大容量电池储能系统PCS拓扑结构研究

。 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 transistor， 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
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 非隔离型 DC/DC 的设计消除共模电流的问题[1617]。 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。
Study of PCS Topology Structure of Large Scale Battery Energy Storage Systems
LI Zhanying, HU Yufeng, WU Junyang
(Electrical Power Research Institute, CSG, Guangzhou 510080, China) Abstract: The power convertion system (PCS) is an important part of the battery energy storage system (BESS) in large scale, which is in need of development to meet the situation of new energy sources such as wind and photovoltaic power developing. This paper analyzes the two main topologies of PCS and compares the constructures and performances of contentious DC/DC links, resulting in conclusion that the BESS with PCS of both DC/DC and DC/AC links is suitable to the access of new energy sources; either isolated or non-isolated DC/DC converter can be chosen depending on the practical situation as each type of converter has its advantages and disadvantages; and further research of large capacity PCS will certainly be implemented on the performance and application of various compound DC/DC converters. Key words: battery energy storage system (BESS); power conversion system (PCS); topology
缺点 变压器单向励磁，利用率低 难以达到较大的功率， 变压器单向 励磁，利用率低 结构复杂，成本高，可靠性低，需 要复杂的多组隔离驱动电路 有直通问题， 可靠性低， 需要复杂 的隔离驱动电路 有偏磁问题
功率范围 几百瓦～几千瓦 几瓦～几十瓦 几百瓦～几百千瓦 几百瓦～几千瓦 几百瓦～几千瓦
应用领域 各种中小功率电源 小功率电子设备 大功率工业用电源、 焊接 电源、电解电源等 各种工业用电源， 计算机 电源等 低输入电压的电源
第5期
李战鹰，等：大容量电池储能系统 PCS 拓扑结构研究 表 1 各种带隔离的直流－直流变流电路的比较
Tab. 1 Comparison of DC/DC Circuit with Transformer
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电电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路 简单 电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动 电路简单 变压器双向励磁，容易达到大功率 变压器双向励磁，没有变压器偏磁问题，开 关较少，成本低 变压器双向励磁，变压器一次电流回路中只 有一个开关，通态损耗较少，驱动简单
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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
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南方电网技术
第4卷
的电池储能系统并网拓扑结构。
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
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powerconversionsystempcso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
中图分类号：TM912; TK02
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。 关键词：电池储能系统；能量转换系统；拓扑
2010 年 第 4 卷 第 5 期 2010，Vol. 4，No. 5
南方电网技术 SOUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGY
分布式电源与微电网 Distributed Generation & Microgrid 文献标志码：A
文章编号：1674-0629(2010)05-0039-04
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3 DC/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[914]。 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[1112]，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 主要优点是控制方 （见图 3） 常用于大功率场合[4]， 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]。
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 。与此相应， 电池储能系统的应用引起了广泛关注
[23] [1]
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[46]。 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。
图 1 电池储能系统直接经 PWM 变换器并网
Fig. 1 BESS Connected to Grid through PWM
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。
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 。 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 。
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图 2 蓄电池储能系统经双向 DC/DC 和 PWM 变换器并网
Fig. 2 BESS Connected to Grid through DC/DC and PWM
图 3 桥式双向隔离 DC/DC 变换器
Fig. 3 Full-Bridge Bi-directional DC-DC Converter with Transformer
（a）半桥型 （Half-Bridge Stype）
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
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