儲能系統(tǒng)中的PCS技術(shù)

PCS是電池儲能系統(tǒng)中的核心部件，可以實(shí)現(xiàn)電池與電網(wǎng)間的直接轉(zhuǎn)換，完成兩者間的雙向能量流動，并通過控制策略實(shí)現(xiàn)對電池的充放電管理、電側(cè)負(fù)荷功率的跟蹤、電池儲能系統(tǒng)充放電功率的控制和正常及孤島運(yùn)行方式下網(wǎng)側(cè)電壓的控制。

1 變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 DC/DC+DC/AC

(1)運(yùn)行方式：雙向DC/DC環(huán)節(jié)主要進(jìn)行升、降壓變換，提供穩(wěn)定直流。儲能電池充電時，雙向DC/AC變流器工作在整流狀態(tài)，將電網(wǎng)測交流電壓整流為直流電壓，該電壓進(jìn)過DC/DC變流器降壓得到儲能電池充電電壓。儲能電池放電時，雙向DC/AC變流器工作在逆變狀態(tài)，雙向DC/DC變流器升壓向DC/AC變流器提供直流側(cè)輸入電壓，經(jīng)變流器輸出合適的交流電壓。

(2)優(yōu)點(diǎn)：適應(yīng)性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)對多串多并的電池模塊的充放電。缺點(diǎn)：多了DC/DC環(huán)節(jié)，整個PCS系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率降低。

(3)常見的轉(zhuǎn)換形式及其拓?fù)鋱D：

圖4-1 僅含DC/DC變流器拓?fù)鋱D

圖4-2 直流共側(cè)DC/DC變流器拓?fù)鋱D

圖4-3 交流共側(cè)DC/DC變流器拓?fù)鋱D

相比常規(guī)的結(jié)構(gòu)，直流共側(cè)系統(tǒng)及交流共側(cè)系統(tǒng)，可采用模塊化連接方式

1.2 DC/AC

(1)運(yùn)行方式：儲能電池經(jīng)過串并聯(lián)后，直接連接DC/AC的直流端。儲能電池系統(tǒng)充電時，雙向DC/AC變流器工作在整流狀態(tài)，將系統(tǒng)側(cè)交流電轉(zhuǎn)化為直流電，將能量儲存在儲能電池中。放電時，雙向儲能變流器工作在逆變狀態(tài)，將儲能電池釋放的能量由直流變成交流電。

(2)特點(diǎn)：適用于電網(wǎng)中分布式獨(dú)立電源并網(wǎng)，結(jié)構(gòu)簡單。PCS環(huán)節(jié)能耗相對較低。缺點(diǎn)：系統(tǒng)體積大、造價高，儲能系統(tǒng)的容量選擇缺乏靈活性，電網(wǎng)側(cè)發(fā)生短路故障可能在PCS直流側(cè)產(chǎn)生短時大電流，對電池生產(chǎn)較大沖擊。

(3)僅含DC/AC環(huán)節(jié)的PCS拓?fù)鋱D如圖4-4所示：

圖4-4 僅含DC/AC變流器拓?fù)鋱D

(4)包含DC/AC環(huán)節(jié)的PCS拓?fù)鋱D如圖4-5所示，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的擴(kuò)容方式是，多組電池組分別經(jīng)過各自的DC/AC環(huán)節(jié)后再并聯(lián)，并聯(lián)后濾波并網(wǎng)。

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：采用模塊化連接方式，配置更加靈活。當(dāng)個別電池系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，電池系統(tǒng)還能繼續(xù)工作。但這種結(jié)構(gòu)存在電力電子器件增多，控制系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜等不足之處。

圖4-5 包含DC/AC環(huán)節(jié)的PCS拓?fù)鋱D

1.3 Z-源+DC/AC

(1)運(yùn)行方式：加入阻抗網(wǎng)絡(luò)，允許出現(xiàn)兩個IGBT同時導(dǎo)通情況。在直通情況下，Z-源網(wǎng)絡(luò)中的電感被充電;在非直通狀態(tài)下，電感中的能量被釋放。含Z-源網(wǎng)絡(luò)的逆變器就是通過給橋臂加入直通狀態(tài)，使直通狀態(tài)和非直通狀態(tài)按預(yù)設(shè)的升壓調(diào)制方式交替出現(xiàn)來實(shí)現(xiàn)直流鏈電壓泵升的。

(2)特點(diǎn)：

1)升壓電路少，原理簡單，控制方便，不需要額外的開關(guān)管;

2)升降壓比高，使儲能電池容量選擇范圍寬泛;

