大规模电池储能系统PCS拓扑结构分析

2012-02-08谢志佳马会萌靳文涛

电力建设 2012年8期

谢志佳，马会萌，靳文涛

(中国电力科学研究院，北京市 100192)

0 引言

随着全球经济的迅速发展，人类长久赖以生存的石油、天然气、煤炭等不可再生能源迅速地接近枯竭，在人类面对的能源困境中，太阳能、风能、生物质能、潮汐能等清洁能源迅猛发展。然而现已开发的新能源发电站，普遍存在着输出电能变化大、不稳定和不可预测的问题［1］。例如2011年我国光伏装机为3 GW，而国家能源局统计数据指出，光伏并网装机容量仅为2.14 GW。这意味着，全国光伏装机中约有29%光伏系统尚未并网。电池储能系统不仅能够提高间歇性能源并网发电能力，而且在电力系统的发电、输电、配电和用电环节中都发挥着积极的作用，可以完成电网的削峰填谷、过负荷冲击调节、频率调节及提高电能质量，达到电网安全性的目的［2-5］。

电池储能系统的一个重要组成部分就是能量转换系统(power conversion system，PCS)。通过PCS可以实现电池储能系统直流电池与交流电网之间的双向能量传递，通过控制策略实现对电池系统的充放电管理、网侧负荷功率的跟踪、电池储能系统充放电功率的控制、正常及孤岛运行方式下网侧电压的控制等。PCS装置已在太阳能、风能等分布式发电技术中有较多的应用，并逐渐应用于飞轮储能、超级电容器、电池储能等小容量双向功率传递的储能系统中［6］。近年来，随着电池技术与电力电子技术的不断进步，PCS拓扑结构能够不断改进。新型PCS拓扑结构正向着具有更小装置整体损耗、更高可靠性以及形成更加方便和高效的模块化结构方向发展。因此有必要对各种PCS拓扑结构进行对比分析。

1 PCS中变流器部分

变流器(converter)是使电源系统的电压、频率、相数和其他电量或特性发生变化的电器设备［7］。PCS中常用的变流器是双向DC/DC变流器和双向DC/AC变流器。双向DC/DC变流器用来调整直流链电压;双向DC/AC起到整流和逆变功能，实现电池储能系统与电网能量交互。

1.1 含DC/DC与DC/AC环节的变流器

电池储能系统中最常见的PCS拓扑结构为含DC/DC与DC/AC环节的变流器拓扑结构，如图1所示。双向DC/DC环节主要是进行升、降压变换，提供稳定的直流电压。储能电池充电时，双向DC/AC变流器工作在整流状态，将电网侧交流电压整流为直流电压，该电压经双向DC/DC变换器降压得到储能电池充电电压;储能电池放电时，双向DC/AC变流器工作在逆变状态，双向DC/DC变换器升压向DC/AC变流器提供直流侧输入侧电压，经变流器输出合适的交流电压。

图1 含DC/DC与DC/AC环节的变流器拓扑结构Fig.1Topological structure of converter containing DC/DC link and DC/AC link

这种含DC/DC和DC/AC环节的PCS拓扑结构的主要优点是适应性强，可实现对多串并联的电池模块的充放电管理;由于DC/DC环节可实现直流电压的升降，使得储能电池的容量配置更加灵活;适于配合风电、光伏等间歇性、波动性比较强的分布式电源的接入，抑制其直接并网可能带来电压波动。主要缺点是由于存在DC/DC环节，使得整个PCS系统的能量转换效率有所降低;大容量PCS的DC/DC与DC/ AC环节的开关频率、容量及协调配合关系复杂。

除图1所示拓扑结构外，包含DC/DC和DC/AC环节的PCS拓扑结构还有2种，如图2所示。图2 (a)是包含DC/DC环节的共直流侧变流器的拓扑结构，这种结构的扩容方式是，多组储能电池组分别经过各自的DC/DC环节后并联，再共用1个DC/AC环节，然后经滤波器滤波后并网。图2(b)是包含DC/ DC环节的共交流侧变流器的拓扑结构，这种结构的扩容方式是多组电池组分别经过各自的DC/DC和DC/AC环节后再并联，并联后经过滤波器滤波后并网。

