淺談儲能變流器（PCS）拓撲結構及電流檢測

單位：浙江巨磁智能技術有限公司 ?作者：高建峰

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一、儲能變流器（PCS）的發(fā)展趨勢

為了達成2030年碳達峰，2060年前實現碳中和，新型發(fā)電形式在電力市場裝機量中占比不斷增加。截止2022年我國風電、光伏發(fā)電量達到1.19萬億千瓦時，較2021年增加2073億千瓦時，同比增長21%，占全社會用電量的13.8%，同比提高2個百分點，接近全國城鄉(xiāng)居民生活用電量。

在風光發(fā)電模式的逐漸成熟化下，為提升整體電力系統(tǒng)可靠性，協調資源靈活使用、穩(wěn)定消納，市場開始逐步催生配儲需求。2022年國內儲能新增裝機13.30GW，同比增長26.67%，累計裝機規(guī)模達到59.40GW。與全球儲能類型結構類似，國內的儲能同樣以抽水蓄能為主，而新型儲能的發(fā)展最為迅速，2022年國內新型儲能新增裝機6.90GW，同比增長182.07%，累計裝機達到12.70GW。

圖1? 國內新型儲能裝機柱狀圖

由此可見，隨著全球能源結構的轉變和可再生能源的大規(guī)模部署，儲能技術已成為電力系統(tǒng)的關鍵組成部分。儲能變流器（PCS）作為儲能系統(tǒng)的核心設備，其性能與效率直接影響到整個儲能系統(tǒng)的經濟效益和技術可行性。

二、儲能變流器（PCS）概述

儲能變流器(Power Conversion System，簡稱PCS)，在電化學儲能系統(tǒng)中，是連接于電池系統(tǒng)與電網(和/或負荷)之間實現電能雙向轉換的裝置，可控制蓄電池的充電和放電過程，進行交直流的變換，在無電網情況下可以直接為交流負荷供電。

PCS 由 DC/AC 雙向變流器、控制單元等構成。PCS控制器通過通訊接收后臺控制指令，根據功率指令的符號及大小控制變流器對電池進行充電或放電，實現對電網有功功率及無功功率的調節(jié)。同時PCS可通過CAN接口與BMS通訊、干接點傳輸等方式，獲取電池組狀態(tài)信息，可實現對電池的保護性充放電，確保電池運行安全。

圖2? 儲能設備系統(tǒng)框圖

三、儲能變流器（PCS）拓撲結構

PCS的拓撲結構決定了其轉換效率和可靠性。PCS 結構分為單級型結構和雙級型結構 。

(1)單級型結構

單級型儲能變流器的結構如圖 3 所示，其僅由一個 DC/AC 環(huán)節(jié)(PWM變流器)構成。其工作原理是：儲能電池組放電時，其存儲的能量經過 PWM 逆變器進行 DC/AC 逆變，儲存在儲能電池組中的直流電變換為交流電回饋電網；儲能電池組充電時，電網的交流電通過 PWM變流器進行 AC/DC 整流，變換為直流電儲存在儲能電池組中。

圖3 單級性儲能變流器拓撲

PWM 變流器工作于整流狀態(tài)或逆變狀態(tài)從而實現能量的雙向流動。一般將單個儲能電池串并聯構成儲能電池組，以保證變流器的正常工作。

單級型拓撲效率高、結構簡單、損耗較小、控制簡便。但是在實際應用中單級型拓撲結構還存在一些缺點: 儲能系統(tǒng)的容量配置不夠靈活，儲能電池的電壓工作范圍較小。

(2)雙級型拓撲

雙級型儲能變流器的拓撲結構如圖4所示，其主要由DC/DC變換器與PWM變流器構成。它的工作原理是: 儲能電池組放電時，儲能電池組中的直流電經過DC/DC 變換器升壓后，供給 PWM變流器，經過PWM 變流器逆變?yōu)榻涣麟姾蠊┙o電網;儲能電池組充電時，電網的交流電經過 PWM 變流器的整流，變?yōu)橹绷麟姾筮M入DC/DC 變換器，DC/DC 變換器將直流電壓降壓后給儲能電池組充電。

圖4 雙級性儲能變流器拓撲

對于電池單體串聯和先并后串兩種形式，采用單級型變流器較為合適。對于先串后并的電池成組方式，往往采用雙級型的設計方式，使每組串聯的電池分別通過 1個雙向 DC/DC 變流器再連接到 DC/AC變流器的中間直流環(huán)節(jié)，然后再通過 DC/AC變流器與電網相連，如圖 5所示。

