大容量电池储能系统PCS拓扑结构研究

李战鹰，胡玉峰，吴俊阳

（南方电网科学研究院，广州510080）

　　摘要：适应风力、光伏等新能源的发展，大容量电池储能系统研发十分必要，而能量转换系统PCS是电池储能系统的一个重要组成部分。为此介绍了两种主要的PCS拓扑结构，并对研究争议较大的DC/DC环节的结构、特点进行了比较分析，结论为：含DC/DC、DC/AC环节的PCS装置的电池储能系统适合于配合新能源的接入；隔离型或非隔离型DC/DC变流器各有优缺点，可视具体情况加以选择；各种复合型DC/DC的拓扑结构的特性及应用研究是大容量PCS装置研发的重要方向。 

　　风能、太阳能等间歇式电源并网及输配技术是目前能源领域的优先发展主题之一[1]。与此相应，电池储能系统的应用引起了广泛关注[2-3]。电池储能系统的一个重要组成部分就是基于PWM技术的电压源型逆变器——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、对网侧负荷功率的跟踪、对电池储能系统充放电功率的控制、对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。

　　进入20世纪90年代，新型电力电子器件，如绝缘栅双极型晶体管（insolated gate bpolar transis-tor，IGBT）、集成门极换流型晶闸管（integrated gate commutated thyristor，IGCT）等的发展及性能的提 高以及计算机技术的发展，使得高电压、大功率PCS装置的生产及应用成为现实。研究其在各种应用条件下的最佳拓扑结构、组合方式以及控制算法，对减小PCS装置整体损耗、提高可靠性以及形成更加方便和高效的模块化结构具有重要的意义和工程实用价值[4-6]。

　　目前高压大容量PCS装置不像低压小容量PCS装置那样具有较成熟的一致性的主电路拓扑结构。限于功率器件的电压耐量和高压使用条件的矛盾，不同设备制造厂家的PCS装置采用不同的功率器件和不同的主电路拓扑结构，以适应不同的电压等级和满足各种不同的应用需求。因而有必要从满足电网运行要求的角度对各种PCS装置的拓扑结构进行深入分析比较。

　　1仅含DC/AC环节的PCS

　　图1所示为经仅含DC/AC环节PCS直接并网的电池储能系统并网拓扑结构。

　　这种结构中，PWM变换器的输出部分接有升压变压器，以便其电压与所并联的交流网络电压相匹配，同时起到将电池储能系统与外部系统的电气隔离作用。蓄电池系统充电时，PWM变换器工作在整流器状态，将系统侧交流电转换为直流电，将能量储存在蓄电池中；放电时PWM变换器工作在逆变器状态，将蓄电池释放的能量由直流转换为交流回馈外部系统[4]。

　　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。

　　2包含DC/DC和DC/AC环节的PCS

　　图2所示给出了一种经含双向DC/DC变换器和PWM变换器的PCS并网电池储能系统拓扑结构[7]。

　　该结构的DC/DC环节主要是进行升、降压变换，从而避免变压器的使用。蓄电池充电时，PWM变换器工作在整流状态，将电网侧交流电压整流为直流电压，该电压经双向DC/DC变换器降压得到蓄电池充电电压；放电时，PWM变换器工作在逆变状态，双向DC/DC变换器升压向逆变器提供直流侧输入侧电压，经逆变器输出合适的交流电压。

　　这种含DC/DC和DC/AC环节拓扑结构的PCS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，使得蓄电池的容量配置更加灵活；适于风电、光伏等波动性比较强的分布式电源的接入 配合，抑制其直接并网可能带来电压波动。主要缺点是多了DC/DC环节，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还有待研究。

　　3DC/DC环节的拓扑结构

　　3.1隔离型DC/DC的拓扑结构

　　以往的双向DC/DC换流器的研究主要针对双向隔离型DC/DC换流器的拓扑结构的改进及控制策略的研究。双向隔离型DC/DC变换器主要是桥式、反激式、正激式、推挽式等结构的组合，各有不同特点。隔离型DC/DC变换器通过高频或低频变压器进行升压和隔离，可以实现电网与电池系统或分布式电源之间的电气隔离，不存在对地漏电流，因而更安全。采用低频变压器造价较高、体积较大也噪音较大；而高频变压器的性能对DC/DC环节综合技术指标影响较大。

