電池儲能系統中電力電子變換器并網結構發展綜述

（浙江大有實業有限公司杭州科技發展分公司，杭州 310052）

0 引言

隨著能源危機與環境問題的加劇，光伏、風電等新能源近年來受到世界范圍的廣泛關注，這些新能源發電系統具有可持續性、資源豐富、清潔等優點，但其自身出力也具有隨機性、波動性和間斷性等缺點。近年來，為了克服新能源發電所固有的上述缺陷，同時也為了滿足電網調頻和削峰填谷等需求，儲能項目得到了迅速發展。

根據中關村儲能產業技術聯盟全球儲能項目庫不完全統計[1]，截至2019 年底，全球已投運儲能項目累計裝機規模184.6 GW，同比增長1.9%。其中抽水蓄能累計裝機占比最大，為92.6%，同比增長0.2%。電化學儲能的累計裝機規模9 520.5 MW，占比5.2%。在各種電化學儲能技術手段中，鋰離子電池的累計裝機規模排名第一，為8 453.9 MW。根據應用類型分類，用戶側儲能累計裝機規模最大，占比達到28%；電網側儲能占比21%；用于輔助服務儲能裝機占比為21%；電源側儲能占比為30%，其中用于集中式可再生能源并網儲能裝機占比為17%，用于傳統機組的占13%。

國內方面，截至2019 年底，中國已投運儲能項目累計裝機規模為32.4 GW，占全球市場總規模17.6%，同比增長3.6%。其中抽水蓄能累計裝機規模最大，為30.3 GW，同比增長1.0%；電化學儲能累計裝機規模在其中位列第二，為1 709.6 MW，同比增長59.4%。這一數據盡管與2018 年175.2%的增長率相差甚遠，但這主要是受國家相關政策影響，其636.9 MW 的新增裝機規模仍然保持了較為平穩的儲能市場發展水平。同樣，在中國市場上的各類電化學儲能技術中，鋰離子電池的累計裝機規模最大，為1 378.3 MW。從應用分布上看，依然是用戶側累計裝機規模最大，占比為51%；電網側儲能占比22%；用于輔助服務的儲能裝機占比為24%；用于電源側儲能的占比為3%。

BESS（電池儲能系統）是目前利用方式最為靈活廣泛的儲能方式，而如何進一步提高系統整體運行效率、降低其度電運行成本，從而縮短投資回報周期，仍是制約其發展的瓶頸所在。

并網型BESS 由儲能電池組、匯流箱、PCS（功率變換系統）、電表等主要設備組成，其中PCS一般為電力電子變換器，通常由DC/DC 和DC/AC兩部分組成，是整個儲能系統的唯一靈活可控裝備，承擔了與電網互聯的基本功能，并實現有功/無功調節、均衡控制等作用。

1 傳統集中式電池儲能系統

針對中高壓電網的傳統集中式電池儲能系統如圖1 所示。在這種并網系統中，單體電池通常需要進行大規模串/并聯連接來滿足功率和能量需求，因此BMS（電池管理系統）需要同時監控大量的單體電池；PCS 對大量單體電池的輸出進行交直流轉換之后，經過變壓器和濾波器實現中高壓并網功能。

PCS 中的DC/AC 電路通常為兩電平[2-3]結構，如圖2（a）所示，變換器的控制方法簡單成熟，成本較低。三電平變換器[4-5]也廣泛用于圖1 所示的DC/AC 電路中，包括NPC（中性點箝位型）變換器、有源型NPC 變換器和懸浮電容型變換器（如圖2（b）所示）。這類變換器的控制和調制都比兩電平變換器復雜，但是為提高輸出電壓和減小諧波含量提供了新的手段。

圖1 所示的并網方式結構簡單，易于調控，開關器件少，技術成熟，但是也存在以下問題：

（1）對于兩電平或三電平變換器，在中高壓電網應用中，開關器件的電壓、電流應力較大。

（2）由于PCS 輸出電平數目較低，諧波含量較高，需要大容量濾波裝置。

（3）受限于開關器件的耐受電壓限制，兩電平/三電平電路的輸出電壓等級較低，需要升壓變壓器來接入電網，不僅提高了成本，而且變壓器體積大、故障率高，降低了系統整體效率。

（4）在這種結構中，BMS 需要調控大量單體電池，均衡能力不足；串聯電池間極易由于不均衡造成的短板效應而限制整體輸出能力，甚至出現安全問題；同時，并聯電池簇間存在環流損耗，傳統BMS 缺乏應對手段。

