一种大容量电池储能系统的优化设计方案

一种大容量电池储能系统的优化设计方案

周志超1,2，许伟2，潘磊2

(1.天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072；2.国电联合动力技术有限公司，北京 100039)

摘要：大容量锂电池储能系统由大量的电池单体串、并联组成，储能双向换流器的设计必须充分考虑电池成组的优化

接入，为储能系统的安全、高效及长寿命周期运行提供必要前提。在对电力系统中大容量电池储能系统的技术特点进

行分析的基础上，提出并分析讨论了几种适合于电池储能的电网接入技术。结果表明，支持独立多分组接入的单级式

并联换流器拓扑结构是大容量锂电池储能系统的一个优选方案。

关键词：电池储能系统；能量转换系统；电力系统；拓扑

An Optimal Design Solution for Large Scale Lithium Battery Energy Storage System

ZHOU Zhi-chao1,2，XU Wei2,PAN Lei2

(1.Tianjin University，Tianjin 300072,China；

2.GuoDian United Power Technology Company LTD.,Beijing 100039,China)

Abstract: Large scale lithium battery energy storage system (BESS) consists of large amount of battery cells in series and parallel. The design of the bi-directional power conversion system (PCS) must fully consider the optimization of the characteristics of li-ion batteries before and after grouped, it is very important for the safe, efficient and high life-cycle use of BESS. On the basis of analyzing the characteristics of the grid-connected BESS, several grid access solutions suited for power system are proposed and discussed in this paper. The results show that, the multi-DC/AC parallel converter is an optimal solution for large scale BESS, as it provides the interface for independent multi-serial batteries.

Key words: Battery Energy Storage System(BESS)，Power Conversion System(PCS), Power System, Topology

1 引言

储能技术已被视为电网运行过程中“采-发-输-配-用-储”六大环节中的重要组成部分。由于电池储能系统具备灵活的有功、无功功率控制能力，因此可应用于不同的发电、输电、配电场合，起到削峰填谷、提高新能源并网能力、孤岛运行、电网调频及备用电源等作用[1-3]。

锂电池具有能量效率高、能源密度大、存储性能优秀等特点，但单体容量较小。在兆瓦级大规模电池储能应用中，为了达到一定的电压、功率和能量等级，锂电池需要大量串并联成组使用。电池串联使用可以提高电池输出端电压，电池并联使用可以倍增电池组的容量。近年来，大容量锂电池储能系统在电力系统领域获得了较好应用[4-6]。

能量转换系统是实现锂电池储能系统与电网双向功率交换的核心部件。由于在电池大规模成组过程中，由于电池单体的不一致性，会带来系统可靠性、效率及寿命等方面的一系列问题。同时，电池组端电压在不同充放电状态下的变化范围较宽，且能量双向流动。因此，传统的变流器产品已经满足不了电池储能系统的要求[7]。

本文针对大容量锂电池储能系统的技术特点，深入分析比较适合于大容量电池储能的电网接入技术，以期为大容量电池储能系统的电网接入方案设计提供参考。

2 锂电池储能系统的构成

图1锂电池储能系统的结构示意图

Fig.1 Topology of a lithium battery energy storage system

典型的锂电池储能系统结构如图1所示。上层应用服务器在综合电网实时信息、电池管理系统(BMS)上送信息及能量转换系统(PCS)状态信息的基础上，根据预设的控制策略，给PCS下发工作状态(充电、放电、孤岛、待机、停机)指令以及充放电功率(或电流)大小；PCS精确执行上层控制指令，实现电池堆与电网间的双向功率流动；BMS则实时监测、评估电池堆状态和容量信息，供上层应用服务器和PCS控制用。

3 电网接入方案设计

3.1 单级式

单级式结构主电路拓扑如图2所示，锂电池堆经三桥臂模块DC/AC逆变后,经输出滤波电路和隔离升压变压器并入三相交流电网。

图2单级式DC/AC主电路结构图

Fig.2 Power circuit of the single-stage converter

这种方案的优点是主拓扑结构简单，PCS系统的效率、可靠性均较高；缺点是缺乏针对大容量电池储能系统技术特点的设计与考虑，主要体现在电池堆单一输入，需要将所有单体电池大量串并联，接入同一直流母线，容易出现环流和一致性问题，大大降低了储能系统的可靠性。实际应用时，为提高系统的可维护性，每串电池组可通过直流接触器汇入直流母线，以实现对电池组的独立投退控制，便于各串电池组的独立检测维护。

单级式换流器存在直流侧输入电压范围较窄的缺点，但在大容量锂电池储能系统中并无明显的影响：一方面，大容量锂电池储能系统需要大量的单体电池串联成电池组，且单体锂电池额定端口电压(3.2V)较高(明显高于大容量铅酸电池单体的2.0V)，所以，成串后的电池组端口电压一般较高(基本在600V~900V之间)；另一方面，出于电池成组安全考虑，对应的电池工作荷电状态(SOC)区间一般都在10%~90%之间，而根据锂电池的充放电曲线，在这个区间，端口电压变化曲线都很平坦，如图3所示，因而充放电过程中，端口电压变化范围不很大。

CA60FI High rate charge performance

2.4

2.6

2.8

3.0

3.2

3.4

3.6

3.8

010203040506070

Capacity(Ah)

V

o

l

t

a

g

e

(

V

)

0.3C

0.5C

1C

2C

图3某60Ah单体锂电池充电曲线

Fig.3 Charge curve of a 60Ah Li-ion battery

3.2 双级式

双级式DC/DC+DC/AC主电路拓扑如图4所示，主电路由一个DC/AC和一个DC/DC模块背靠背组成，锂电池组接入前级的DC/DC模块进行升压变换后接入直流母线，直流母线电压经逆变后直接并入三相电网。

图4双级式DC/DC+DC/AC主电路结构图Fig.4 Power circuit of the two-stage converter

该拓扑相对单级式结构的显著优点是该拓扑中直流母线工作电压稳定，不随输入电压变化而变化，基于此可扩大直流侧输入电压的范围，实现宽范围输入(主要是较低电压输入)。

该拓扑结构在直流侧也是采用单一输入的方式，同样存在前述的集中接入导致电池组可靠性降低的问题。前级DC/DC环节的输入侧需安装滤波电容及滤波电感以限制流入电池阵列的纹波电流，增加了相应开关和器件损耗的同时，造成了系统体积、重量及成本的增加。

相对于单级式DC/AC变流器，包含DC/DC和DC/AC两级功率变换模块的双级式功率变流器对控制系统的精度有着更高要求：需具备完善的协调控制策略，一方面确保系统稳态运行时的抗干