基于三電平的大功率儲(chǔ)能PCS功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究

西安特銳德智能充電科技有限公司儲(chǔ)能事業(yè)部 糜曉宇 李嘉琨 胡 煜

1 引言

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 單級(jí)非隔離DC/AC功率拓?fù)鋱D

目前我國(guó)風(fēng)能、太陽(yáng)能等間歇式能源已成規(guī)模化發(fā)展。根據(jù)發(fā)改委能源研究所研究報(bào)告顯示，未來(lái)預(yù)計(jì)在2030年我國(guó)可再生能源規(guī)模要達(dá)到總能源的20%，在2050年達(dá)到50%。所以未來(lái)風(fēng)能、太陽(yáng)能裝機(jī)量還會(huì)大幅提升。但由于其間歇性、波動(dòng)性的特點(diǎn)，出現(xiàn)了很多棄風(fēng)和棄光現(xiàn)象，而大容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)能很好的解決該問(wèn)題。儲(chǔ)能系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分就是能量變換系統(tǒng)（power conversion system,PCS）。

本文介紹了一種基于三電平的大功率PCS拓?fù)湎到y(tǒng)方案。本方案產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池與交流電網(wǎng)之間的雙向能量轉(zhuǎn)換，具備有功和無(wú)功解耦控制的四象限運(yùn)行功能；可接收監(jiān)控系統(tǒng)的控制指令對(duì)電池進(jìn)行充電；能和電池管理系統(tǒng)配合以保障電池的安全；可依據(jù)上層管理系統(tǒng)指令執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)充放電電壓和電流的閉環(huán)控制。

2 系統(tǒng)拓?fù)浞治?/h2>

如圖1所示，虛線框內(nèi)的組成部分就是PCS，主要由功率模塊單元、配電單元和控制單元構(gòu)成。功率柜主要包括IGBT模塊、母線電容、LCL濾波器等。配電柜主要包括交/直流配電、交/直流接觸器、直流軟啟等。控制器包括檢測(cè)、反饋、控制等單板。

電池系統(tǒng)充電時(shí)，PCS工作在整流狀態(tài)，將系統(tǒng)側(cè)交流電轉(zhuǎn)換為直流電，能量?jī)?chǔ)存在電池中；電池系統(tǒng)放電時(shí)，PCS工作在逆變狀態(tài)，將電池直流電轉(zhuǎn)換為交流電，能量上傳電網(wǎng)或給負(fù)載供電。

圖3 兩級(jí)非隔離DC/DC+DC/AC功率拓?fù)鋱D

圖4 兩級(jí)隔離DC/DC+DC/AC功率拓?fù)鋱D

3 單級(jí)非隔離DC/AC功率拓?fù)浞治觯ㄒ?jiàn)圖2）

這種結(jié)構(gòu)中僅含DC/AC環(huán)節(jié)，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少，系統(tǒng)效率高。缺點(diǎn)是系統(tǒng)缺乏靈活性，沒(méi)有隔離，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(duì)電池系統(tǒng)產(chǎn)生較大沖擊等。

因三電平結(jié)構(gòu)原因，該拓?fù)涓诮涣鱾?cè)諧波控制，IGBT開(kāi)關(guān)頻率跟高，濾波器體積更小，利于成本降低，同時(shí)系統(tǒng)效率較傳統(tǒng)兩電平更好，系統(tǒng)最大效率能達(dá)到99%。

4 兩級(jí)非隔離DC/AC功率拓?fù)浞治觯ㄒ?jiàn)圖3）

這是一種雙向DC/DC加雙向DC/AC的兩級(jí)變換型式的PCS拓?fù)洌捎谠黾恿艘患?jí)DC/DC變換，所以該拓?fù)淇蛇m應(yīng)更寬的電池電壓范圍，而且可用多個(gè)DC/DC并聯(lián)后共直流母線的方式，即電池經(jīng)DC/DC變換后再并聯(lián)到直流母線上，從而可提高電池組的顆粒度，減少電池組間環(huán)流。缺點(diǎn)是系統(tǒng)沒(méi)有隔離，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(duì)電池系統(tǒng)產(chǎn)生較大沖擊等。

5 兩級(jí)隔離DC/AC功率拓?fù)浞治觯ㄒ?jiàn)圖4）

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較圖3結(jié)構(gòu)最大的區(qū)別就是DC/DC變化使用了高頻隔離方案，提高了系統(tǒng)的安全性。同樣可實(shí)現(xiàn)多個(gè)DC/DC并聯(lián)方案，進(jìn)而減少電池組間的環(huán)流，提高電池壽命和利用率。

6 結(jié)論

本文重點(diǎn)分析了三電平PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)介紹和工作模式分析。