圖1 傳統集中式儲能系統結構

2 模塊化電池儲能系統

針對傳統集中式電池儲能系統存在的問題，可以利用模塊化電池儲能系統進行有針對性的解決。按照直流側或交流側的串/并聯連接結構，可以將模塊化電池儲能系統分為四類，分別為交流側并聯型、直流側并聯型、直流側串聯型和交流側串聯型[6]。

2.1 交流側并聯型模塊化電池儲能系統

模塊化儲能電池并網系統中，少量電池并聯成為每個子模塊中的電池組，使用BMS 芯片對其進行充分的組內管理。圖3 為子模塊交流側并聯型模塊化儲能電池并網系統。這種結構中PCS也被列入子模塊，所有子模塊的交流輸出一起連接到公共并網點。這種方案已經被大量企業所采用[7]，工程應用成熟、運行經驗豐富。G.Wang 等人在文章中詳細分析了這一并網結構的效率、成本以及應用案例[8]。

這種模塊化并網解決方案具有以下優勢：

（1）電池化整為零，分散接入，方便在子模塊內利用BMS 對少量的單體電池進行管理。

（2）模塊化設計，并聯結構，便于進行容量拓展，易于實現故障冗余功能。

（3）開關器件電壓應力僅為子模塊電池組電壓，器件耐壓要求降低，可以更換低壓器件以降低成本。

（4）DC/AC 部分仍然使用如圖2 所示的兩電平或三電平變換器，控制成熟簡單。

但是這種交流側并聯結構也存在以下問題：低壓側的PCS 電流大，多級升壓，使得系統效率依然較低；需要額外的中央控制系統來集成各個從控系統和BMS[9]；為保證控制精度，各個從控系統與中央控制系統間需要低延時通信，且協同控制較難；大規模并網時，多并聯結構存在穩定性問題[10]。

2.2 直流側并聯型模塊化電池儲能系統

借鑒傳統的光伏發電并網結構，有研究者提出如圖4 所示的直流側并聯型模塊化電池儲能系統[2，11]。雙向DC/DC 變換器高壓側電壓穩定，可以使PCS 的設計簡化；當使用隔離型雙向DC/DC變換器時，可以避免電池模塊間的環流，電池損耗少。上海交通大學高寧等人提出了針對這一并網結構中隔離型雙向DC/DC 變換器的直流母線電壓優化控制方法[12-13]，以及基于模式切換的效率優化手段[14]。

圖3 交流側并聯型模塊化電池儲能系統

但是，也有學者經過分析后認為直流側并聯結構的效率較串聯結構低（從系統變比的角度來看），并且其可靠性也較串聯結構更低[6，15]。

針對并聯型模塊化電池儲能系統存在的上述問題，近年來，串聯結構的模塊化儲能電池并網系統開始受到了較為廣泛的關注。

2.3 直流側串聯型模塊化電池儲能系統

圖5 為直流側串聯的模塊化儲能電池并網系統，在這種結構中，原PCS 中的DC/DC 部分被放入了模塊化結構中，用來升高直流電壓從而進一步降低對串聯電池數的要求，同時還可以對流入直流側的交流波動分量進行抑制。DC/AC 部分仍然使用成熟的兩電平或三電平變換器。

文獻[16]首先提出將這種結構用于電動汽車中的動力電池管理，DC/AC 變換器之前的模塊化結構可以實現變直流母線電壓輸出，后級的DC/AC 變換器能夠只以低開關頻率進行電流換向，降低了后級的開關損耗。Mukherjee 等人則將這種結構應用于動力電池梯次利用儲能系統[17]，并在后續研究中探究了這一儲能變換器結構的控制穩定性問題及解決方案[18-19]，還研究了這一并網結構的不同工作模式的特點[20]，并提出了一種適用于該結構的荷電狀態控制方法[21]。文獻[22]則進一步將這種結構應用于超級電容儲能系統。

但是，無論是并聯型還是直流側串聯型模塊化儲能系統，這兩種并網結構中仍然需要使用工頻變壓器來并網，使得整個系統體積龐大、損耗升高、成本增加。

為了避免使用工頻變壓器，有研究人員提出使用開關串聯型高壓大容量DC/AC 變換器來實現直流側串聯型模塊化電池儲能直接并網[8]。但是，目前開關串聯型變換器有其固有缺點，如：開關器件數量過多；串聯開關器件同步開斷困難，半導體開關和門極驅動電路都需要進行特殊設計；為避免較大的開關損耗，只能以較低的開關頻率運行等，這也提高了輸出濾波的成本。

