一种MW级大功率电池储能变流器关键技术及其工程应用

吴俊勇, 梅东升，张巨瑞，郝亮亮，熊飞，艾洪克，苗青

(1. 北京交通大学电气工程学院，北京市100044；2. 北京能源投资(集团)有限公司，北京市100022；3.北京京能清洁能源电力股份有限公司，北京市100028)

一种MW级大功率电池储能变流器关键技术及其工程应用

吴俊勇1, 梅东升2，张巨瑞3，郝亮亮1，熊飞1，艾洪克1，苗青1

(1. 北京交通大学电气工程学院，北京市100044；2. 北京能源投资(集团)有限公司，北京市100022；
3.北京京能清洁能源电力股份有限公司，北京市100028)

大功率大容量电池储能是建设智能电网和未来储能电站的关键技术，在可再生能源并网、电力系统调频调峰和需求侧响应等方面有着广泛应用。提出一种MW级大功率大容量储能变流器的拓扑结构及其控制策略，在北京市科学技术委员会和京能集团的大力支持下，从基础理论、仿真分析、实验室低压物理模型验证和MW级示范工程等全流程，验证本文所提出的技术路线的可行性和正确性。实践证明，所提出的大功率储能变流器的技术路线为未来建设MW级乃至数十MW级储能电站奠定了技术基础，达到了工程实用化应用水平。

储能电站；电池储能；储能变流器；隔离型DC/DC；H桥级联

0 引 言

在化石能源枯竭和环境保护的双重压力下，我国能源产业结构亟待转型，可再生能源发电所占比例不断提高[1]。由于光伏发电和风力发电所固有的间歇性和波动性，使储能成为有效利用可再生清洁能源必不可少的关键技术之一。从技术上讲，储能可分为抽水蓄能、电池储能、储热、蓄冷、压缩空气储能、飞轮储能等多种类型。抽水蓄能(电站)受地理环境条件的限制，建设成本较大，在我国应用不多，成为电力系统调度中调频调峰的稀缺资源。储热、蓄冷、压缩空气储能和飞轮储能等，或者技术上不够成熟，或者成本太高，相比较而言，电池储能是最传统、最成熟，也是市场上应用最多的储能技术。近年来，随着各种新材料的出现和应用，各种新型电池技术和产品不断涌现，如磷酸铁锂电池、全钒液流电池、超级电容器等，在电动汽车、光伏发电、需求侧响应等领域，扮演着越来越重要的角色[2]。

据中关村储能产业技术联盟(China Energy Storage Alliance，简称CNESA)统计，截止2014年底，全国应用于电力系统的储能(不含抽蓄、压缩空气和储热)累计84.4 MW，2015年新增31 MW，年增长58%，较上一年度提升14%，增幅明显。从技术上讲，锂离子电池、铅酸电池和液流电池分别占74%、14%和10%，几乎占据整个储能市场。从应用上讲，用户侧领域占50%，集中于海岛、偏远地区、工业园区和低碳城镇等，可再生能源发电并网(主要是风电场)和电动汽车(光储式电动汽车充换电站、V2G、需求响应等)各占27%和13%。2015年3月，国务院陆续颁布了《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》和《关于推进售电侧改革的实施意见》等6个配套文件，强有力地启动了第2轮中国电力体制改革，在“监管中间，放开两头”的总框架下，积极有序地推进售电侧开放，并在北京和广州成立了2个区域性的电力交易中心。

2016年3月，发改委能源局颁布了《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》，积极推进能源互联网建设，文中22处提到了储能，提出“推动集中式与分布式储能协同发展，开发储电、储热、储冷、清洁燃料存储等多类型、大容量、低成本、高效率、长寿命储能产品及系统”，使储能成为智能电网和能源互联网必不可少的关键技术之一，确立储能在我国能源产业结构转型中的战略地位。同月，国家能源局发布了《推动电储能参与“三北”地区调峰辅助服务的通知(草案)》征求意见稿，提出发电侧10 MW/4 h以上的集中式大功率大容量储能设施，和用户侧的分布式储能设备均可参与电力系统调峰辅助服务，并获得相应回报。据测算，此举可使储能设施的投资回收率缩短40%，开启了大功率大容量储能的商业化发展之路。

综上所述，国内的储能市场正在启动和不断成长，在相关政策的激励下，可以预见在未来2到3年，储能市场将面临一个爆发性增长，特别在光伏+储能、电力系统调频调峰、需求侧管理与微电网、电动汽车相关应用上值得期待。据CNESA预测，2020年中国储能市场容量将达67 GW(含35 GW抽蓄)，迎来“储能元年”。

