电池储能能量转换系统研究综述

2018-09-20王书毅李勇琦彭鹏凌志斌

电气自动化 2018年4期

王书毅，李勇琦, 彭鹏, 凌志斌

(1.上海交通大学电气工程系，上海 200240；2.中国南方电网有限责任公司调峰调频发电公司，广东广州 511400)

0 引言

储能是智能电网的重要组成部分。在电网中应用储能，可以实现电网削峰填谷，提高输变电设备利用率，促进新能源接入、提高电网的安全性和灵活性。根据应用场景的不同，电网对储能容量和响应速度有着不同的需求。电池储能受地理环境影响小,适用面广，因而目前储能工程中以电池储能项目为主[1]。

能量转换系统(Power Conversion System,PCS)是电池储能系统的核心之一。PCS连接电网与电池，实现交流侧和直流侧功率的双向流动。能量转换效率、单机容量、对电池和电网的友好性是其重要技术指标。PCS的拓扑结构和控制策略对上述指标有着至关重要的影响，本文将对不同PCS拓扑结构的特点和适用范围进行分析探讨，并总结电池储能PCS的技术发展方向。

1 两电平PCS

两电平储能系统PCS采用的AC/DC双向变流器的交流测输出电压为双电平，再通过滤波器和变压器与电网连接。

两电平结构的主要优势在于：拓扑结构简单，上下两桥臂互补输出，实际需要控制的只有两个(半桥模式下)开关管；电路结构中元器件少，系统的通态压降小，整个通态损耗低；结构简单，系统稳定性高，发生意外故障的概率较低。

这种结构也会带来缺点：谐波含量较高，波形较差，增加滤波成本[2]；直流侧存在电流波纹，对电池寿命有潜在影响；相对三电平和多电平PCS，两电平PCS需要更高的开关频率才能达到同样的THD指标，因此开关损耗更高，运行成本反而在三电平结构之上[3]；受制于电池串联数量，两电平PCS并网电压较低，单机或单模块容量介于数十千瓦至数百千瓦之间，适用于低压配网应用储能应用。

为改善两电平PCS交流侧电能质量，通常通过串联滤波器实现。常用的滤波器有L滤波器、LC滤波器和LCL滤波器。相同滤波效果下，LCL滤波器的电感值远小于L滤波器的电感值，因此体积小、成本低。但滤波器阶数的提高也使得滤波器中电容电感数值的确定也更加困难，在运行时要注意可能出现的谐振现象，具有较大控制难度。

两电平拓扑结构在直流侧有较大的电流波纹，针对这个问题，有许多文献进行了研究，通常采取无源滤波、有源滤波和串联DC/DC变流器三种方法解决。

文献[4]提出一种基于耦合变压器的直流有源滤波电路。在该拓扑结构下，由开关引起的高频分量可以由LC串联谐振电路滤除；有源电力滤波器DC-APF检测并滤除低频分量。但是，有源滤波器也存在通带范围受有源器件的带宽限制和可靠性不高的问题，在实际应用中受到一定限制。文献[5]验证了串联一个DC/DC变换器来滤除波纹的可行性，该文采用传统的双级式两电平拓扑结构，DC/DC变换器使用直流侧电容电压与电池端口电流双闭环的控制方法，有效滤除了电池侧谐波，并在仿真和试验中验证了该控制方法。需要注意的是，串联DC/DC变换器对系统的效率有明显的影响。

随着两电平PCS技术的不断成熟，在电池友好和电网友好方面的问题会得到妥善处理。然而随着储能系统容量要求的不断提高，在未来，两电平PCS的单机容量限制会成为新的问题。这个问题将会严重限制两电平结构在大容量储能系统中的运用。

2 三电平PCS

三电平PCS可实现容量较两电平PCS大，可达兆瓦级。

典型的三电平结构有二极管钳位(Neutral Point-Clamped,NPC)三电平、T型三电平和飞跨电容型三电平。各自拓扑结构如图1所示。

图1 三电平逆变器各拓扑结构

相对两电平拓扑，三电平拓扑在多个方面具有优势：某些三电平结构使用多个开关管串联，使得单个开关管承受的电压被均分，在直流侧电压可以采用更高的电压；相同THD要求下，三电平的开关频率可明显低于两电平结构，能有效降低开关损耗，提高PCS效率；相同开关频率下，三电平的输出谐波含量明显少于两电平结构，这有利于减小滤波电感，减少系统体积、质量和成本；器件承受的电压压力小，dv/dt小，有助于减少电子开关器件产生的电磁干扰，提高系统的稳定性。

