大规模电池储能系统PCS拓扑结构分析

书书书输配电技术电力建设第!!卷第期#$%#年月!####!#$%&’$()*#&+),-%&.$%’),/)!!0)!#!1.23!$%&$基金资助项目!国家高技术研究发展计划$%计划#&’!!!!’(!!!%#$!#$%&’()!#*+,-./!#$%&’$()*中国电力科学研究院!北京市!’’!)&#摘#要!风电和光伏本身固有的间歇性%波动性在规模化并网后会对电网的安全稳定运行带来不利影响$随着风力发电和光伏发电的快速发展!这个问题日益突出!因此大规模电池储能系统相应技术研究十分重要$能量转换系统#$%&’#()%&*+#(*,*-%.!/01#是电池储能系统的一个重要组成部分!分别对/01的&个组成部分&&&变流器和滤波器进行比较分析$结合现有电池技术!认为与传统的包含20320和203!0环节组成的变流器相比!仅含有203!0环节的变流器与由4源网络和203!0环节组成的变流器!具有能量转换效率更高%控制更简单的特点’与传统5滤波器和50滤波器相比!505滤波器可以更好地抑制高次谐波!有效地降低电感的值!提高系统的动态性能!并且受电网的影响较小’提出了&种新的/01拓扑结构$关键词!风力发电’光伏发电’电池储能系统’能量转换系统’拓扑结构’4源!#$%&’&()*+,(-($(.’/#$+012/02134(15#1.36&/#$37#0031%831.%+0(1#.3+%&03967849+:+;!!=+.%(?!@7AB%(-;#09+(;8C%’-&+’/#$%&D%*%;&’97(*-+--%!E%+:+(?!’’!)&!09+(;#!7+,:!*,(!F-%&C;&?%G*’;C%$+(H#$%&;(H9#-#)#C-;+’#$%&+*’#((%’-%H$+-9-9%?&+H!-9%+(9%&%(-+(-%&.+--%(-;(H)#C;-+C+-,#F$+(H#$%&;(H9#-#)#C-;+’#$%&.;,9;)%;H)%&*%C,;FF%’-*#(-9%*%’&+-,;(H*-;I+C+-,#F#$%&?&+HJB+-9-9%&;+HH%)%C#.%(-#F$+(H#$%&;(H9#-#)#C-;+’#$%&?%(%&;-+#(!-9+*&#IC%.+*+(’&%;*+(?C,#-*-;(H+(?J1#+-+*)%&,+.#&-;(--#H%)%C#.%(--9%-%’9(#C#?,&%*%;&’9#FC;&?%G*’;C%I;--%&,%(%&?,*-#&;?%*,*-%.E811#JK9%;&-+’C%&%*%’-+)%C,’;&&+%H#-’#.;&;-+)%;(;C,*+*#(-9%’#()%&-%&;(H-9%F+C-%&!$9+’9$%&%-9%’#.#(%(-*#F#$%&’#()%&*+#(*,*-%./01#;*;(+.#&-;(-’#.#(%(-#FE811JE;*%H#(-9%%L+*-+(?I;--%&,-%’9(#C#?,!-9%&%*C-**9#$-9;--9%’#()%&-%&#(C,’#(-;+(+(?203!0C+(M;(H-9%’#()%&-%&’#(-;+(+(?4G*#&’%(%-$#&M;(H203!0C+(MI#-99;)%-9%’9;&;’-%&+*-+’*#F9+?9%&%(%&?,’#()%&*+#(%FF+’+%(’,;(H*+.C%’#(-&#C!’#.;&%H$+-9-&;H+-+#(;C’#()%&-%&$9+’9’#(-;+(*20320C+(M;(H203!0C+(MJ0#.;&%H$+-9-9%-&;H+-+#(;C5F+C-%&;(H50F+C-%&!-9%505F+C-%&’;(&%*-&;+(9+?99;&.#(+’*I%--%&!%FF%’-+)%C,&%H’%-9%+(H’-;(’%);C%!+.&#)%-9%H,(;.+’%&F#&.;(’%#F-9%*,*-%.!;(HI%C%**;FF%’-%HI,-9%?&+HJ0#.I+(%H$+-9;(;C,*+*’#(’C*+#(!-9%;&-+’C%-F#&$;&H-$#(%$-##C#?+’;C*-&’-&%*#F/01J;8=:?+($+(H#$%&’9#-#)#C-;+’#$%&?%(%&;-+#(’I;--%&,%(%&?,*-#&;?