　　文献[8]比较了各种带隔离的DC/DC变流电路（见表1）。由表可见，各种隔离型的DC/DC环节结构均有各自的优缺点和适用范围，为充分利用各电路的优点、弥补其不足，已有文献对以上各种不同电路组合的复合型DC/DC回路进行了研究[9-14]。文献[9]对变压器匝比不同的正反激组合式DC/DC双向变流器回路进行了仿真研究，克服了反激变压器不易高效率地传输能量的不足[11-12]，验证了减小反激变压器的传输功率比例可以有效提高功率传输 效率。文献[13]介绍了一种适合于低压大电流输入和较大电压传输比的高低压变换的双向DC/DC变换器，低压侧为电流型推挽变换器，高压侧则为全桥变换器。电压源全桥移相式双向DC/DC变换器（见图3）常用于大功率场合[4]，主要优点是控制方法较为简单，且可以通过引入钳位电路、无源谐振电路和饱和电感使全部功率开关管均工作在软开关状态。总的来说，各种隔离型DC/DC拓扑结构的缺点是由于使用变压器漏感传递能量，降低了变换器效率，增加了功率变压器的设计成本[14]。

　　3.2非隔离型DC/DC的拓扑结构

　　非隔离型DC/DC换流器的突出优点是拓扑结构简单、所需元件少、可靠性较高，并且由于少了工频或高频变压器环节，整个PCS系统的效率大为提高，可达97%～98%。从提高能量转换效率的角度来看，非隔离型的DC/DC变换器更适合应用于单纯或配合新能源接入电池储能系统。不足之处是变压比不能太大[15]，且需要通过拓扑结构或控制策略的设计消除共模电流的问题[16-17]。非隔离型DC/DC变换器主要有半桥式、全桥式和Buck-Boost级联型等三种拓扑结构（如图4示）[8]。

　　半桥式双向DC/DC变换器的输出电压与输入电压极性一致，运行电流可以为正或为负。其优点是设计元件数较少，回路简单；缺点是电压利用率低，需要电池侧有较高的电压，整体效率低。 全桥式双向DC/DC变换器可以在任意电压电流极性下工作，即能在4个象限运行。与半桥式DC/DC变换器相比开关器件数量较多，控制回路更为复杂；同样电池电压下，全桥式DC/DC变换器开关承受的电压较低，开关的通态损耗较小。随着IGBT功率器件的采用，全桥式拓扑结构逐步应用于高频大功率双向DC/DC变换器。

　　Buck-Boost级联型双向DC/DC变换器在正向或反向运行时，都能进行升压和降压变换，且其输出电压和输入电压极性相同。级联型双向DC/DC变换器控制简单，容易实现模块化。级联应用时需要与多个独立的直流电压源模块配合。

　　由于目前单个电力电子器件的电流定额远不能满足大功率DC/DC变换器的要求，多重化DC/DC变换器成为非隔离型DC/DC的重要研究和发展方向[18]。多重化DC/DC变换器可以减少电流纹波及其谐波，进而减小滤波器的体积和重量；其各单元变换电路互为备用，提高了变换器的总体可靠性；提高了等效开关频率，改善了系统的动态性能。

　　4 结论

　　1）与仅含DC/AC环节PCS装置的电池储能系统相比，含DC/DC、DC/AC环节的PCS装置的电池储能系统，其电池组的配置更灵活，对电池的充放电管理更准确、可靠，更适于配合新能源的接入。

　　2）隔离型或非隔离型DC/DC变流器各有优缺点，可根据各国对大容量电池储能系统并网的具体规定选择隔离型或非隔离型DC/DC环节。

　　3）各种复合型DC/DC的拓扑结构的特性及应用研究是大容量PCS装置研发的重要方向。

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