1 大功率电池储能技术的问题分析

电池储能系统按照功率和应用场景来分，可分为分布式储能和集中式储能两大类。目前由于大功率电力电子开关器件如IGBT(insulated gate bipolar transistor)、碳化硅器件等的最大耐压和最大电流参数的限制，单台储能变流器(power conversion system, PCS)的功率一般不大于0.5 MW。这个功率级别的变流器应用于用户侧分布式储能的场合一般是够用的，但若需要建设类似电力系统储能电站的大功率大容量储能系统，目前在工程实际中一般是多台变流器在低压交流侧并联运行，再通过多台升压变压器接入10, 35或110 kV的高压电力系统中。多台变流器并联运行时，由于每台变流器都是独立控制的，甚至是不同厂家不同电池的产品，输出电压的不同会带来“环流”和附加损耗。为将这种负面效应降到最低，并联运行的变流器不宜太多，一般不超过4～6台，这就需要更多的低压汇流母线和更多的升压变压器。变压器正常运行时会有较大的无功功率损耗，一般接近通过其有功功率的12%，整个储能电站的众多变压器将带来较大的无功损耗，必须配置无功补偿等附加设备。

以我国两大电网公司为例，国家电网公司在张北建设了全国最大的风光储输示范工程，其中的储能系统是20 MW/95 MW·h，包括了能量型锂电池、功率型锂电池、液流电池和钠硫电池4种不同类型电池和多个厂家的储能产品，整个储能系统共使用70台PCS和13台升压变压器。南方电网公司在深圳宝清建设了4 MW/16 MW·h的储能示范工程，整个储能系统包含8个功能模块，每个模块500 kW/2 M·h，由16个DC/AC变器换、96个DC/DC变器换和96个电池阵列组成，有直流汇流和交流汇流的两级汇流。

从以上2个最具代表性的大功率大容量电池储能系统(电站)的工程实例可见，目前我国大功率电池储能项目都是沿用了分布式储能的技术路线，有众多小功率的PCS在交流侧汇流，逐级升压接入电力系统。这种系统结构不但占地面积大，电缆线路和通信线路长，辅助设备多，而且控制系统复杂、协调困难，环流带来的有功损耗和变压器带来的无功损耗都较大，降低了整个系统的运行效率，不能适应未来建设更大功率更大容量储能电站的需求，亟需技术上的突破和创新。

2 组合级联式大功率储能变流器

本文提出一种适用于未来储能电站的组合级联式大功率储能变流器的拓扑结构，如图1所示。整个系统由拓扑结构完全相同的ABC三相组成，中性点接成星型，每相都由链式DC/AC变换器、直流电容器、高频隔离型DC/DC变换器和电池阵列构成，交流侧可直接接入高压电力系统。DC/DC变换器可选择半桥和全桥2种类型，工作频率为10 KHz，中间含高频隔离变压器，实现高压侧和低压侧的电气隔离，确保电池阵列和人员安全。这有助于提高系统的功率密度，减小装置体积。一般来说，根据装置额定功率的大小，可选择双半桥/双全桥隔离型DC/DC变换器。这类变换器基于移相控制原理，通过调节高频变压器原副边方波电压之间的相位差来控制有功功率传输的大小和方向。控制策略简单方便，易于实现[3-4]。

图1 组合级联式大功率储能变流器Fig.1 Cascade large-scale ESS converter

这种系统结构的优势是：(1)真正实现集中式大功率储能，采用10～12个H桥级联接入10 kV电网，功率可达1～10 MW；采用38～42个H桥级联接入35 kV电网，功率可达30～50 MW，彻底突破了现有开关器件的限制，成为未来储能电站的首选技术；(2)不需变压器，可直接接入10 kV和35 kV高压电网，没有附加的无功损耗；(3)相当于多台变流器并列运行，装置内部采用集中控制，整个系统功率调节范围大，响应速度快，可达ms级，远优于现有的系统调峰调频资源；(4)整个系统可实现四象限运行，既可调节有功功率，也可调节无功功率，既可作为储能系统运行，也可作为SVG(static var generator)无功补偿装置使用，即“一机两用”；(5)多级级联，可带电维护，系统运行的可靠性高；(6)实现了高/低压电气隔离，系统的安全性好；(7)半桥/全桥的DC/DC变换器设计灵活，电压匹配能力强，当电池阵列直流电压在较大范围内波动时,可维持DC/AC直流电压恒定，保证系统正常运行；(8)可适用于多种不同类型电池，包括锂离子电池、铅酸电池、液流电池，甚至淘汰下来的电动汽车动力电池，可实现动力电池的梯次化利用，变废为宝；(9)可在DC/DC变换器的低压侧采用多端口技术，混合接入能量型电池(如磷酸铁锂电池、铅酸电池或全钒液流电池)和功率型电池(如超级电容器)，构成混合储能系统，并采用自适应优化控制策略，让功率型电池承担高频功率波动，让能量型电池承担低频功率波动，既可以有效延长锂电池寿命，又可以提高整个系统的响应速度[5-7]。

