链式电池储能功率转换系统研究
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输 出 电压 附加 相 应 的 分 量 来 实现 相 间 电 池 簇 和相 内电 池 组 荷 电状 态均 衡 的 原 理 ．在 ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ ／ Ｓ Ｉ ＭＵＬ Ｉ ＮＫ 环 境 下
进 行 仿 真 验 证
关键词 ： 储 能； 级联 Ｈ桥 ； 荷 电状 态 ； 零序 电 压 中图 分 类 号 ： Ｔ Ｍ ４ ６ 文献 标 志码 ： Ａ 文章编号 ： ２ ０ ９ ５ — ２ ８ ０ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ 一 Ｏ ０ ３ ４ — ０ ５
的单 相全 桥 逆变 器 ， 即 Ｈ桥 电路 。这种 拓 扑把 隔 离
的 直 流 电压 叠 加 得到 交 流 高压 输 出 ： 此外 采 用 载 波
移相调制（ Ｐ ｈ ａ ｓ ｅ — ｓ ｈ ｉ ｔ ｆ ｅ ｄ Ｐ ＷＭ， Ｐ Ｓ — Ｐ ＷＭ） 的 对 称 链 式 变 流器 ， 其 各个 单 元 和 电 网交 换 的功率 在 整 个 调 制 比 的范 围 内都 是 相 等 的［ ３ １ ， 这 些 特 点 使 其 适 合 作
越低 ， 目前 电池 组 出端 电压大 多不 超过 １ ｋ Ｖ ［ ４ ］ 。
中技术 发 展最 快 、 最 具 商业 化 开发 前 景 的领 域 。然
而， 由于风 电 出力 具 有 问歇 ຫໍສະໝຸດ Baidu 、 波 动 性 和 随 机 性 的
特点 ， 风 功 率 直 接 并 网可 能 给 电 网 的 电压 、 频 率稳
还 能够 运行 为 Ｓ Ｔ Ａ Ｔ Ｃ Ｏ Ｍ（ ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ ｓ ｙ ｎ ｃ ｈ ｒ ｏ ｎ ｏ ｕ ｓ ｃ ｏ ｍ ｐ ｅ ｎ — ｓ ａ ｔ ｏ ｒ ｓ １ ． 可 以在必 要 时给 电 网提供无 功 功率 支持 。
电池储 能 功率 转换 系统 ｆ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ． ｔ ｅ ｎ ｒ ， ｐ ｃ ｓ ） 是 指 电池 储 能 系统 与 接 入 电 网 的变 流 器 ， 可 分 为两 电平拓 扑 和 多 电平拓 扑 ＿ ３ １ 。两 电平 拓扑 结 构简单 ， 接 人 电 网一般 需 要工 频 升 压变 压 器 。 多 电 平 拓 扑 中单 个 开关 器 件 的 电压应 力 低 ， 并 且 通过 增
船舶 海 洋与 建筑 工程 学院 ， 上海 ２ ０ ０ ２ ４ ０ ）
摘要 ： 风 力发 电 出 力具 有 间 歇 性 、 波 动 性 和 随 机性 的特 点 ， 风 功 率 直 接 并 网可 能 给 电 网 的 电压 、 频 率 稳 定 带 来消
极影响 ． 这 就 需要 在 风 电场 中安 装 储 能 系 统 来 平抑 风 力发 电输 出功 率 波 动 。 介 绍 了 电池 储 能 功 率 转换 系统 的发 展 现 状． 给 出 了一 种 链 式 电池 储 能功 率 转 换 系统 方 案 和 功 率 控 制 方 法 ， 推 导 了通 过 零 序 电压 注入 和在 各 Ｈ 桥 单 元 交流
收 稿 日期 ： ２ ０ １ １ － ０ ９ — ３ ０ 作者简 介 ： 张峰 （ １ ９ ８ ６ 一） ， 男， 硕 士研究生 ， 主要 研 究 方 向 ： 风 力 发 电 技术 。
引 言
风 力 发 电 已经 成 为 当今 世 界 新 能 源 开 发 利 用
Ｃ ＨＢ） 。
Ｎ Ｐ Ｃ与 Ｆ Ｃ型变 流器 直 接接 入 较高 电压等 级 的
电 网需 要高 的直 流侧 电压 。受 制 于 电池技 术 、 电池 检 测 和均衡 技 术 ． 电池 组 出端 电压 越 高 则其 可 靠 性