图2 含DC/DC与DC/AC环节的变流器并联拓扑结构Fig.2Parallel topological structure of converter containing DC/DC link and DC/AC link

与图1所示拓扑结构相比，图2所示拓扑结构的优点是:采用模块化连接方式，配置更加灵活;通过并联DC/DC变换器达到系统容量需求，避免多组储能电池的并联，降低了整个系统对储能电池电压特性的要求;当个别储能电池组或并联变换器出现故障时，储能系统仍可正常工作，提高了整个储能系统稳定性;减小了对单个电力电子器件功率等级的要求。但是这2种结构不足之处是增加了器件个数，使控制系统设计更加复杂。

1.2 仅含DC/AC环节的变流器

仅含DC/AC环节的PCS拓扑结构如图3所示，在这种结构的PCS中，储能电池经过串并联后，直接连接DC/AC的直流端。储能电池系统充电时，双向DC/AC变流器工作在整流器状态，将系统侧交流电转换为直流电，将能量储存在储能电池中;储能电池系统放电时，双向DC/AC变流器工作在变流器状态，将储能电池释放的能量由直流转换为交流回馈外部系统。

图3 仅含DC/AC环节的变流器拓扑结构Fig.3Topological structure of converter only containing DC/AC link

这种仅含DC/AC环节的PCS拓扑结构的优点是:适于电网中分布式独立电源并网，结构简单，PCS环节能耗相对较低。该结构的主要缺点是:系统体积大，造价高;储能系统的容量选择缺乏灵活性;电网侧发生短路故障有可能在PCS直流侧产生短时大电流，对电池系统产生较大冲击等。

仅包含DC/AC环节的PCS的另外一种拓扑结构如图4所示，为仅含DC/AC环节的共交流侧变流器拓扑结构。这种拓扑结构的扩容方式是多组电池组分别经过各自的DC/AC环节后再并联，并联后经过滤波器滤波后并网。

图4 仅含DC/AC环节的共交流侧变流器拓扑结构Fig.4Topological structure of converter containing DC/AC link and parallel at AC side

与图3所示的拓扑结构相比，图4所示的拓扑结构的优点是:采用模块化连接方式，配置更加灵活;当个别储能电池组或并联变换器出现故障时，储能系统仍可正常工作，提高了整个储能系统稳定性;减小了对单个电力电子器件功率等级的要求。但是这种结构同样存在电力电子器件增多，控制系统设计复杂等不足。

1.3 含Z源与DC/AC环节的变流器

含Z源与DC/AC环节的变流器拓扑结构如图5所示。在传统变流电路中，逆变桥的任何1相、2相或3相桥臂的2个绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)同时导通的直通状态是被严格禁止的，因为这会造成电压源短路损坏设备。而Z源变流器由于加入了阻抗网络，允许发生这种状态。在直通状态下，Z源网络中的电感被充电;在非直通状态下，电感中的能量被释放。Z源变流器就是通过给桥臂加入直通状态，使直通状态和非直通状态按预设的升压调制方式交替出现来实现直流链电压泵升的［8-9］。

图5 含Z源与DC/AC环节的变流器拓扑结构Fig.5Topological structure of converter containing Z-source and DC/AC link

将Z源阻抗网络和全桥变流器结合在一起的变流器拓扑主要优点有:允许逆变桥上下管直通状态，提高了变流器的安全性和可靠性;在系统不附加升压环节的情况下，可以通过插入直通时间，运用直通零电压来升高直流电压以实现变流器的升压功能;升降压比高，使储能电池容量选择范围宽泛;输出电压与交流电网电压相同，甚至比电网电压更高;消除由死区带来的输出电压波形畸变。

1.4 级联H桥变流器

级联H桥拓扑结构如图6所示。级联型H桥变流器每相由若干功率单元组成，电池组连接到功率单元两端。每个功率单元中有2对开关状态互补的开关，其每对互补开关的动作将导致该相的输出电压上升或下降1个单元直流母线电压。通过合理选择产生上升沿和下降沿的开关组合，即可完成不同开关间的轮换，免除了2个开关周期间的开关动作，达到降低开关频率的目的。具体选择方法为:根据开关当前状态将开关分为2组:一组为开关动作后将导致输出电压上升，另一组为开关动作后将导致输出电压下降。根据输出波形的需要，从中选择未动作时间最长的2组开关来完成电压波形的输出。

