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浅谈储能变流器(PCS)拓扑结构及电流检测

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MAGTRON
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LV6
高级工程师
  • 2024-3-8 11:09:32

一、储能变流器(PCS)的发展趋势
为了达成2030年碳达峰,2060年前实现碳中和,新型发电形式在电力市场装机量中占比不断增加。截止2022年我国风电、光伏发电量达到1.19万亿千瓦时,较2021年增加2073亿千瓦时,同比增长21%,占全社会用电量的13.8%,同比提高2个百分点,接近全国城乡居民生活用电量。
在风光发电模式的逐渐成熟化下,为提升整体电力系统可靠性,协调资源灵活使用、稳定消纳,市场开始逐步催生配储需求。2022年国内储能新增装机13.30GW,同比增长26.67%,累计装机规模达到59.40GW。与全球储能类型结构类似,国内的储能同样以抽水蓄能为主,而新型储能的发展最为迅速,2022年国内新型储能新增装机6.90GW,同比增长182.07%,累计装机达到12.70GW。

图1.png

图1  国内新型储能装机柱状图


由此可见,随着全球能源结构的转变和可再生能源的大规模部署,储能技术已成为电力系统的关键组成部分。储能变流器(PCS)作为储能系统的核心设备,其性能与效率直接影响到整个储能系统的经济效益和技术可行性。


二、储能变流器(PCS)概述
储能变流器(Power Conversion System,简称PCS),在电化学储能系统中,是连接于电池系统与电网(和/或负荷)之间实现电能双向转换的装置,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。同时PCS可通过CAN接口与BMS通讯、干接点传输等方式,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。

图3.png

图2  储能设备系统框图

三、储能变流器(PCS)拓扑结构
PCS的拓扑结构决定了其转换效率和可靠性PCS 结构分为单级型结构和双级型结构 。
(1)单级型结构
单级型储能变流器的结构如图 3 所示,其仅由一个 DC/AC 环节(PWM变流器)构成。其工作原理是:储能电池组放电时,其存储的能量经过 PWM 逆变器进行 DC/AC 逆变,储存在储能电池组中的直流电变换为交流电回馈电网;储能电池组充电时,电网的交流电通过 PWM变流器进行 AC/DC 整流,变换为直流电储存在储能电池组中。


图4.png

3 单级性储能变流器拓扑

PWM 变流器工作于整流状态或逆变状态从而实现能量的双向流动。一般将单个储能电池串并联构成储能电池组,以保证变流器的正常工作。
单级型拓扑效率高、结构简单、损耗较小、控制简便。但是在实际应用中单级型拓扑结构还存在一些缺点: 储能系统的容量配置不够灵活,储能电池的电压工作范围较小。
(2)双级型拓扑
双级型储能变流器的拓扑结构如图4所示,其主要由DC/DC变换器与PWM变流器构成。它的工作原理是: 储能电池组放电时,储能电池组中的直流电经过DC/DC 变换器升压后,供给 PWM变流器,经过PWM 变流器逆变为交流电后供给电网;储能电池组充电时,电网的交流电经过 PWM 变流器的整流,变为直流电后进入DC/DC 变换器,DC/DC 变换器将直流电压降压后给储能电池组充电。

图6.png


4 双级性储能变流器拓扑


对于电池单体串联和先并后串两种形式,采用单级型变流器较为合适。对于先串后并的电池成组方式,往往采用双级型的设计方式,使每组串联的电池分别通过 1个双向 DC/DC 变流器再连接到 DC/AC变流器的中间直流环节,然后再通过 DC/AC变流器与电网相连,如图 5所示。


图7.png

5 双级性变流器拓展图

这种双级型变流器拓扑在大容量储能系统,可以接入多组电池,各电池组之间通过**的 DC/DC 环节控制,实现对多组电池组的**充/放电控制,电池组的电压工作范围宽,不存在电池组之间的环流,实现对整个电池储能系统容量的灵活配置和对电池组的灵活投切,方便运行管理。
然而,双级型变流器拓扑由于采用两级能量变换,系统损耗增大,总的能量转换效率较低;DC/DC 变换器数目多,系统较为复杂;两级变流器需要密切配合并且充电、放电工况的配合方式不同,这增加了系统控制的难度并降低了运行可靠性。
按照电平数划分,储能变流器的拓扑无非有两种,即两电平电路拓扑和多电平电路拓扑,其中三电平电路拓扑是多电平电路拓扑的一种主要代表。

(1)两电平电路拓扑
如图6 所示为经典的三相桥式两电平电路拓扑,这种 PWM 整流器已经在业中应用的相当广泛。通过控制电力电子器件IGBT 的导通与关断,交流相电压为+Ud-Ud 两种电平状态。当然,这种两种状态的相电压波形质量并不好,必须提高开关器件的频率才能改善电压波形质量,但这又引起了开关器件损耗的增加,因而降低了变流器整体的效率,所以,为了提高直流电压的利用率,多电平电路拓扑引起了人们的重视。


图6.png

6 两电平三相桥式电路

(2)三电平电路拓扑
在高压领域,多电平电路拓扑的应用更为广泛在,这其中又以三电平电路拓扑为主要代表,主要是因为其结构的简单,方便实用。与传统两电平电路相比,三电平电路多出了中性点 0 电位。与传统的两电平电路拓扑相比,三电平电路的优点为:电压利用率更高,谐波含量低,电压质量更好,减小了滤波器的体积。开关频率低,进而电磁干扰降低,提高了系统的效率。
以二极管位式NPC(Neutral Point Clamped)三电平电路拓扑为例,其拓扑如图7所示。三电平中间直流侧电容由 C1、C2 构成。每个桥上有 4个IGBT、4个续流二极管、2个钳位二极管。 通过钳位二极管保证了两个IGBT承受的电压相同。电容中点与每相的钳位二极管中点相连,使得电容中点电压输出零电平,这样每相电压可以得到+ Ud/2、- Ud/2、三种电平。
图7.png


7二极管NPC电平拓扑


四、电流检测技术
电流检测是PCS中的关键技术之一,影响到系统的控制精度和稳定性。常用的电流检测技术包括电阻采样和霍尔传感器采样。
在实际应用中,MAGTRON CSM系列电流传感器,基于其自主知识产权iFluxgate®技术,具有高精度、低温漂、发热量低、响应速度快、模块化设计等特点。通过CE、RoHS认证,能够准确获取充放电电流,有效优化传统的充放电方式,延长电池使用寿命,节约能量。该系列电流传感器可广泛应用于需要精确测量电流的电池管理(SOC、SOE、SOF等)等应用场合,以及纯电动车、插电混合动力汽车及储能设备等领域,如新能源电动汽车的PACK、BMS、BDU、PDU等。


参考文献:
[1] 孟顺.一体化储能装置的设计与控制研究[D].北京交通大学,2016.
[2] 桂宇.纯电动汽车锂动力电池组双向均衡控制策略研究及系统开发[D].吉林大学,2014.
[3] 张新刚;王潇;安昱;张扬;范瑞祥.脉动输出型大功率级联储能变流器的新型拓扑研究[J].江西电力,2022,46(02):11-16.
[4] 申欣欣;赵廉.大功率储能变流器分析[J].应用能源技术,2022,(01):21-23.
[5] 朱孟隆.T型三电平储能变流器关键技术研究及装置研制[D].山东建筑大学,2020.DOI:10.27273/d.cnki.gsajc.2020.000190
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