三重化兩級式電池儲能PCS變流器拓撲結構研究

林小峰，崔志美，宋春寧，黃清寶

（廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧530004）

0 引言

近年來隨著分布式能源發(fā)電的飛速發(fā)展，包含風力、光伏、生物質等新型能源的利用率迅猛提高，但是這些新型能源在發(fā)電過程中有著較大的隨機性與間歇性，當下新能源發(fā)電的并網(wǎng)標準日趨嚴格，基本上都要求新能源分布式發(fā)電系統(tǒng)需要具有抵抗電網(wǎng)暫態(tài)擾動能力，而儲能技術在分布式發(fā)電中有很好的“緩沖”作用[1]，能夠在電網(wǎng)異常時提供或者吸收多余的能量，可以使本身不具有調度能力的分布式能源在某種程度上具有一定的調度能力，因而其在分布式發(fā)電系統(tǒng)與微電網(wǎng)中占有著非常重要的地位。

在各類儲能系統(tǒng)中，電池儲能有著獨特的優(yōu)勢，其儲能效率高、響應時間快等[2]，并且技術較為成熟，比如鋰電池、鉛酸電池和鈉硫電池等，鋰電池通過串聯(lián)能夠升到直流600 V～1 000 V[3]，而采用鋅鎳液流電池最多只能夠串聯(lián)到直流200 V，如果采用傳統(tǒng)的單級式變流器，相同功率條件下，變流器將處于低電壓大電流運行狀態(tài)，系統(tǒng)損耗較高并且會大大降低開關管的使用壽命，綜上所述，電池的充放電的多樣性要求相應的能量轉換系統(tǒng)具有一定的靈活性，才能夠使之能夠滿足不同性能的儲能電池滿足并網(wǎng)要求[4]。

為了改變儲能變流器（Power Control System，PCS）正常運行時的低電壓高電流運行狀態(tài)，降低系統(tǒng)運行損耗，本文在DC-AC逆變器的DC端背靠背加上DC-DC變流器，結構如圖2所示，通過DC-DC環(huán)節(jié)提高直流母線電壓，不再需要交流側變壓器進行升壓；與此同時加入DC-DC環(huán)節(jié)后，能夠避免電池充放電時電池電壓波動對母線電壓的干擾，進而能夠使得不同類型的電池儲能結構滿足并網(wǎng)需求，如果對DC-DC環(huán)節(jié)再進行多重化設計，可以進一步降低電池充放電電流紋波。

1 單級式雙向電池儲能變流器拓撲結構

較為簡單的電池雙向儲能系統(tǒng)架構如圖1所示，其包含了電池組和相應的雙向DC-AC變流器。如果要求電氣隔離或者升壓，則需要在網(wǎng)側串聯(lián)接入并網(wǎng)變壓器。單級式儲能雙向變流器的拓撲結構如圖所示，僅有一個雙向的DC-AC變流器環(huán)節(jié)構成，即雙向PWM整流器。電池儲能系統(tǒng)充電時，雙向DC-AC變流器工作在整流器狀態(tài)，將電網(wǎng)側的流電轉換為直流電，并儲存在電池中；電池儲能系統(tǒng)放電時，雙向PWM變流器工作在逆變狀態(tài)，將儲能電池儲存的電能由直流轉換為符合并網(wǎng)條件的交流電并回饋電網(wǎng)。變流器的額定功率由單位功率因數(shù)運行時的電流來確定，而電流水平則取決于所接入的電池組在單位功率因數(shù)運行時的電壓。

圖1 單級式雙向電池儲能變流器拓撲結構

單級式拓撲雖然有結構簡單、容易控制、效率高等優(yōu)點，但在實際應用中，雙向DC-AC變流器正常工作時需要直流側有較高且穩(wěn)定的電壓，這必然限制系統(tǒng)容量配置的靈活性和電池側電壓的工作范圍；還有就是儲能電池大數(shù)量的串并聯(lián)，不僅不易調整，而且需要解決儲能電池均流、一致性等問題，這無疑就增加了系統(tǒng)成本和控制難度，并且并網(wǎng)側所需要添加的變壓器使得整個儲能系統(tǒng)比較笨重且占地面積較大。

