓器原副邊方波電壓之間的相位差來控制有功功率傳輸的大小和方向。控制策略簡單方便，易于實現[3-4]。

圖1 組合級聯式大功率儲能變流器Fig.1 Cascade large-scale ESS converter

這種系統結構的優勢是：(1)真正實現集中式大功率儲能，采用10～12個H橋級聯接入10 kV電網，功率可達1～10 MW；采用38～42個H橋級聯接入35 kV電網，功率可達30～50 MW，徹底突破了現有開關器件的限制，成為未來儲能電站的首選技術；(2)不需變壓器，可直接接入10 kV和35 kV高壓電網，沒有附加的無功損耗；(3)相當于多臺變流器并列運行，裝置內部采用集中控制，整個系統功率調節范圍大，響應速度快，可達ms級，遠優于現有的系統調峰調頻資源；(4)整個系統可實現四象限運行，既可調節有功功率，也可調節無功功率，既可作為儲能系統運行，也可作為SVG(static var generator)無功補償裝置使用，即“一機兩用”；(5)多級級聯，可帶電維護，系統運行的可靠性高；(6)實現了高/低壓電氣隔離，系統的安全性好；(7)半橋/全橋的DC/DC變換器設計靈活，電壓匹配能力強，當電池陣列直流電壓在較大范圍內波動時,可維持DC/AC直流電壓恒定，保證系統正常運行；(8)可適用于多種不同類型電池，包括鋰離子電池、鉛酸電池、液流電池，甚至淘汰下來的電動汽車動力電池，可實現動力電池的梯次化利用，變廢為寶；(9)可在DC/DC變換器的低壓側采用多端口技術，混合接入能量型電池(如磷酸鐵鋰電池、鉛酸電池或全釩液流電池)和功率型電池(如超級電容器)，構成混合儲能系統，并采用自適應優化控制策略，讓功率型電池承擔高頻功率波動，讓能量型電池承擔低頻功率波動，既可以有效延長鋰電池壽命，又可以提高整個系統的響應速度[5-7]。

3 仿真驗證

為了驗證本文提出的拓撲結構的有效性和正確性，在matlab/simulink中搭建了一個基于該拓撲結構的儲能變流器仿真模型。仿真模型中的DC/DC變換器采用的是雙全橋隔離型DC/DC變換器，其具體參數如表1所示。

表1 仿真模型的主要參數
Table 1 Main parameters of simulation model

在該拓撲中，DC/DC變換器負責各個H橋直流側電壓，即DC/DC變換器高壓側直流電壓Udca1,Udcan的恒定，DC/DC變換器可采用恒壓閉環控制策略。交流側級聯H橋變換器負責有功和無功功率的傳輸以及控制，因此可以采用常見的PQ解耦的控制策略[3,8]。除此以外，由于該拓撲各個端口低壓側相互獨立，這就允許每個端口所接電池的類型和容量可以不同，因此需要對各個電池端口的電池組的荷電狀態(state of charge, SOC)進行均衡控制，以確保整個裝置的正常運行[5-10]。

圖2給出了本文提出的組合級聯式大功率儲能變流器在當功率指令從反向額定值階躍至正向額定值時相關工作波形。從圖可見，交流側三相電壓保持不變，而三相并網電流在2個周波內就達到了新的穩定工作狀態，響應速度較快。H橋直流側電壓在功率指令階躍變化瞬間會出現一定程度的跌落，但是隨即在DC/DC變換器電壓閉環的控制作用下重新回到600 V的額定值附近。

4 實驗室驗證

為了進一步驗證本文提出的拓撲結構的正確性和可行性，搭建了一臺小功率低壓原型機進行實驗，如圖3所示。原型機中的DC/DC變換器采用的是雙半橋隔離型DC/DC變換器，交流側H橋采用日本三菱公司的智能功率模塊PM75B4LA060，DC/DC變換器采用艾賽斯公司的Mosfet IXFX160N30T，其具體參數如表2所示。