圖5 雙級性變流器拓展圖

這種雙級型變流器拓撲在大容量儲能系統(tǒng)，可以接入多組電池，各電池組之間通過獨立的 DC/DC 環(huán)節(jié)控制，實現對多組電池組的獨立充/放電控制，電池組的電壓工作范圍寬，不存在電池組之間的環(huán)流，實現對整個電池儲能系統(tǒng)容量的靈活配置和對電池組的靈活投切，方便運行管理。

然而，雙級型變流器拓撲由于采用兩級能量變換，系統(tǒng)損耗增大，總的能量轉換效率較低;DC/DC 變換器數目多，系統(tǒng)較為復雜;兩級變流器需要密切配合并且充電、放電工況的配合方式不同，這增加了系統(tǒng)控制的難度并降低了運行可靠性。

按照電平數劃分，儲能變流器的拓撲無非有兩種，即兩電平電路拓撲和多電平電路拓撲，其中三電平電路拓撲是多電平電路拓撲的一種主要代表。

(1)兩電平電路拓撲

如圖6 所示為經典的三相橋式兩電平電路拓撲，這種 PWM 整流器已經在業(yè)中應用的相當廣泛。通過控制電力電子器件IGBT 的導通與關斷，交流相電壓為+U_d、-U_d 兩種電平狀態(tài)。當然，這種兩種狀態(tài)的相電壓波形質量并不好，必須提高開關器件的頻率才能改善電壓波形質量，但這又引起了開關器件損耗的增加，因而降低了變流器整體的效率，所以，為了提高直流電壓的利用率，多電平電路拓撲引起了人們的重視。

圖6 兩電平三相橋式電路

（2）三電平電路拓撲

在高壓領域，多電平電路拓撲的應用更為廣泛在，這其中又以三電平電路拓撲為主要代表，主要是因為其結構的簡單，方便實用。與傳統(tǒng)兩電平電路相比，三電平電路多出了中性點 0 電位。與傳統(tǒng)的兩電平電路拓撲相比，三電平電路的優(yōu)點為:電壓利用率更高，諧波含量低，電壓質量更好，減小了濾波器的體積。開關頻率低，進而電磁干擾降低，提高了系統(tǒng)的效率。

以二極管位式NPC(Neutral Point Clamped)三電平電路拓撲為例，其拓撲如圖7所示。三電平中間直流側電容由 C1、C2 構成。每個橋上有 4個IGBT、4個續(xù)流二極管、2個鉗位二極管。 通過鉗位二極管保證了兩個IGBT承受的電壓相同。電容中點與每相的鉗位二極管中點相連，使得電容中點電壓輸出零電平，這樣每相電壓可以得到+ U_d/2、- U_d/2、三種電平。

圖7二極管NPC電平拓撲

四、電流檢測技術

電流檢測是PCS中的關鍵技術之一，影響到系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。常用的電流檢測技術包括電阻采樣和霍爾傳感器采樣。

在實際應用中，MAGTRON CSM系列電流傳感器，基于其自主知識產權iFluxgate?技術，具有高精度、低溫漂、發(fā)熱量低、響應速度快、模塊化設計等特點。通過CE、RoHS認證，能夠準確獲取充放電電流，有效優(yōu)化傳統(tǒng)的充放電方式，延長電池使用壽命，節(jié)約能量。該系列電流傳感器可廣泛應用于需要精確測量電流的電池管理（SOC、SOE、SOF等）等應用場合，以及純電動車、插電混合動力汽車及儲能設備等領域，如新能源電動汽車的PACK、BMS、BDU、PDU等。

圖8 儲能系統(tǒng)電流檢測解決方案

參考文獻:

1. 孟順.一體化儲能裝置的設計與控制研究[D].北京交通大學,2016.
2. 桂宇.純電動汽車鋰動力電池組雙向均衡控制策略研究及系統(tǒng)開發(fā)[D].吉林大學,2014.
3. 張新剛;王瀟;安昱;張揚;范瑞祥.脈動輸出型大功率級聯儲能變流器的新型拓撲研究[J].江西電力,2022,46(02):11-16.
4. 申欣欣;趙廉.大功率儲能變流器分析[J].應用能源技術,2022,(01):21-23.
5. 朱孟隆.T型三電平儲能變流器關鍵技術研究及裝置研制[D].山東建筑大學,2020.DOI:10.27273/d.cnki.gsajc.2020.000190