当然，有利必有弊。三电平的不足之处在于：更多的功率器件使得通态压降升高，增加了通态损耗，不利于PCS效率；多一个输出电平在增加控制灵活性的同时也使得控制更加复杂，设计难度加大。

三电平逆变器结构在运行状态下，由于电流会流过两个分压电容，如果控制方法不当或者电力器件不一致导致电荷在一个电容上累计，就会出现中性点电压偏移的现象，该问题体现在大容量电池储能系统上就表现为导致直流侧上下两个电池组荷电状态和电压不均衡。如何克服由于功率器件、控制脉冲等的不一致性和开关状态分配不合理导致的中性点偏移是一直是三电平PCS在实际应用中的难点与研究热点。

文献[6]在T型三电平电路中增加了一个均压桥臂强行对中点电压进行平衡。也有文献从控制方法入手，解决中性点偏移问题。文献[7-8]在T型三电平的传统空间矢量调制控制中增加了中性点平衡算法来实现中性点电压均衡，并通过试验验证了新型控制方法对中性点电压控制的可行性。

文献[9]研究了二极管钳位型三电平电路(NPC)在实际运用中的中性点偏移问题。该文献提出并验证了基于空间矢量调制的控制方法减少中性点的偏移，文章列出了在空间矢量调制中影响中性点偏移的控制矢量，并分析了各个控制矢量状态下中性点流过的电流，通过合理的开关搭配令一个控制周期内中性点流过的总电流为零，来保证中性点电压的稳定。

三电平PCS在储能系统中的表现相较两电平PCS更胜一筹，但是同样受制于电池串联技术，单机容量难以进一步增大，运用场合被限制在中小型储能变电站。

3 多电平PCS

构建适合于超大容量要求(兆瓦级到数十兆瓦级)的电池储能结构，打破电池串联的限制是关键，一种模块化多电平PCS结构可以有效减小电池串联规模。

多电平电池储能系统分为级联H 桥电池储能系统(Cascaded H Bridge Based Battery Energy Storage System,CHB-BESS)和模块化多电平电池储能系统(Modular Multilevel Converter Based Battery Energy Storage System，MMC-BESS)两种。

CHB-BESS的PCS拓扑结构如图2所示。

图2 CHB典型拓扑结构

通过功率单元的串联，CHB-BESS可方便地得到高电压，无须升压变压器即可实现高压并网，整体效率高；由于避免了电池直接串联，在扩大系统容量的同时不会增加电池短板效应；CHB-BESS的功率单元有着相同的拓扑结构，可以方便标准化生产和更换；电池荷电状态(State of Charge - SOC)的平衡可以通过协调各个功率单元功率实现，管理更便捷；多电平的输出使得输出波形更加趋近于标准正弦波，降低了对滤波器的要求。

在电池SOC均衡方面，CHB-BESS通过在输入/输出参考功率的基础上产生偏差功率实现相内均衡控制和相间均衡控制。均衡须在输入输出功率的过程中完成，这决定了CHB-BESS只能运行时均衡，故均衡控制的灵活性受到一定的限制。

CHB-BESS的典型应用是南方电网2014年投运的深圳宝清电池储能站2 MW/10 kV无变压器直挂储能系统，额定功率下实测效率98.3%。文献[10-13]对其主电路设计、功率控制和SOC均衡进行了研究，研究表明，无变压器直挂方案减小了损耗，降低了成本，单机容量可达10 MW以上，易于实现储能系统的大容量化。但是整个储能电站对于CHB-BESS系统的模块化结构利用不够完善，没有达成不同批次电池混用。CHB-BESS结构上的优势没有被充分挖掘。

目前对CHB-BESS的研究比较成熟，工程应用也有突破，在未来的大容量储能中有很好的应用前景。但仍存在一些尚未解决的问题，需要继续深入研究：①CHB-BESS无法离线均衡问题;②CHB-BESS的模块化优势并没有得到充分的利用，不同批次电池、不同类型电池混用的电池梯次利用的研究尚未深入展开。

MMC-BESS在规模化电池储能中是非常有前景的拓扑结构。目前MMC-BESS有公共直流母线集中布置和子模块中分散布置两种形式。图3所示为储能电池集中布置和分散接入的MMC-BESS拓扑结构。