加输 出电平 数 ， 其 输 出 电压谐 波 也 比工 作 在 相 同开 关 频 率 的两 电平 拓 扑 低 ， 因此 可 以 直接 接 入 较 高 电
压等级 的电 网。多 电平 拓扑 大致 可 以分 为 中点 钳位
型（ Ｎ ｅ ｕ ｔ ｒ ａ ｌ Ｐ ｏ ｉ ｎ ｔ Ｃ ｌ ａ ｍ ｐ ｅ ｄ ， Ｎ Ｐ Ｃ ） 、 飞跨 电 容 型 （ Ｆ ｌ ｙ ．
ｉ ｎ ｇ Ｃ ａ ｐ ａ ｃ ｉ ｔ ｏ ｒ ，Ｆ Ｃ ）和链 式 （ Ｃ ａ ｓ ｃ ａ ｄ ｅ ｄ Ｈ— Ｂ ｒ ｉ ｄ ｇ ｅ ，
电路 拓扑和功率控制
本 系统 所采 用链 式变 流器 拓扑 如 图 １ 所 示 。链 式 变 流器 拓 扑 此前 多 用 于 中压 Ｓ Ｔ Ａ Ｔ Ｃ Ｏ Ｍ．业 界链 式 Ｓ Ｔ Ａ Ｔ Ｃ Ｏ Ｍ 在接入 ６ － ３ ｋ Ｖ 电 网通 常 取 级 联 单 元 个 数 Ｎ＝ ８ ，在 接入 １ ０ ｋ Ｖ 电 网取级 联 单 元个 数 Ⅳ＝
为 光伏 并 网 变流 器 和 电池 储 能变 流 器 【 ４ ｊ Ｊ ， Ｌ ． Ｍａ ｈ ａ ｒ － ｉ ａ ｎ等提 出采 用链式 变 流器作 为 电池储 能 Ｐ Ｃ Ｓ［ ５ ｌ 。
本 文 对 链 式 电池 储 能 Ｐ Ｃ Ｓ及 其 控 制 策 略 做 了
详 细 的分析 和推 导 ， 并 进行 了仿 真验 证 。
定 带来 消极 影响ｆ １ 】 。电池储 能 动态 响应 快 ， 在 风 电场 中接人 储 能 系统 可 以平 滑 功率 波 动 ， 增 强 系统 可 调 度性 ， 改 善 电 网静 、 动 态特性 嘲 。此外 ， 由于储 能 系统
链式 变 流 器 ， 其 每 个 单元 是 具 有 隔 离直 流 电源
第 １ 期 ２ ０ １ ３年 １月
电
源
学
报
Ｎｏ ． １
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎａ ｌ ｏ ｆ Ｐｏ ｗｅ ｒ Ｓｕ ｐ ｐ ｌ ｙ
Ｊ ａ ｎ ． ２ ０ １ ３
链式电池储能功率转换系统研究
张 峰 ， 李 睿 ， 凌 志 斌 ， 蔡 旭１ ， ２
（ １ ． 上 海 交通 大 学 电子信 息与 电气工程 学 院 ， 上海 ２ ０ ０ ２ ４ ０ ； ２ ． 上 海 交通 大学
进 行 仿 真 验 证
关键词 ： 储 能； 级联 Ｈ桥 ； 荷 电状 态 ； 零序 电 压 中图 分 类 号 ： Ｔ Ｍ ４ ６ 文献 标 志码 ： Ａ 文章编号 ： ２ ０ ９ ５ — ２ ８ ０ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ 一 Ｏ ０ ３ ４ — ０ ５
的单 相全 桥 逆变 器 ， 即 Ｈ桥 电路 。这种 拓 扑把 隔 离
的 直 流 电压 叠 加 得到 交 流 高压 输 出 ： 此外 采 用 载 波
移相调制（ Ｐ ｈ ａ ｓ ｅ — ｓ ｈ ｉ ｔ ｆ ｅ ｄ Ｐ ＷＭ， Ｐ Ｓ — Ｐ ＷＭ） 的 对 称 链 式 变 流器 ， 其 各个 单 元 和 电 网交 换 的功率 在 整 个 调 制 比 的范 围 内都 是 相 等 的［ ３ １ ， 这 些 特 点 使 其 适 合 作
越低 ， 目前 电池 组 出端 电压大 多不 超过 １ ｋ Ｖ ［ ４ ］ 。
中技术 发 展最 快 、 最 具 商业 化 开发 前 景 的领 域 。然
而， 由于风 电 出力 具 有 问歇 ຫໍສະໝຸດ Baidu 、 波 动 性 和 随 机 性 的
特点 ， 风 功 率 直 接 并 网可 能 给 电 网 的 电压 、 频 率稳
还 能够 运行 为 Ｓ Ｔ Ａ Ｔ Ｃ Ｏ Ｍ（ ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ ｓ ｙ ｎ ｃ ｈ ｒ ｏ ｎ ｏ ｕ ｓ ｃ ｏ ｍ ｐ ｅ ｎ — ｓ ａ ｔ ｏ ｒ ｓ １ ． 可 以在必 要 时给 电 网提供无 功 功率 支持 。