圖4 直流側并聯型模塊化電池儲能系統

圖5 直流側串聯的模塊化電池儲能經變壓器并網系統

2.4 交流側串聯型模塊化電池儲能系統

近年來，許多研究者將儲能單元模塊化地接入多電平變換器，形成交流側串聯型模塊化電池儲能系統。這種結構使用子模塊級聯的多電平變換器實現DC/AC 變換，能在保持多電平變換器自身拓撲優勢基礎上實現儲能電池的靈活調控，有效提高電池組能量管理效率，降低BMS 的工作負擔。

圖6 為兩種典型的交流側串聯型模塊化儲能電池并網系統，其中圖6（a）為基于CHB（H 橋級聯型變換器）的BESS，圖6（b）為基于MMC（模塊化多電平變換器）的BESS。

東京工業大學H.Akagi 等人于2007 年首次提出將CHB 應用于基于電容的儲能系統，從而實現不需要變壓器直接并入中壓電網[23-24]；隨后于2009 年將這一結構應用于基于電池的儲能系統[25-26]。上海交通大學的蔡旭教授團隊針對這種拓撲，于2014 年9 月在南方電網寶清儲能電站實現了2 MW/2 MWh 無變壓器10 kV 直掛儲能的世界首例示范應用，實測儲能變換器效率大于98%[27]。2019 年，國網江蘇電力公司利用這一結構，在鹽城阜寧縣蔣圩110 kV 變電站開展了10 kV 中壓直掛式儲能示范工程，實測儲能變換器效率大于99%，而且采用磷酸鐵鋰電池的儲能系統全循環效率大于90%。

丹麥奧爾堡大學的R.Teodorescu 等人于2011年首次將MMC 與BESS 相結合[28]。與CHB 相比，MMC 拓撲具有隱含的公共直流母線，可以進行交直流電網互聯；而且，其獨有的內部環流為解決子模塊間的不均衡問題提供了一種新的手段，尤其在電網輸出不平衡的情況下[29-31]更為適用。山東大學的高峰等人提出了針對電池組間[32]和子模塊內單體電池間的健康狀態不均衡問題的控制方法[33-34]；后來又總結了包括輸出功率控制、SOC（荷電狀態）均衡控制以及并網電流直流分量抑制在內的通用MMC-BESS 控制策略[35]；也有文獻通過對PWM（脈沖寬度調制）脈沖進行重新分配來實現MMC-BESS 中子模塊故障時的容錯控制[36-37]。還有研究人員進一步將MMC-BESS 系統作為接口變換器應用于交直流混合配電網，分別對不同工作模式下的荷電狀態均衡控制方式進行了探討[38-39]。

圖6 交流側串聯的模塊化電池儲能系統

此外，蘇黎世聯邦理工的A.Hillers 等人對這一結構下的兩類電池儲能系統進行了深入系統研究與對比，并在實驗室中搭建了一個具有90 個子模塊的250 kW 樣機，可以實現與9 kV 的中壓電網直連[40-43]；上海交通大學的陳強等人也對這兩類高壓直掛電池儲能系統進行了對比探究[44]，并針對實現交直流電網互聯的混合型MMCBESS 提出了交直流側分別故障時的容錯控制方法[45]。

除了具有前述的“模塊化結構”外，交流側串聯型模塊化電池儲能系統還具有如下優勢：

（1）多電平變換器解決了高壓兩電平結構開關器件串聯均壓難的問題，對于相同耐壓等級的開關器件，可以通過增加電平數來提高輸出電壓等級，不使用變壓器直接接入中高壓電網，提高效率、節省投資。

（2）多電平變換拓撲輸出電平數目多，諧波含量小，濾波裝置容量大大減小。

（3）在保證等效開關頻率不變的前提下，多電平拓撲大大降低了單個開關器件的開斷頻率，損耗成倍下降。

但是這一類并網結構也存在使用開關器件和電容器較多的缺點。

3 歸納總結和技術展望

各類電池儲能系統并網結構中應用的DC/AC 變換器技術參數與特點（包括器件數量、是否需要變壓器并網、轉換效率、成本及技術特征）的對比總結如下：

（1）兩電平變換器：器件數量少，需要變壓器，轉換效率大于95%，變換器成本低。其優點為結構簡單，器件數量少，技術成熟，成本低。缺點是為了降低開關損耗只能以較低的開關頻率運行，需要變壓器來并入中高壓電網。

