儲能系統(tǒng)中的PCS技術

PCS是電池儲能系統(tǒng)中的核心部件，可以實現(xiàn)電池與電網間的直接轉換，完成兩者間的雙向能量流動，并通過控制策略實現(xiàn)對電池的充放電管理、電側負荷功率的跟蹤、電池儲能系統(tǒng)充放電功率的控制和正常及孤島運行方式下網側電壓的控制。

1 變流器拓撲結構

1.1 DC/DC+DC/AC

(1)運行方式：雙向DC/DC環(huán)節(jié)主要進行升、降壓變換，提供穩(wěn)定直流。儲能電池充電時，雙向DC/AC變流器工作在整流狀態(tài)，將電網測交流電壓整流為直流電壓，該電壓進過DC/DC變流器降壓得到儲能電池充電電壓。儲能電池放電時，雙向DC/AC變流器工作在逆變狀態(tài)，雙向DC/DC變流器升壓向DC/AC變流器提供直流側輸入電壓，經變流器輸出合適的交流電壓。

(2)優(yōu)點：適應性強，可實現(xiàn)對多串多并的電池模塊的充放電。缺點：多了DC/DC環(huán)節(jié)，整個PCS系統(tǒng)的轉換效率降低。

(3)常見的轉換形式及其拓撲圖：

圖4-1 僅含DC/DC變流器拓撲圖

圖4-2 直流共側DC/DC變流器拓撲圖

圖4-3 交流共側DC/DC變流器拓撲圖

相比常規(guī)的結構，直流共側系統(tǒng)及交流共側系統(tǒng)，可采用模塊化連接方式

1.2 DC/AC

(1)運行方式：儲能電池經過串并聯(lián)后，直接連接DC/AC的直流端。儲能電池系統(tǒng)充電時，雙向DC/AC變流器工作在整流狀態(tài)，將系統(tǒng)側交流電轉化為直流電，將能量儲存在儲能電池中。放電時，雙向儲能變流器工作在逆變狀態(tài)，將儲能電池釋放的能量由直流變成交流電。

(2)特點：適用于電網中分布式獨立電源并網，結構簡單。PCS環(huán)節(jié)能耗相對較低。缺點：系統(tǒng)體積大、造價高，儲能系統(tǒng)的容量選擇缺乏靈活性，電網側發(fā)生短路故障可能在PCS直流側產生短時大電流，對電池生產較大沖擊。

(3)僅含DC/AC環(huán)節(jié)的PCS拓撲圖如圖4-4所示：

圖4-4 僅含DC/AC變流器拓撲圖

(4)包含DC/AC環(huán)節(jié)的PCS拓撲圖如圖4-5所示，這種拓撲結構的擴容方式是，多組電池組分別經過各自的DC/AC環(huán)節(jié)后再并聯(lián)，并聯(lián)后濾波并網。

這種拓撲結構的優(yōu)點是：采用模塊化連接方式，配置更加靈活。當個別電池系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，電池系統(tǒng)還能繼續(xù)工作。但這種結構存在電力電子器件增多，控制系統(tǒng)設計復雜等不足之處。

圖4-5 包含DC/AC環(huán)節(jié)的PCS拓撲圖

1.3 Z-源+DC/AC

(1)運行方式：加入阻抗網絡，允許出現(xiàn)兩個IGBT同時導通情況。在直通情況下，Z-源網絡中的電感被充電;在非直通狀態(tài)下，電感中的能量被釋放。含Z-源網絡的逆變器就是通過給橋臂加入直通狀態(tài)，使直通狀態(tài)和非直通狀態(tài)按預設的升壓調制方式交替出現(xiàn)來實現(xiàn)直流鏈電壓泵升的。

(2)特點：

1)升壓電路少，原理簡單，控制方便，不需要額外的開關管;

2)升降壓比高，使儲能電池容量選擇范圍寬泛;