电池储 能 功率 转换 系统 ｆ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ． ｔ ｅ ｎ ｒ ， ｐ ｃ ｓ ） 是 指 电池 储 能 系统 与 接 入 电 网 的变 流 器 ， 可 分 为两 电平拓 扑 和 多 电平拓 扑 ＿ ３ １ 。两 电平 拓扑 结 构简单 ， 接 人 电 网一般 需 要工 频 升 压变 压 器 。 多 电 平 拓 扑 中单 个 开关 器 件 的 电压应 力 低 ， 并 且 通过 增
船舶 海 洋与 建筑 工程 学院 ， 上海 ２ ０ ０ ２ ４ ０ ）
摘要 ： 风 力发 电 出 力具 有 间 歇 性 、 波 动 性 和 随 机性 的特 点 ， 风 功 率 直 接 并 网可 能 给 电 网 的 电压 、 频 率 稳 定 带 来消
极影响 ． 这 就 需要 在 风 电场 中安 装 储 能 系 统 来 平抑 风 力发 电输 出功 率 波 动 。 介 绍 了 电池 储 能 功 率 转换 系统 的发 展 现 状． 给 出 了一 种 链 式 电池 储 能功 率 转 换 系统 方 案 和 功 率 控 制 方 法 ， 推 导 了通 过 零 序 电压 注入 和在 各 Ｈ 桥 单 元 交流
收 稿 日期 ： ２ ０ １ １ － ０ ９ — ３ ０ 作者简 介 ： 张峰 （ １ ９ ８ ６ 一） ， 男， 硕 士研究生 ， 主要 研 究 方 向 ： 风 力 发 电 技术 。
引 言
风 力 发 电 已经 成 为 当今 世 界 新 能 源 开 发 利 用
Ｃ ＨＢ） 。
Ｎ Ｐ Ｃ与 Ｆ Ｃ型变 流器 直 接接 入 较高 电压等 级 的
电 网需 要高 的直 流侧 电压 。受 制 于 电池技 术 、 电池 检 测 和均衡 技 术 ． 电池 组 出端 电压 越 高 则其 可 靠 性
加输 出电平 数 ， 其 输 出 电压谐 波 也 比工 作 在 相 同开 关 频 率 的两 电平 拓 扑 低 ， 因此 可 以 直接 接 入 较 高 电
压等级 的电 网。多 电平 拓扑 大致 可 以分 为 中点 钳位
型（ Ｎ ｅ ｕ ｔ ｒ ａ ｌ Ｐ ｏ ｉ ｎ ｔ Ｃ ｌ ａ ｍ ｐ ｅ ｄ ， Ｎ Ｐ Ｃ ） 、 飞跨 电 容 型 （ Ｆ ｌ ｙ ．
ｉ ｎ ｇ Ｃ ａ ｐ ａ ｃ ｉ ｔ ｏ ｒ ，Ｆ Ｃ ）和链 式 （ Ｃ ａ ｓ ｃ ａ ｄ ｅ ｄ Ｈ— Ｂ ｒ ｉ ｄ ｇ ｅ ，
电路 拓扑和功率控制
本 系统 所采 用链 式变 流器 拓扑 如 图 １ 所 示 。链 式 变 流器 拓 扑 此前 多 用 于 中压 Ｓ Ｔ Ａ Ｔ Ｃ Ｏ Ｍ．业 界链 式 Ｓ Ｔ Ａ Ｔ Ｃ Ｏ Ｍ 在接入 ６ － ３ ｋ Ｖ 电 网通 常 取 级 联 单 元 个 数 Ｎ＝ ８ ，在 接入 １ ０ ｋ Ｖ 电 网取级 联 单 元个 数 Ⅳ＝
为 光伏 并 网 变流 器 和 电池 储 能变 流 器 【 ４ ｊ Ｊ ， Ｌ ． Ｍａ ｈ ａ ｒ － ｉ ａ ｎ等提 出采 用链式 变 流器作 为 电池储 能 Ｐ Ｃ Ｓ［ ５ ｌ 。
本 文 对 链 式 电池 储 能 Ｐ Ｃ Ｓ及 其 控 制 策 略 做 了
详 细 的分析 和推 导 ， 并 进行 了仿 真验 证 。
定 带来 消极 影响ｆ １ 】 。电池储 能 动态 响应 快 ， 在 风 电场 中接人 储 能 系统 可 以平 滑 功率 波 动 ， 增 强 系统 可 调 度性 ， 改 善 电 网静 、 动 态特性 嘲 。此外 ， 由于储 能 系统
链式 变 流 器 ， 其 每 个 单元 是 具 有 隔 离直 流 电源
第 １ 期 ２ ０ １ ３年 １月
电
源
学
报
Ｎｏ ． １
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎａ ｌ ｏ ｆ Ｐｏ ｗｅ ｒ Ｓｕ ｐ ｐ ｌ ｙ
Ｊ ａ ｎ ． ２ ０ １ ３
链式电池储能功率转换系统研究
张 峰 ， 李 睿 ， 凌 志 斌 ， 蔡 旭１ ， ２
（ １ ． 上 海 交通 大 学 电子信 息与 电气工程 学 院 ， 上海 ２ ０ ０ ２ ４ ０ ； ２ ． 上 海 交通 大学