（2）三電平變換器：器件數量較少，需要變壓器，轉換效率大于96%，變換器成本中等。其優點為結構較簡單，器件耐壓要求較低，電能質量提高。缺點為器件較多，仍然需要變壓器來接入中高壓電網。

（3）開關串聯型兩電平高壓大容量變換器：器件數量多，直接并網，轉換效率大于96%，變換器成本高。其優點為結構較為簡單，單個開關器件的耐壓要求低，無需變壓器并網。缺點為需要保證每個開關器件的同步開斷，對驅動電路和器件的一致性要求高，只能在較低的開關頻率下工作以降低開關損耗。

（4）CHB：器件數量多，直接并網，轉換效率大于99%，變換器成本高。其優點在于無需變壓器并網，提高效率，減小體積；解決了開關串聯型兩電平結構的“器件串聯均壓難”問題；輸出諧波含量小；降低了單個器件的開關損耗。缺點為使用開關器件和電容器較多。

（5）MMC：器件數量多，直接并網，轉換效率大于99%，變換器成本高。其優點在于除了與CHB 型相同的優點外，還可以使用直流母線實現直流和交流電網互聯；在相同開關數目下，MMC的子模塊個數為CHB 的兩倍，可集成的電池組數量更多；MMC 獨有的內部環流可幫助進行模塊間電池均衡。缺點為與CHB 相比，在相同開關數目下，所需電容器和通信通道多一倍。

對于發電側和用戶側小型并網電池儲能系統，由于電池組數量普遍較少，總體容量不高，電池管理壓力較小，組間環流問題尚不嚴重，使用傳統的集中式并網結構依然具有成本和控制上的優勢。

對于應用于電網側的電池儲能系統，更高的接入電壓等級、更大的單站容量、更高的轉換效率以及安全性更好的電池管理和故障隔離能力是其未來的發展方向。模塊化電池儲能系統結構具有接入靈活、運維成本低、易于實現故障冗余和更利于實現電池精細化管理特點，非常適合于大規模并網應用。

在高壓大容量儲能場景下，交流側并聯型模塊化電池儲能系統是目前應用最為廣泛且成熟的結構，但是由于變壓器的存在，電能轉換效率難以進一步提升；調度指令響應一致性不佳；黑啟動過程中容易出現沖擊；內部環流和大規模儲能模塊并聯匯集所導致的諧振問題也需要特別加以考慮。

直流側并聯型結構具有穩定的直流母線電壓，可以簡化PCS 設計；利用隔離型DC/DC 可以避免電池模塊間的環流；但是其運行效率與可靠性尚需進一步的工程驗證。直流側串聯型結構則可以利用模塊化結構來實現變直流母線電壓輸出，后級DC/AC 變換器可以只進行低頻電流換向，降低了開關損耗。但是以上兩種結構都對單個DC/AC 變換器的耐壓和容量提出了較高的要求，尤其是使用開關串聯型高壓大容量變換器時，如何保證器件同步開斷是一個難題。

近年來在研究和示范應用中提及較多的交流側串聯型的模塊化儲能電池并網系統，如H 橋級聯型或模塊化多電平變換器型，無需變壓器即可直連10 kV 及以上電壓等級電網，節省了工程占地面積，系統轉換效率提升；功率模塊低開關頻率可降低系統開關損耗；高等效開關頻率提升了系統動態響應速度；可以實現單體電池間、電池模組間、各橋臂和各相間的多層級能量均衡，提升系統容量利用率；此外，單機容量可達數十兆瓦，對調度指令的響應一致性好。但是其使用的開關和電容器件較多，成本依然較高，目前來看更適用于大規模并網且工程用地緊張的項目。

4 結語

本文系統回顧并比較了并網型電池儲能系統并網機構的發展歷程，按照集中式儲能系統和模塊化儲能系統兩大類進行比較，歸納國內外文獻并分析總結了各種并網結構及其使用的DC/AC變換器的優勢與存在問題，最后總結了未來并網型電池儲能系統中電力電子變換器并網結構的發展趨勢。