储能双向变流器主电路参数及应用

　　什么是储能变流器

　　储能变流器（Power Control System——PCS）可控制蓄电池的充电和放电过程，进行交直流的变换，在无电网情况下可以直接为交流负荷供电。PCS 由 DC/AC 双向变流器、控制单元等构成。PCS 控制器通过通讯接收后台控制指令，根据功率指令的符号及大小控制变流器对电池进行充电或放电，实现对电网有功功率及无功功率的调节。 PCS 控制器通过 CAN 接口与 BMS 通讯，获取电池组状态信息，可实现对电池的保护性充放电，确保电池运行安全。

　　储能变流器（PCS）可控制蓄电池的充电和放电过程，进行交直流的变换，在无电网情况下可以直接为交流负荷供电。PCS 由 DC/AC 双向变流器、控制单元等构成。PCS 控制器通过通讯接收后台控制指令，根据功率指令的符号及大小控制变流器对电池进行充电或放电，实现对电网有功功率及无功功率的调节。 PCS 控制器通过 CAN 接口与 BMS 通讯，获取电池组状态信息，可实现对电池的保护性充放电，确保电池运行安全。

　　储能双向变流器工作原理

　　主电路拓扑

　　储能双向变流器主电路结构有两种类型：一是采用三相全桥电路的一级变换拓扑结构;二是采用两级变换拓扑结构，即前级采用三相全桥电路，后级采用DCDC斩波电路。一级变换拓扑结构成本较低、效率高、控制策略简单，多台变流器离网并联运行更容易实现，本文在三柑全桥电路直流侧增加CIL滤波器，叮以有效降低电池侧纹被要求。

　　PCS储能变流装置原理柩图如图1所示。

　　主电路采用三相全桥电路，交流侧设置LCL滤波器、主接触器、EMI滤波器、预充电电路、主断路器，直流侧设置CL滤波器、直流输出单元（含EMI滤波器、预充电电路、直流断路器）。交流侧可通过隔离变压器接人低压或中压配电网，直流侧连接多组电池组。

　　

　　绝缘栅双极型品体管（IGBT）变流器模块可四象限运行，当电池充电时，将网侧交流电整流成直流电给蓄电池充电;当电池放电时，将直流电逆变成交流回馈到电网，充电和放电之间的转换可在200 ms 内实现。

　　交流输人采用L.CI.型（或T型）滤波，可将变流器开关频率成分的高频谐波滤除，直流侧采用CL滤波器滤除高频成分的电流电压谐波，抑制高频纹波。

　　主电路参数

　　LCL滤波器参数设计

　　主电路滤波器在并网变流器中起着重要的作用，可将逆变器桥中产生的开关脉冲电压、电流转变成连续的模拟量。并网变流器的滤波器包括交流侧和直流侧两部分。交流侧LCI.滤波器具有比单电感滤波器更好的性能，能够兼顾低频段增益和高频段衰减，作为三阶对象，LCL滤波器需要确定两个电感量、一个电容量，这增加了设计难度。

　　在滤波器的设计过程中，除了考虑高频开关纹波电流的滤波效果，滤波电感不仅造成电压损失，而且对滤波器的体积、重量具有决定性影响，要对电感量进行严格控制。LCL滤波器的基本原理是滤波电容和网侧电感对高频电流进行分流，因此必须保证分流效果习。

　　LCL.滤波器设计原则如下。

　　（1） 总电感（L1+L2）：总电感要考虑直流电压和逆变交流电压关系，并需要考虑传递函数中，开关频率附近的衰减;一般开关频率附件衰减应不大于一10 dB。

　　（2） 网侧电感（L2）：在总电感量不变情况下，通过理论分析得到，当网侧电感和逆变器电感比例为1:1时滤波效果最好，网侧电感增大，则变流器电压损失增大、降低滤波器的低频段增益，并且增加体积、重量和成本。一般选取网侧电感为逆变器电感的1/3左右。

　　（3） 滤波电容（C）：考虑到网侧电感与滤波电容的分流效果，一般选取滤波电容阻抗小于20%网侧电感阻抗;另外考虑到功率因数问题，滤波电容的功率小于系统额定功率的5%;

　　（4） 为了避免LCL谐振峰问题，应该大于电网频率的10倍，小于开VL//L2.C关频率的一半。

　　直流侧电感参数设计

　　直流侧电感的设计原则主要考虑以下两方面。

　　（1） 根据充放电转换时间，由于交流侧电流环动态特性远大于直流侧CL动态响应时间，因此充放电转换时间主要取决于直流侧CL滤波器的时间常数。

　　（2） 直流母线电压波动产生直流电流的波动，根据纹波要求可以计算出直流电感值。根据以上计算原则，可以得出直流侧电感的参数，考虑直流侧存在的3次、5 次、7次谐波，因此将CL 谐振峰设计到70 HZ 左右。

　　应用：储能装置数学模型

　　基于I.CI 滤波器的PCS主电路拓扑结构如

　　图3所示。图3中，Ug、Ub、Uc 为三相桥臂输出电压为逆变桥侧滤波电感电流，为交流滤波电容电压;为交流滤波电容电流;为电网电压为网侧滤波电感电流;U为直流母线电压;Is为直流母线电流;Iu为直流电池侧输人/输出电流;Q.为电网中点;Qc 为交流电容中点;P、N为直流母线正、负极。

　　

　　图3 中所示开关元件视为理想元件。Sg、Sa、Sb。为三相桥臂开关函数，1代表上管开通，下管关断，0代表上管关断、下管开通。如果忽略电阻R1 和R2，根据基尔霍夫电压、电流定律可以得到如下方程，逆变桥侧电感L1通过的电流L1 满足：

　　

　　由于在三相三线系统中，三相电压、电流并不是独立变量，难以直接控制，故可以采用两相同步旋转dq坐标系对系统进行描述，以简化并网变流器模型。从ABC坐标系到dq 坐标系的变换

　　矩阵为：

　　

　　将式（6）（7）（8）和（9）进行普拉斯变换，可得基于LCL的PCS主电路在dq坐标下的s域数学模型框图如图4所示。