3 仿真验证

为了验证本文提出的拓扑结构的有效性和正确性，在matlab/simulink中搭建了一个基于该拓扑结构的储能变流器仿真模型。仿真模型中的DC/DC变换器采用的是双全桥隔离型DC/DC变换器，其具体参数如表1所示。

表1 仿真模型的主要参数
Table 1 Main parameters of simulation model

在该拓扑中，DC/DC变换器负责各个H桥直流侧电压，即DC/DC变换器高压侧直流电压Udca1,Udcan的恒定，DC/DC变换器可采用恒压闭环控制策略。交流侧级联H桥变换器负责有功和无功功率的传输以及控制，因此可以采用常见的PQ解耦的控制策略[3,8]。除此以外，由于该拓扑各个端口低压侧相互独立，这就允许每个端口所接电池的类型和容量可以不同，因此需要对各个电池端口的电池组的荷电状态(state of charge, SOC)进行均衡控制，以确保整个装置的正常运行[5-10]。

图2给出了本文提出的组合级联式大功率储能变流器在当功率指令从反向额定值阶跃至正向额定值时相关工作波形。从图可见，交流侧三相电压保持不变，而三相并网电流在2个周波内就达到了新的稳定工作状态，响应速度较快。H桥直流侧电压在功率指令阶跃变化瞬间会出现一定程度的跌落，但是随即在DC/DC变换器电压闭环的控制作用下重新回到600 V的额定值附近。

4 实验室验证

为了进一步验证本文提出的拓扑结构的正确性和可行性，搭建了一台小功率低压原型机进行实验，如图3所示。原型机中的DC/DC变换器采用的是双半桥隔离型DC/DC变换器，交流侧H桥采用日本三菱公司的智能功率模块PM75B4LA060，DC/DC变换器采用艾赛斯公司的Mosfet IXFX160N30T，其具体参数如表2所示。

图2 组合级联式大功率储能变流器相关工作波形Fig.2 Work waveform of cascade large-scale ESS converter

图3 实验原型机实物图Fig.3 Picture of the test bed

图4给出了实验原型机交流侧稳态运行的相关工作波形。图4(a)为单位功率因数，6 kW额定功率运行下变换器A相输出电压Uca以及三相并网电流的波形。图4(b)、4(c)分别为只吸收无功功率，正、负3 kvar时变换器A相输出电压Uca以及三相并网电流的波形。从图可见，变换器既可调节有功功率，也可调节无功功率，既可作为储能系统运行，也可作为无功补偿装置使用，实现了“一机两用”功能。

图4 实验原型机相关工作波形Fig.4 Work waveform of the test bed

5 示范工程

为了实现该项大功率电池储能技术的工程化应用，从2013年起由北京能源投资集团公司(简称京能)、北京交通大学、北京科锐博润电力电子公司等组成攻关团队，研发1 MW/1 MW·h的大功率储能系统，用于京能集团延庆八达岭30 MW光伏电站的功率调节和并网控制。该项目得到了北京市科学技术委员会(简称北京市科委)的大力支持，列为北京市科技计划项目“光伏并网用统一功率控制装备及直流微网技术研究与示范应用”，并得到了京能集团企业配套资金的支持。

该储能工程项目总体方案如图5所示。30 MW光伏阵列通过0.27 kV/35 kV升压变压器汇入35 kV母线。储能装置通过5 kV/35 kV升压变压器汇入35 kV母线。储能装置与光伏场在35 kV母线上并联后再通过主变压器汇入110 kV母线。光伏场出力具有间歇性和随机性，通过调整储能装置的出力可以平抑光伏场对110 kV母线输出功率的波动。该储能装置的控制策略可以分为3级：系统级、DC/AC级和DC/DC级。