圖2 組合級聯式大功率儲能變流器相關工作波形Fig.2 Work waveform of cascade large-scale ESS converter

圖3 實驗原型機實物圖Fig.3 Picture of the test bed

圖4給出了實驗原型機交流側穩態運行的相關工作波形。圖4(a)為單位功率因數，6 kW額定功率運行下變換器A相輸出電壓Uca以及三相并網電流的波形。圖4(b)、4(c)分別為只吸收無功功率，正、負3 kvar時變換器A相輸出電壓Uca以及三相并網電流的波形。從圖可見，變換器既可調節有功功率，也可調節無功功率，既可作為儲能系統運行，也可作為無功補償裝置使用，實現了“一機兩用”功能。

圖4 實驗原型機相關工作波形Fig.4 Work waveform of the test bed

5 示范工程

為了實現該項大功率電池儲能技術的工程化應用，從2013年起由北京能源投資集團公司(簡稱京能)、北京交通大學、北京科銳博潤電力電子公司等組成攻關團隊，研發1 MW/1 MW·h的大功率儲能系統，用于京能集團延慶八達嶺30 MW光伏電站的功率調節和并網控制。該項目得到了北京市科學技術委員會(簡稱北京市科委)的大力支持，列為北京市科技計劃項目“光伏并網用統一功率控制裝備及直流微網技術研究與示范應用”，并得到了京能集團企業配套資金的支持。

該儲能工程項目總體方案如圖5所示。30 MW光伏陣列通過0.27 kV/35 kV升壓變壓器匯入35 kV母線。儲能裝置通過5 kV/35 kV升壓變壓器匯入35 kV母線。儲能裝置與光伏場在35 kV母線上并聯后再通過主變壓器匯入110 kV母線。光伏場出力具有間歇性和隨機性，通過調整儲能裝置的出力可以平抑光伏場對110 kV母線輸出功率的波動。該儲能裝置的控制策略可以分為3級：系統級、DC/AC級和DC/DC級。

圖5 京能30 MW光伏電站和儲能系統示意圖Fig.5 Jingneng 30 MW PV Station and ESS System

(1) 系統級。這部分包括“光伏電站實時功率監測”、“光伏電站功率預報”和“并網限制要求”等系統級功能。根據光伏電站功率預報值和監測到的實時功率，得到功率預報的誤差，再根據并網限制要求(如最大輸出功率限制、最大有功功率上升率限制等)，得到儲能裝置功率給定值Pref[1]。

(2) DC/AC級。這部分包括級聯H橋變換器電網電壓定向功率解耦控制和各級聯H橋單元驅動脈沖生成及其分配[6-7]。

(3) DC/DC級。這部分包括DC/DC輸出直流電壓恒定控制和各DC/DC變換器移相脈沖的生成及其分配[6]。

在整個項目的研發過程中，由北京交通大學電氣工程學院吳俊勇教授領導的科研團隊負責新型大功率電池儲能變流器的基礎理論、拓撲結構和控制策略、建模仿真驗證、實驗室低壓物理模型驗證等工作，并指導和協助北京科銳博潤公司生產1 MW·h儲能變流器。項目組還申請了多項知識產權，其中發明專利2項(申請號：201310088405.0，201610245058.1)。示范工程裝置主要參數如表3所示。DC/DC變換器采用隔離型雙全橋移相拓撲。DC/DC與DC/AC變換器都采用英飛凌公司的FF200R12KS4型號IGBT。

表3 1 MW/1 MW·h示范工程主要參數
Table 3 Main parameters of 1 MW/1 MW·h demanstration project

由于廠區實驗條件限制，將實際1 MW/1 MW·h工程裝置(9級聯)拆成3臺3級聯H橋變換器，分別并入電網進行滿功率出廠測試以及驗證。目的是驗證裝置控制策略的正確性和檢驗功率變換器等硬件設施的完好。圖6為實際裝置進行廠區測試的測試平臺。其中，每個變流柜中包含3臺雙全橋DC/DC變換器以及3臺H橋變換器，完整工程裝置應包含總共9個變流柜以實現1 MW的雙向功率傳輸。