3)消除了由死區(qū)帶來的輸出電壓波形畸變。

(3)Z-源+DC/AC拓?fù)鋱D

圖4-6 Z-源+DC/AC

1.4 級聯(lián)型H橋

級聯(lián)型H橋變流器由若干個功率單元組成，電池組連接到功率單元兩端，如圖4-7所示。每個功率單元中有兩對開關(guān)狀態(tài)互補(bǔ)的開關(guān)，每對互補(bǔ)開關(guān)的動作將導(dǎo)致該相的輸出電壓上升或下降一個單元直流母線電壓。通過合理選擇產(chǎn)生上升和下降沿的開關(guān)組合，即可完成不同開關(guān)間的輪回。

圖4-7a Y 型接法

圖4-7b △型接法

2 濾波器

常見的濾波器有：L型濾波器、LC型濾波器、LCL型濾波器。

2.1 L型濾波器

(1)單電感L型濾波器的結(jié)構(gòu)簡單，并網(wǎng)電流控制容易，但其高頻濾波特性差，不合適開關(guān)頻率較低的應(yīng)用場合。典型的并網(wǎng)逆變器通過串聯(lián)電感濾波器，來衰減輸出電流的開關(guān)頻率諧波分量，但在低開關(guān)頻率的大功率并網(wǎng)逆變器中，采用電感濾波器需較大的電感量，電感值的增加不但提高了成本，且不利于逆變器的控制。

(2)L型濾波器拓?fù)鋱D：

圖4-8 L型濾波器拓?fù)鋱D

2.2 LC型濾波器

(1)LC型濾波器的優(yōu)點(diǎn)是成本低、插入損耗小。不足是當(dāng)工作頻率較低時，所需要的電感和電容數(shù)值都很大，使得濾波器的體積和重量大，不易集成化。工作頻率較高時，小電感不易制作，且分布參數(shù)影響難估計，調(diào)整困難。

(2)LC型濾波器拓?fù)鋱D：

圖4-9 LC型濾波器拓?fù)鋱D

2.3 LCL型濾波器

(1)LCL型濾波器的高頻衰減特性好，但其濾波元件參數(shù)設(shè)計及并網(wǎng)電流控制策略較為復(fù)雜。LCL型濾波為三階系統(tǒng)，具有更好的高頻衰減特性，對高頻分量呈高阻狀態(tài)，要達(dá)到相同的濾波效果，LCL型濾波器總電感量比L型小得多，但作為三階系統(tǒng)，LCL型濾波需要確定兩個電感量，一個電容，增加了設(shè)計難度，而且LCL型濾波還帶有諧振問題，控制回路設(shè)計比較復(fù)雜。

(2)LCL型濾波器拓?fù)鋱D：

圖4-10 LCL型濾波器拓?fù)鋱D

3 最優(yōu)設(shè)計拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

變流器：隨著電池技術(shù)的發(fā)展，僅依靠電池串并聯(lián)可達(dá)到穩(wěn)定的功率及容量，故DC/AC結(jié)構(gòu)可省去DC/DC環(huán)節(jié)，不僅減少元器件，也可使控制變得簡單。Z-源網(wǎng)絡(luò)變流器，允許逆變橋上下管直通狀態(tài)，省去死區(qū)環(huán)節(jié)，提高變流器安全性及可靠性，提高輸出波形質(zhì)量。

濾波器：LCL型濾波器在高頻段具有較快的衰減特性，可很好地抑制諧波，從而有效降低電感值，在大功率場合可相對的減小系統(tǒng)的體積和成本，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，并且受電網(wǎng)的影響較小。

3.1 DC/AC+LCL濾波

圖4-11 DC/AC+LCL型濾波器拓?fù)鋱D

3.2 Z-源網(wǎng)絡(luò)+LCL濾波

圖4-12 Z-源網(wǎng)絡(luò)+LCL型濾波器拓?fù)鋱D

4 國內(nèi)品牌PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4.1 陽光電源

陽光電源采用DC/AC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如下圖4-13所示：

圖4-13 陽光電源交流PCS拓?fù)鋱D

4.2 上能電氣

上能電氣采用DC/AC+LCL濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和DC/AC+LC濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如下圖4-14、4-15所示：

圖 4-14 上能電氣交流 PCS 拓?fù)鋱D(RC 型)

圖4-15 上能電氣交流PCS拓?fù)鋱D(RH型)

4.3盛弘股份

盛弘股份采用DC/AC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如下圖4-16所示：

圖4-16 盛弘股份交流PCS拓?fù)鋱D

5控制方法

主要的控制方法有：滯環(huán)控制、無差拍控制、滑塊控制、重復(fù)控制、模糊控制