图5 京能30 MW光伏电站和储能系统示意图Fig.5 Jingneng 30 MW PV Station and ESS System

(1) 系统级。这部分包括“光伏电站实时功率监测”、“光伏电站功率预报”和“并网限制要求”等系统级功能。根据光伏电站功率预报值和监测到的实时功率，得到功率预报的误差，再根据并网限制要求(如最大输出功率限制、最大有功功率上升率限制等)，得到储能装置功率给定值Pref[1]。

(2) DC/AC级。这部分包括级联H桥变换器电网电压定向功率解耦控制和各级联H桥单元驱动脉冲生成及其分配[6-7]。

(3) DC/DC级。这部分包括DC/DC输出直流电压恒定控制和各DC/DC变换器移相脉冲的生成及其分配[6]。

在整个项目的研发过程中，由北京交通大学电气工程学院吴俊勇教授领导的科研团队负责新型大功率电池储能变流器的基础理论、拓扑结构和控制策略、建模仿真验证、实验室低压物理模型验证等工作，并指导和协助北京科锐博润公司生产1 MW·h储能变流器。项目组还申请了多项知识产权，其中发明专利2项(申请号：201310088405.0，201610245058.1)。示范工程装置主要参数如表3所示。DC/DC变换器采用隔离型双全桥移相拓扑。DC/DC与DC/AC变换器都采用英飞凌公司的FF200R12KS4型号IGBT。

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

由于厂区实验条件限制，将实际1 MW/1 MW·h工程装置(9级联)拆成3台3级联H桥变换器，分别并入电网进行满功率出厂测试以及验证。目的是验证装置控制策略的正确性和检验功率变换器等硬件设施的完好。图6为实际装置进行厂区测试的测试平台。其中，每个变流柜中包含3台双全桥DC/DC变换器以及3台H桥变换器，完整工程装置应包含总共9个变流柜以实现1 MW的双向功率传输。

出厂测试相关实验结果如图7所示。其中，UaH为10 kV侧电网采集的A相电压；Uca为储能装置实际输出端电压；IaL为1.3 kV侧装置并网电流；IaH为10 kV侧相电流。

从图7(a)可见，Uca为七电平脉冲宽度调制波形，说明变换器采用的是3级联载波移相调制方式。10 kV/1.33 kV变压器为DY11联结组别的变压器，因此高低压侧相电压之间相差30°。IaH和UaH几乎重合，说明储能装置控制并入高压侧电网的功率因数接近1。电流IaL幅值约185 A左右，因此可计算此时储能装置以单位功率因数向10 kV侧输出330 kW的有功功率，三相9级级联实现了1 MW有功功率的双向流动。

图6 示范工程实物照片Fig.6 Pictures of demonstration project

从图7(b)、7(c)可见，当有功指令在0与满功率之间阶跃变化时，储能装置能够迅速做出响应，其低压侧并网电流能够在1个工频周期内达到稳态，响应速度快，动态性能良好，完全能够满足工程实际需求。

6 结 论

MW级大功率大容量储能变流器是建设智能电网和未来储能电站的关键技术，在可再生能源并网、减少弃风弃光、系统调频调峰和需求侧响应等方面有广泛应用，具有战略意义。本文提出了一种MW级大功率大容量储能变流器的拓扑结构及其控制方法，通过理论研究、仿真分析、实验室低压物理模型验证和示范工程等，全面验证了该技术路线的可行性和先进性，达到了工程实用化应用水平，为未来建设MW级乃至数十MW级储能电站奠定了技术基础。

图7 示范工程实物装置的工作波形Fig.7 Work waveform of demonstration project device

感谢北京市科委和京能集团对本项目的大力支持和资助。

致 谢

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苗青(1989) 女，硕士，主要从事储能变流器方面的研究工作。

(编辑 刘文莹)

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

北京市科技计划项目资助项目(D131104002013003)

TM 46

A

1000-7229(2016)08-0045-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.08.007

2016-05-05

吴俊勇(1966)，男，通信作者，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为智能电网、能源互联网、储能技术；

梅东升(1968)，男，高级工程师，主要从事能源投资行业的技术及管理工作；

张巨瑞(1967)，男，高级工程师，从事燃气发电、风电、水电、光伏发电等清洁能源方面的技术管理工作；

郝亮亮(1985)，男，副教授，主要从事电力系统保护与新能源技术相关研究工作；

熊飞(1990)，男，博士生，主要从事储能变流器方面的研究工作；

艾洪克(1989)，女，硕士，主要从事储能变流器方面的研究工作；