出廠測試相關實驗結果如圖7所示。其中，UaH為10 kV側電網采集的A相電壓；Uca為儲能裝置實際輸出端電壓；IaL為1.3 kV側裝置并網電流；IaH為10 kV側相電流。

從圖7(a)可見，Uca為七電平脈沖寬度調制波形，說明變換器采用的是3級聯載波移相調制方式。10 kV/1.33 kV變壓器為DY11聯結組別的變壓器，因此高低壓側相電壓之間相差30°。IaH和UaH幾乎重合，說明儲能裝置控制并入高壓側電網的功率因數接近1。電流IaL幅值約185 A左右，因此可計算此時儲能裝置以單位功率因數向10 kV側輸出330 kW的有功功率，三相9級級聯實現了1 MW有功功率的雙向流動。

圖6 示范工程實物照片Fig.6 Pictures of demonstration project

從圖7(b)、7(c)可見，當有功指令在0與滿功率之間階躍變化時，儲能裝置能夠迅速做出響應，其低壓側并網電流能夠在1個工頻周期內達到穩態，響應速度快，動態性能良好，完全能夠滿足工程實際需求。

6 結 論

MW級大功率大容量儲能變流器是建設智能電網和未來儲能電站的關鍵技術，在可再生能源并網、減少棄風棄光、系統調頻調峰和需求側響應等方面有廣泛應用，具有戰略意義。本文提出了一種MW級大功率大容量儲能變流器的拓撲結構及其控制方法，通過理論研究、仿真分析、實驗室低壓物理模型驗證和示范工程等，全面驗證了該技術路線的可行性和先進性，達到了工程實用化應用水平，為未來建設MW級乃至數十MW級儲能電站奠定了技術基礎。

圖7 示范工程實物裝置的工作波形Fig.7 Work waveform of demonstration project device

感謝北京市科委和京能集團對本項目的大力支持和資助。

致 謝

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苗青(1989) 女，碩士，主要從事儲能變流器方面的研究工作。

(編輯 劉文瑩)

Key Technology and Its Application of MW-Scale Converter in Battery Energy Storage System

WU Junyong1, MEI Dongsheng2, ZHANG Jurui3, HAO Liangliang1, XIONG Fei1, AI Hongke1, MIAO Qing1

(1.School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2.Beijing Energy Investment Group Company, Beijing 100022, China; 3. Beijing Jingneng Clean Energy Electrical Co., Ltd., Beijing 100028, China)

Large-scale battery energy storage system (ESS) is the key technology of smart grid and future ESS station, which will be widely applied in renewable energy integration, power system frequency and peak load adjustment, and demand response, etc. This paper presents the topological structure and control strategy of a MW-scale ESS converter. Based on the strong support of Beijing Science & Technology Administration and Jingneng Group, this paper verifies the feasibility and correctness of the proposed technical route, from the whole processes of basic theory, simulation analysis, low voltage physical model in laboratory and MW-scale demonstration project. The practice shows that the proposed technical route for the large-scale ESS converter has laid the technological foundation for the future MW or ten MW ESS station, which has achieved the level of engineering practical application.

ESS station; battery ESS; ESS converter; isolated DC/DC; H bridge cascade

北京市科技計劃項目資助項目(D131104002013003)

TM 46

A

1000-7229(2016)08-0045-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.08.007

2016-05-05

吳俊勇(1966)，男，通信作者，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為智能電網、能源互聯網、儲能技術；

梅東升(1968)，男，高級工程師，主要從事能源投資行業的技術及管理工作；

張巨瑞(1967)，男，高級工程師，從事燃氣發電、風電、水電、光伏發電等清潔能源方面的技術管理工作；

郝亮亮(1985)，男，副教授，主要從事電力系統保護與新能源技術相關研究工作；

熊飛(1990)，男，博士生，主要從事儲能變流器方面的研究工作；

艾洪克(1989)，女，碩士，主要從事儲能變流器方面的研究工作；