3)消除了由死區(qū)帶來的輸出電壓波形畸變。

(3)Z-源+DC/AC拓撲圖

圖4-6 Z-源+DC/AC

1.4 級聯(lián)型H橋

級聯(lián)型H橋變流器由若干個功率單元組成，電池組連接到功率單元兩端，如圖4-7所示。每個功率單元中有兩對開關狀態(tài)互補的開關，每對互補開關的動作將導致該相的輸出電壓上升或下降一個單元直流母線電壓。通過合理選擇產生上升和下降沿的開關組合，即可完成不同開關間的輪回。

圖4-7a Y 型接法

圖4-7b △型接法

2 濾波器

常見的濾波器有：L型濾波器、LC型濾波器、LCL型濾波器。

2.1 L型濾波器

(1)單電感L型濾波器的結構簡單，并網電流控制容易，但其高頻濾波特性差，不合適開關頻率較低的應用場合。典型的并網逆變器通過串聯(lián)電感濾波器，來衰減輸出電流的開關頻率諧波分量，但在低開關頻率的大功率并網逆變器中，采用電感濾波器需較大的電感量，電感值的增加不但提高了成本，且不利于逆變器的控制。

(2)L型濾波器拓撲圖：

圖4-8 L型濾波器拓撲圖

2.2 LC型濾波器

(1)LC型濾波器的優(yōu)點是成本低、插入損耗小。不足是當工作頻率較低時，所需要的電感和電容數(shù)值都很大，使得濾波器的體積和重量大，不易集成化。工作頻率較高時，小電感不易制作，且分布參數(shù)影響難估計，調整困難。

(2)LC型濾波器拓撲圖：

圖4-9 LC型濾波器拓撲圖

2.3 LCL型濾波器

(1)LCL型濾波器的高頻衰減特性好，但其濾波元件參數(shù)設計及并網電流控制策略較為復雜。LCL型濾波為三階系統(tǒng)，具有更好的高頻衰減特性，對高頻分量呈高阻狀態(tài)，要達到相同的濾波效果，LCL型濾波器總電感量比L型小得多，但作為三階系統(tǒng)，LCL型濾波需要確定兩個電感量，一個電容，增加了設計難度，而且LCL型濾波還帶有諧振問題，控制回路設計比較復雜。

(2)LCL型濾波器拓撲圖：

圖4-10 LCL型濾波器拓撲圖

3 最優(yōu)設計拓撲結構

變流器：隨著電池技術的發(fā)展，僅依靠電池串并聯(lián)可達到穩(wěn)定的功率及容量，故DC/AC結構可省去DC/DC環(huán)節(jié)，不僅減少元器件，也可使控制變得簡單。Z-源網絡變流器，允許逆變橋上下管直通狀態(tài)，省去死區(qū)環(huán)節(jié)，提高變流器安全性及可靠性，提高輸出波形質量。

濾波器：LCL型濾波器在高頻段具有較快的衰減特性，可很好地抑制諧波，從而有效降低電感值，在大功率場合可相對的減小系統(tǒng)的體積和成本，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，并且受電網的影響較小。

3.1 DC/AC+LCL濾波

圖4-11 DC/AC+LCL型濾波器拓撲圖

3.2 Z-源網絡+LCL濾波

圖4-12 Z-源網絡+LCL型濾波器拓撲圖

4 國內品牌PCS拓撲結構

4.1 陽光電源

陽光電源采用DC/AC拓撲結構，如下圖4-13所示：

圖4-13 陽光電源交流PCS拓撲圖

4.2 上能電氣

上能電氣采用DC/AC+LCL濾波器拓撲結構和DC/AC+LC濾波器拓撲結構，如下圖4-14、4-15所示：

圖 4-14 上能電氣交流 PCS 拓撲圖(RC 型)

圖4-15 上能電氣交流PCS拓撲圖(RH型)

4.3盛弘股份

盛弘股份采用DC/AC拓撲結構，如下圖4-16所示：

圖4-16 盛弘股份交流PCS拓撲圖

5控制方法

主要的控制方法有：滯環(huán)控制、無差拍控制、滑塊控制、重復控制、模糊控制