图3 典型MMC-BESS的PCS拓扑结构图

储能电池集中布置的MMC-BESS中，由于没有采用模块化结构隔离电池，随着容量增大，电池短板效应对储能系统影响较大，模块化拓扑结构的优势没有得到体现。文献[14-15]分析对比了MMC-BESS公共直流母线直接集中布置储能电池、MMC-BESS分散布置储能电池、以及CHB-BESS的性能，仿真结果显示MMC-BESS分散布置储能电池效率最优，CHB-BESS效率次之，MMC-BESS公共直流母线上直接集中布置储能电池效率最低。在电池储能系统中，分散布置的MMC-BESS成为首选拓扑。

MMC-BESS具有直流侧、交流侧和电池侧三个端口，通过控制可以使得能量在三个端口间流动， MMC-BESS系统不仅可以实现新能源侧与交流接口能量的互相传输，也可以在电池的参与下，对交流接口或者直流接口中的任何一方的能量进行补充或者分流，由此构成12种工作模式[16]。这使得MMC-BESS除了实现储能电站的常规功能以外，还可以起到交直流互联和功率缓冲的作用。

作为新的电池储能拓扑结构，MMC-BESS在调制技术方面尚需要进一步研究完善，现有研究主要包括但不限于电压控制、功率平衡控制、储能单元的控制等方面。文献[17]对MMC-BESS的功率控制、模块均衡、桥臂均衡、相间均衡，以及均衡增益的限制进行了理论分析和仿真，其采用的均衡控制原理与CHB-BESS的均衡相同。文献[18]对两级式MMC-BESS的调制、功率控制、电池均衡和冗余控制进行了研究。其均衡功能利用子模块的冗余功能来实现，对SOC最大的子模块冗余退出充电，对SOC最小的子模块冗余退出放电，从而实现SOC的均衡。文献[19]对MMC-BESS的调制，相间均衡，功率控制策略进行了研究，其相间均衡利用公共直流母线的环流控制实现。文献[20]则基于全桥和半桥混合MMC-BESS研究了公共直流母线故障时的运行控制并在实验室进行了验证。

未来储能系统对于PCS的可靠性要求愈加严苛。在电池生产满足六西格玛质量管理规范的情况下，不合格率为3.47×10-4%。据此计算出电池储能系统故障率与电池数量的关系如表1所示。

表1 电池数量与系统故障率关系

由于电池储能系统所需电池数量众多，对于一个采用1万只单体电池的储能系统，其电池故障率将达到3.41%，如此高的故障率在实际应用中是不可接受的。因此可实现故障冗余的拓扑结构对于电池储能系统具有特别的现实意义。

模块化形式的CHB-BESS和储能电池分散布置的MMC-BESS中，电池分散布置到每个功率单元中，通过设置冗余功率单元，可以极大地提高储能系统的可靠性。文献[21-22]分别在单一种类模块和多种模块混用的情况下对PCS的可靠性进行建模并量化计算。以化整为零的思路，从器件可靠性到模块可靠性，再推算出整个系统的可靠性，并计算冗余结构的价值。计算结果表明，对于单相12个模块的MMC结构，若以我国主要输电设施可靠寿命指标作为参考，在两个冗余模块的情况下，其可靠性与220 kV变压器相当，三相可靠性均优于架空线平均水平。

无论是CHB-BESS，还是MMC-BESS，其共同的特点是以模块的形式隔离了电池特性的差异，这减弱了电池储能应用中短板效应。一方面，通过模块的交流测串联可以提高直流侧电压等级和扩容；另一方面，由于避免了大量电池直接串联，也使得不同批次，甚至是不同类型电池的混用成为可能。目前CHB-BESS已经实际投运，而MMC-BESS虽然尚处于初步的研究阶段，但是其结构优势必将成为未来电池储能的主要拓扑结构。今后对CHB-BESS和MMC-BESS的研究应着重在两个方面：①适合多电平结构功率均衡控制算法，在传统的直流侧交流测转换同时，注意模块之间的平衡；②研究电池梯次利用及其配套的电池分布方式和控制方法，以进一步降低电池储能成本。

对于第二点，要实现在子模块层次上实现电池的梯次利用和混用，主要需要解决的是电池的差异给BESS带来的内部差异性和BESS间差异性的问题。具体需要解决的问题包括以下两点：

(1)BESS常不可避免地需要进行并联运行。并联运行的不同厂家的BESS之间在模块数量、主电路参数、控制策略和PWM时序等方面均可能存在差异，导致并联运行的两台或多台BESS之间产生的直流、工频进而高频环流，影响系统的正常运行。

(2)电池梯次利用和混用的BESS的子模块电池的离散型大，运行中出现较大SOC差异的可能性大。由此对BESS的均衡能力提出了更高的要求，同时也需要对均衡能力的边界有定量的掌握以指导储能系统设计。