2 兩級式電池儲能PCS拓撲結構

集成的背對背兩級PCS轉換器的主要拓撲如圖2所示，由DC-AC雙向逆變部分，DC-DC雙向變流器部分，網(wǎng)側LCL濾波部分以及電池側LC濾波部分組成，其中DC-DC變流器與DC-AC逆變器背靠背連接，DC-DC部分由降壓斬波電路和升壓斬波電路反向并聯(lián)組成，由于采用的是半橋臂結構，故而能夠實現(xiàn)單向的升降壓變換，即從直流母線到電池側為通過開關管T′a1的降壓模式，從電池側到直流母線為通過開關管T′a2升壓模式 ，由于雙向DC-DC變流器能夠通過調節(jié)占空比改變電池側電壓，并且能夠穩(wěn)定直流母線側電壓，所以這種結構不僅能夠滿足不同類型的電池組的接入，同時也能夠省去交流并網(wǎng)側的變壓器；DC-AC雙向逆變器部分采用的是常規(guī)的電壓型PWM三相全控橋的拓撲結構，其主要作用將直流變?yōu)榻涣鬟M行功率轉換。

圖2 兩級式雙向電池儲能變流器拓撲結構

當電池組放電時，雙向DC-DC工作在升壓狀態(tài)，其功能是為直流母線提供穩(wěn)定電壓，再經過LCL濾波器逆變?yōu)檎也ǖ慕涣麟?；當對電池組進行充電時，PM1中的DC-AC工作在整流狀態(tài)，為直流母線提供恒定的直流電壓，雙向DC-DC工作在降壓模式，為電池組充電提供額定充電電壓，從而保證電池組正常充電。

3 三重化兩級式PCS變流器拓撲結構

圖2中的DC/DC變流器為單相單重斬波電路，其輸出的電流脈動幅度相對較大，故而諧波分量較大，如果不對其進行限制，所需的平波電抗器的總重量就會相對較大；并且如果DC/DC變流器中的升壓或降壓斬波電路發(fā)生故障時，將會影響到整個儲能系統(tǒng)的正常運行，基于上述原因，本次設計在DC-DC變流器中采用了三相三重化拓撲電路設計，其整體電路結構如圖 3 所示，三條支路 T′a、T′b、T′c依次導通，相位差1/3周期，因為電池電流紋波的幅值為三個電流單位可以互相抵消，因此可以大幅度降低總輸出電流紋波幅度；此時的電池電流ib為PM2中三組開關管電流之和，其脈動頻率是單重DC-DC斬波電路的3倍，故而諧波含量會顯著降低，同時由圖3可以看出，PM2中的三路雙向DC-DC電路單元能夠起到相互備用的作用，如果其中一路單元發(fā)生故障時另外兩路能夠繼續(xù)保持正常運行，能夠有效整個儲能系統(tǒng)運行的可靠性。

圖3 三重化兩級式電池儲能PCS變流器拓撲結構

4 三重化兩級式PCS充放電仿真分析

在Matlab/Simulink平臺上構建系統(tǒng)的仿真模型，仿真所用時長為0.35 s，仿真所用主要參數(shù)有：系統(tǒng)額定功率為50 KVA，網(wǎng)側電壓380 V，電池組電壓為400 V，其內阻設為0.1 Ω，直流母線電壓800 V，仿真過程中，在0.02 s時閉合PCS并網(wǎng)側開關，0.1 s時電池的參考電流跳變至100 A，電池處于充電狀態(tài)；在0.2 s的時候將電池的參考電流跳變至負的100 A，此時電池處于放電狀態(tài)。

圖4與圖5分別為電池電流與電感電流以及相應放大的波形，可以看出由于采用了三重化的DC-DC環(huán)節(jié)的120°錯相消除效應，電池電流紋波相比電感電流紋波相對已經降低，相應的開關損耗也會隨之降低，實現(xiàn)了預期的目的。

圖4 電池電流與電感電流

圖5 電池電流與電感電流（放大）

5 結束語

在單級式雙向儲能變流器的基礎之上提出了兩級式雙向儲能變流器拓撲結構，對直流側進行了三重化處理并進行了仿真分析，由仿真結果可以得出三重化結構有效地降低了儲能電池充放電的電流紋波，使得整個儲能系統(tǒng)的性能得到了有效的提升。