深度解析储能系统中的PCS技术

储能系统中的PCS技术

PCS是电池储能系统中的核心部件，可以实现电池与电网间的直接转换，完成两者间的双向能量流动，并通过控制策略实现对电池的充放电管理、电侧负荷功率的跟踪、电池储能系统充放电功率的控制和正常及孤岛运行方式下网侧电压的控制。

1 变流器拓扑结构

1.1 DC/DC+DC/AC

(1)运行方式：双向DC/DC环节主要进行升、降压变换，提供稳定直流。储能电池充电时，双向DC/AC变流器工作在整流状态，将电网测交流电压整流为直流电压，该电压进过DC/DC变流器降压得到储能电池充电电压。储能电池放电时，双向DC/AC变流器工作在逆变状态，双向DC/DC变流器升压向DC/AC变流器提供直流侧输入电压，经变流器输出合适的交流电压。

(2)优点：适应性强，可实现对多串多并的电池模块的充放电。缺点：多了DC/DC环节，整个PCS系统的转换效率降低。

(3)常见的转换形式及其拓扑图：

图4-1 仅含DC/DC变流器拓扑图

图4-2 直流共侧DC/DC变流器拓扑图

图4-3 交流共侧DC/DC变流器拓扑图

相比常规的结构，直流共侧系统及交流共侧系统，可采用模块化连接方式

1.2 DC/AC

(1)运行方式：储能电池经过串并联后，直接连接DC/AC的直流端。储能电池系统充电时，双向DC/AC变流器工作在整流状态，将系统侧交流电转化为直流电，将能量储存在储能电池中。放电时，双向储能变流器工作在逆变状态，将储能电池释放的能量由直流变成交流电。

(2)特点：适用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。缺点：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可能在PCS直流侧产生短时大电流，对电池生产较大冲击。

(3)仅含DC/AC环节的PCS拓扑图如图4-4所示：

图4-4 仅含DC/AC变流器拓扑图

(4)包含DC/AC环节的PCS拓扑图如图4-5所示，这种拓扑结构的扩容方式是，多组电池组分别经过各自的DC/AC环节后再并联，并联后滤波并网。

这种拓扑结构的优点是：采用模块化连接方式，配置更加灵活。当个别电池系统出现故障时，电池系统还能继续工作。但这种结构存在电力电子器件增多，控制系统设计复杂等不足之处。

图4-5 包含DC/AC环节的PCS拓扑图

1.3 Z-源+DC/AC

(1)运行方式：加入阻抗网络，允许出现两个IGBT同时导通情况。在直通情况下，Z-源网络中的电感被充电;在非直通状态下，电感中的能量被释放。含Z-源网络的逆变器就是通过给桥臂加入直通状态，使直通状态和非直通状态按预设的升压调制方式交替出现来实现直流链电压泵升的。

(2)特点：

1)升压电路少，原理简单，控制方便，不需要额外的开关管;

2)升降压比高，使储能电池容量选择范围宽泛;

3)消除了由死区带来的输出电压波形畸变。

(3)Z-源+DC/AC拓扑图

图4-6 Z-源+DC/AC

1.4 级联型H桥

级联型H桥变流器由若干个功率单元组成，电池组连接到功率单元两端，如图4-7所示。每个功率单元中有两对开关状态互补的开关，每对互补开关的动作将导致该相的输出电压上升或下降一个单元直流母线电压。通过合理选择产生上升和下降沿的开关组合，即可完成不同开关间的轮回。

图4-7a Y 型接法

图4-7b △型接法

2 滤波器

常见的滤波器有：L型滤波器、LC型滤波器、LCL型滤波器。

2.1 L型滤波器

(1)单电感L型滤波器的结构简单，并网电流控制容易，但其高频滤波特性差，不合适开关频率较低的应用场合。典型的并网逆变器通过串联电感滤波器，来衰减输出电流的开关频率谐波分量，但在低开关频率的大功率并网逆变器中，采用电感滤波器需较大的电感量，电感值的增加不但提高了成本，且不利于逆变器的控制。

(2)L型滤波器拓扑图：

图4-8 L型滤波器拓扑图

2.2 LC型滤波器

(1)LC型滤波器的优点是成本低、插入损耗小。不足是当工作频率较低时，所需要的电感和电容数值都很大，使得滤波器的体积和重量大，不易集成化。工作频率较高时，小电感不易制作，且分布参数影响难估计，调整困难。

(2)LC型滤波器拓扑图：

图4-9 LC型滤波器拓扑图

2.3 LCL型滤波器

(1)LCL型滤波器的高频衰减特性好，但其滤波元件参数设计及并网电流控制策略较为复杂。LCL型滤波为三阶系统，具有更好的高频衰减特性，对高频分量呈高阻状态，要达到相同的滤波效果，LCL型滤波器总电感量比L型小得多，但作为三阶系统，LCL型滤波需要确定两个电感量，一个电容，增加了设计难度，而且LCL型滤波还带有谐振问题，控制回路设计比较复杂。

(2)LCL型滤波器拓扑图：

图4-10 LCL型滤波器拓扑图

3 最优设计拓扑结构

变流器：随着电池技术的发展，仅依靠电池串并联可达到稳定的功率及容量，故DC/AC结构可省去DC/DC环节，不仅减少元器件，也可使控制变得简单。Z-源网络变流器，允许逆变桥上下管直通状态，省去死区环节，提高变流器安全性及可靠性，提高输出波形质量。

滤波器：LCL型滤波器在高频段具有较快的衰减特性，可很好地抑制谐波，从而有效降低电感值，在大功率场合可相对的减小系统的体积和成本，提高系统的动态性能，并且受电网的影响较小。

3.1 DC/AC+LCL滤波

图4-11 DC/AC+LCL型滤波器拓扑图

3.2 Z-源网络+LCL滤波

图4-12 Z-源网络+LCL型滤波器拓扑图

4 国内品牌PCS拓扑结构

4.1 阳光电源

阳光电源采用DC/AC拓扑结构，如下图4-13所示：

图4-13 阳光电源交流PCS拓扑图

4.2 上能电气

上能电气采用DC/AC+LCL滤波器拓扑结构和DC/AC+LC滤波器拓扑结构，如下图4-14、4-15所示：

图 4-14 上能电气交流 PCS 拓扑图(RC 型)

图4-15 上能电气交流PCS拓扑图(RH型)

4.3盛弘股份

盛弘股份采用DC/AC拓扑结构，如下图4-16所示：

图4-16 盛弘股份交流PCS拓扑图

5控制方法

主要的控制方法有：滞环控制、无差拍控制、滑块控制、重复控制、模糊控制