三重化两级式电池储能PCS变流器拓扑结构研究

林小峰，崔志美，宋春宁，黄清宝

（广西大学电气工程学院，广西 南宁530004）

0 引言

近年来随着分布式能源发电的飞速发展，包含风力、光伏、生物质等新型能源的利用率迅猛提高，但是这些新型能源在发电过程中有着较大的随机性与间歇性，当下新能源发电的并网标准日趋严格，基本上都要求新能源分布式发电系统需要具有抵抗电网暂态扰动能力，而储能技术在分布式发电中有很好的“缓冲”作用[1]，能够在电网异常时提供或者吸收多余的能量，可以使本身不具有调度能力的分布式能源在某种程度上具有一定的调度能力，因而其在分布式发电系统与微电网中占有着非常重要的地位。

在各类储能系统中，电池储能有着独特的优势，其储能效率高、响应时间快等[2]，并且技术较为成熟，比如锂电池、铅酸电池和钠硫电池等，锂电池通过串联能够升到直流600 V～1 000 V[3]，而采用锌镍液流电池最多只能够串联到直流200 V，如果采用传统的单级式变流器，相同功率条件下，变流器将处于低电压大电流运行状态，系统损耗较高并且会大大降低开关管的使用寿命，综上所述，电池的充放电的多样性要求相应的能量转换系统具有一定的灵活性，才能够使之能够满足不同性能的储能电池满足并网要求[4]。

为了改变储能变流器（Power Control System，PCS）正常运行时的低电压高电流运行状态，降低系统运行损耗，本文在DC-AC逆变器的DC端背靠背加上DC-DC变流器，结构如图2所示，通过DC-DC环节提高直流母线电压，不再需要交流侧变压器进行升压；与此同时加入DC-DC环节后，能够避免电池充放电时电池电压波动对母线电压的干扰，进而能够使得不同类型的电池储能结构满足并网需求，如果对DC-DC环节再进行多重化设计，可以进一步降低电池充放电电流纹波。

1 单级式双向电池储能变流器拓扑结构

较为简单的电池双向储能系统架构如图1所示，其包含了电池组和相应的双向DC-AC变流器。如果要求电气隔离或者升压，则需要在网侧串联接入并网变压器。单级式储能双向变流器的拓扑结构如图所示，仅有一个双向的DC-AC变流器环节构成，即双向PWM整流器。电池储能系统充电时，双向DC-AC变流器工作在整流器状态，将电网侧的流电转换为直流电，并储存在电池中；电池储能系统放电时，双向PWM变流器工作在逆变状态，将储能电池储存的电能由直流转换为符合并网条件的交流电并回馈电网。变流器的额定功率由单位功率因数运行时的电流来确定，而电流水平则取决于所接入的电池组在单位功率因数运行时的电压。

图1 单级式双向电池储能变流器拓扑结构

单级式拓扑虽然有结构简单、容易控制、效率高等优点，但在实际应用中，双向DC-AC变流器正常工作时需要直流侧有较高且稳定的电压，这必然限制系统容量配置的灵活性和电池侧电压的工作范围；还有就是储能电池大数量的串并联，不仅不易调整，而且需要解决储能电池均流、一致性等问题，这无疑就增加了系统成本和控制难度，并且并网侧所需要添加的变压器使得整个储能系统比较笨重且占地面积较大。

2 两级式电池储能PCS拓扑结构

集成的背对背两级PCS转换器的主要拓扑如图2所示，由DC-AC双向逆变部分，DC-DC双向变流器部分，网侧LCL滤波部分以及电池侧LC滤波部分组成，其中DC-DC变流器与DC-AC逆变器背靠背连接，DC-DC部分由降压斩波电路和升压斩波电路反向并联组成，由于采用的是半桥臂结构，故而能够实现单向的升降压变换，即从直流母线到电池侧为通过开关管T′a1的降压模式，从电池侧到直流母线为通过开关管T′a2升压模式 ，由于双向DC-DC变流器能够通过调节占空比改变电池侧电压，并且能够稳定直流母线侧电压，所以这种结构不仅能够满足不同类型的电池组的接入，同时也能够省去交流并网侧的变压器；DC-AC双向逆变器部分采用的是常规的电压型PWM三相全控桥的拓扑结构，其主要作用将直流变为交流进行功率转换。

图2 两级式双向电池储能变流器拓扑结构

当电池组放电时，双向DC-DC工作在升压状态，其功能是为直流母线提供稳定电压，再经过LCL滤波器逆变为正弦波的交流电；当对电池组进行充电时，PM1中的DC-AC工作在整流状态，为直流母线提供恒定的直流电压，双向DC-DC工作在降压模式，为电池组充电提供额定充电电压，从而保证电池组正常充电。

3 三重化两级式PCS变流器拓扑结构

图2中的DC/DC变流器为单相单重斩波电路，其输出的电流脉动幅度相对较大，故而谐波分量较大，如果不对其进行限制，所需的平波电抗器的总重量就会相对较大；并且如果DC/DC变流器中的升压或降压斩波电路发生故障时，将会影响到整个储能系统的正常运行，基于上述原因，本次设计在DC-DC变流器中采用了三相三重化拓扑电路设计，其整体电路结构如图 3 所示，三条支路 T′a、T′b、T′c依次导通，相位差1/3周期，因为电池电流纹波的幅值为三个电流单位可以互相抵消，因此可以大幅度降低总输出电流纹波幅度；此时的电池电流ib为PM2中三组开关管电流之和，其脉动频率是单重DC-DC斩波电路的3倍，故而谐波含量会显著降低，同时由图3可以看出，PM2中的三路双向DC-DC电路单元能够起到相互备用的作用，如果其中一路单元发生故障时另外两路能够继续保持正常运行，能够有效整个储能系统运行的可靠性。

图3 三重化两级式电池储能PCS变流器拓扑结构

4 三重化两级式PCS充放电仿真分析

在Matlab/Simulink平台上构建系统的仿真模型，仿真所用时长为0.35 s，仿真所用主要参数有：系统额定功率为50 KVA，网侧电压380 V，电池组电压为400 V，其内阻设为0.1 Ω，直流母线电压800 V，仿真过程中，在0.02 s时闭合PCS并网侧开关，0.1 s时电池的参考电流跳变至100 A，电池处于充电状态；在0.2 s的时候将电池的参考电流跳变至负的100 A，此时电池处于放电状态。

图4与图5分别为电池电流与电感电流以及相应放大的波形，可以看出由于采用了三重化的DC-DC环节的120°错相消除效应，电池电流纹波相比电感电流纹波相对已经降低，相应的开关损耗也会随之降低，实现了预期的目的。

图4 电池电流与电感电流

图5 电池电流与电感电流（放大）

5 结束语

在单级式双向储能变流器的基础之上提出了两级式双向储能变流器拓扑结构，对直流侧进行了三重化处理并进行了仿真分析，由仿真结果可以得出三重化结构有效地降低了储能电池充放电的电流纹波，使得整个储能系统的性能得到了有效的提升。