基于三电平的大功率储能PCS功率拓扑结构研究

2018-08-07西安特锐德智能充电科技有限公司储能事业部糜晓宇李嘉琨

电子世界 2018年14期

西安特锐德智能充电科技有限公司储能事业部糜晓宇李嘉琨胡煜

1 引言

图1 系统框图

图2 单级非隔离DC/AC功率拓扑图

目前我国风能、太阳能等间歇式能源已成规模化发展。根据发改委能源研究所研究报告显示，未来预计在2030年我国可再生能源规模要达到总能源的20%，在2050年达到50%。所以未来风能、太阳能装机量还会大幅提升。但由于其间歇性、波动性的特点，出现了很多弃风和弃光现象，而大容量电池储能系统能很好的解决该问题。储能系统的一个重要组成部分就是能量变换系统（power conversion system,PCS）。

本文介绍了一种基于三电平的大功率PCS拓扑系统方案。本方案产品可实现储能电池与交流电网之间的双向能量转换，具备有功和无功解耦控制的四象限运行功能；可接收监控系统的控制指令对电池进行充电；能和电池管理系统配合以保障电池的安全；可依据上层管理系统指令执行相应动作，实现对充放电电压和电流的闭环控制。

2 系统拓扑分析

如图1所示，虚线框内的组成部分就是PCS，主要由功率模块单元、配电单元和控制单元构成。功率柜主要包括IGBT模块、母线电容、LCL滤波器等。配电柜主要包括交/直流配电、交/直流接触器、直流软启等。控制器包括检测、反馈、控制等单板。

电池系统充电时，PCS工作在整流状态，将系统侧交流电转换为直流电，能量储存在电池中；电池系统放电时，PCS工作在逆变状态，将电池直流电转换为交流电，能量上传电网或给负载供电。

图3 两级非隔离DC/DC+DC/AC功率拓扑图

图4 两级隔离DC/DC+DC/AC功率拓扑图

3 单级非隔离DC/AC功率拓扑分析（见图2）

这种结构中仅含DC/AC环节，优点是结构简单，功率转换环节少，系统效率高。缺点是系统缺乏灵活性，没有隔离，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。

因三电平结构原因，该拓扑更利于交流侧谐波控制，IGBT开关频率跟高，滤波器体积更小，利于成本降低，同时系统效率较传统两电平更好，系统最大效率能达到99%。

4 两级非隔离DC/AC功率拓扑分析（见图3）

这是一种双向DC/DC加双向DC/AC的两级变换型式的PCS拓扑，由于增加了一级DC/DC变换，所以该拓扑可适应更宽的电池电压范围，而且可用多个DC/DC并联后共直流母线的方式，即电池经DC/DC变换后再并联到直流母线上，从而可提高电池组的颗粒度，减少电池组间环流。缺点是系统没有隔离，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。