H桥级联型多电平变流器的优点是:采用多个功率单元串联的方法来实现高压输出，需要实现高压时，

图6 级联H桥变流器拓扑结构Fig.6Topological structure of cascaded H-bridge converter

只需简单增加单元数即可，避免储能电池串联;H桥级联型多电平变流器的每个变流器单元的结构相同，容易进行模块化设计和封装;每个功率单元都是分离的直流电源，之间彼此独立，对一个单元的控制不会影响其他单元;直流侧的均压比较容易实现，各变流器单元的工作负荷一致。

2 PCS中滤波器部分

并网变流器滤波的主要作用是:有效地抑制了输出电流的过分波动;将开关动作所产生的高频电流成分滤除;输出滤波电感相当于连接电网和逆变桥的杠杆，通过它可以控制并网电流的幅值和相位，从而实现控制并网变流器的功率输出，可以实现功率因数等于1，也可以根据需要向电网输送无功功率，甚至实现网侧纯电感、纯电容运行特性［10-12］。

目前常见的变流器输出滤波器一般有3种形式: L滤波器、LC滤波器和LCL滤波器。根据变流器运行不同状态，所选取的滤波器形式也不相同。

2.1 L 滤波器

单电感L滤波器的结构简单，其拓扑结构如图7所示。L滤波器并网电流控制容易，但其高频滤波特性差，不适合开关频率较低的应用场合。典型的并网变流器通过串联电感滤波器，来衰减输出电流中的开关频率谐波分量，但在低开关频率的大功率并网变流器中，采用电感滤波需要较大的电感量，电感值的增加不但提高了成本而且不利于变流器的控制。

图7 L滤波器拓扑结构Fig.7Topological structure of L filter

2.2 LC滤波器

由于变流器以高频脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)方式工作，所以输出滤波器的作用是滤掉高次谐波分量，使输出电压接近正弦波。LC滤波器拓扑结构如图8所示，其控制策略简单，与单电感L滤波器相比，电路中的电容能有效地衰减并网电流的高频成分，而且适合于实现并网与独立2种运行模式间的切换。

图8 LC滤波器拓扑结构Fig.8Topological structure of LC filter

LC滤波器的优点是成本低，插入损耗小。不足之处是当工作频率较低时，所需要的电感和电容数值都很大，使得滤波器的体积和质量大;不易集成化;工作频率较高时，小电感不易制作;且分布参数影响难估计，调整困难。

2.3 LCL滤波器

图9所示为LCL滤波器拓扑结构。LCL滤波器的高频衰减特性好，但滤波元件参数设计及并网电流控制策略较为复杂。LCL滤波为三阶系统，具有更好的高频衰减特性，对高频分量呈高阻态。要达到相同的滤波效果，LCL滤波器总电感量比L滤波器小得多。但作为三阶系统，LCL滤波需要确定2个电感量，1个电容量，增加了设计难度;而且LCL滤波还有谐振问题，控制回路设计比较复杂。

图9 LCL滤波器拓扑结构Fig.9Topological structure of LCL filter

3 优化的PCS拓扑结构

通过对PCS的变流器部分和滤波器部分的拓扑结构的分析发现:

(1)在变流器方面，虽然含级联H桥变流器与含DC/DC和DC/AC环节的PCS装置的电池组的配置更灵活，对电池的充放电管理更准确、可靠;但随着电池技术的发展，仅依靠电池串并联达到稳定的功率及容量需求成为可能，这样就可省去DC/DC环节，不仅减少器件数量，也使得控制更为简单，更重要的是提高了能量转换效率。含Z源网络的变流器，允许逆变桥上下管直通状态，省去死区补偿环节，提高了变流器的安全性和可靠性，提高输出波形质量，并且具有高升降压比。

(2)在滤波器方面，LCL滤波器在高频段具有较快的衰减特性，可以很好地抑制高次谐波，从而能有效地降低电感的值。在大功率场合可以相对减小系统的体积和成本，提高系统的动态性能，并且受电网的影响较小。

因此，提出含Z源网络和LCL滤波器的变流器拓扑结构和仅含DC/AC环节和LCL滤波器的变流器拓扑结构的2种电池储能系统PCS拓扑结构，如图10、11所示。