%*,*-%.E811#’#$%&’#()%&*+#(*,*-%./01#’-##C#?,*-&’-&%’4G*#&’%中图分类号!&’(%)*****文献标志码!+*****文章编号!%$$$,-##(#$%##$,$$%),$.H#+!%$/!()(3:J+**(/%$$$,-##(/#$%#/$/$$0$*引*言随着全球经济的迅速发展!人类长久赖以生存的石油%天然气%煤炭等不可再生能源迅速地接近枯竭!在人类面对的能源困境中!太阳能%风能%生物质能%潮汐能等清洁能源迅猛发展$然而现已开发的新能源发电站!普遍存在着输出电能变化大%不稳定和不可预测的问题)!*$例如&’!!年我国光伏装机为%*+!而国家能源局统计数据指出!光伏并网装机容量仅为&,!-*+$这意味着!全国光伏装机中约有&).光伏系统尚未并网$电池储能系统不仅能够提高间歇性能源并网发电能力!而且在电力系统的发电%输电%配电和用电环节中都发挥着积极的作用!可以完成电网的削峰填谷%过负荷冲击调节%频率调节及提高电能质量!达到电网安全性的目的)&/(*$电池储能系统的一个重要组成部分就是能量转第!!卷第期谢志佳$等!大规模电池储能系统012拓扑结构分析输配电技术!#$%&’$()*#&+),-%&.$%’),/)!!0)!#!1.23!$%&$’!3###换系统4567895:;78=5:?7@!012#$通过012可以实现电池储能系统直流电池与交流电网之间的双向能量传递!通过控制策略实现对电池系统的充放电管理%网侧负荷功率的跟踪%电池储能系统充放电功率的控制%正常及孤岛运行方式下网侧电压的控制等$012装置已在太阳能%风能等分布式发电技术中有较多的应用!并逐渐应用于飞轮储能%超级电容器%电池储能等小容量双向功率传递的储能系统中)*$近年来!随着电池技术与电力电子技术的不断进步!012拓扑结构能够不断改进$新型012拓扑结构正向着具有更小装置整体损耗%更高可靠性以及形成更加方便和高效的模块化结构方向发展$因此有必要对各种012拓扑结构进行对比分析$%*123中变流器部分变流器95:;78?78#是使电源系统的电压%频率%相数和其他电量或特性发生变化的电器设备)3*$012中常用的变流器是双向A1BA1变流器和双向A1BC1变流器$双向A1BA1变流器用来调整直流链电压’双向A1BC1起到整流和逆变功能!实现电池储能系统与电网能量交互$%/%*含42542与425+2环节的变流器电池储能系统中最常见的012拓扑结构为含A1BA1与A1BC1环节的变流器拓扑结构!如图!所示$双向A1BA1环节主要是进行升%降压变换!提供稳定的直流电压$储能电池充电时!双向A1BC1变流器工作在整流状态!将电网侧交流电压整流为直流电压!该电压经双向A1BA1变换器降压得到储能电池充电电压’储能电池放电时!双向A1BC1变流器工作在逆变状态!双向A1BA1变换器升压向A1BC1变流器提供直流侧输入侧电压!经变流器输出合适的交流电压$图@A含?*B?*与?*B!*环节的变流器拓扑结构C’.D@A,(-($(.’/#$&012/0213(4/(E31031/(0#’’.?*B?*$’F#G?*B!*$’F这种含A1BA1和A1BC1环节的012拓扑结构的主要优点是适应性强!可实现对多串并联的电池模块的充放电管理’由于A1BA1环节可实现直流电压的升降!使得储能电池的容量配置更加灵活’适于配合风电%光伏等间歇性%波动性比较强的分布式电源的接入!抑制其直接并网可能带来电压波动$主要缺点是由于存在A1BA1环节!使得整个012系统的能量转换效率有所降低’大容量012的A1BA1与A1BC1环节的开关频率%容量及协调配合关系复杂$除图!所示拓扑结构外!包含A1BA1和A1BC1环节的012拓扑结构还有&种!如图&所示$图&D#是包含A1BA1环节的共直流侧变流器的拓扑结构!这种结构的扩容方式是!多组储能电池组分别经过各自的A1BA1环节后并联!再共用!个A1BC1环节!然后经滤波器滤波后并网$图&E#是包含A1BA1环节的共交流侧变流器的拓扑结构!这种结构的扩容方式是多组电池组分别经过各自的A1BA1和A1BC1环节后再并联!并联后经过滤波器滤波后并网$图HA含?*B?*与?*B!*环节的变流器并联拓扑结构C’.DHA)#1#$$3$0(-($(.’/#$&012/0213(4/(E31031/(0#’’.?*B?*$’F#G?*B!*$’F与图!所示拓扑结构相比!图&所示拓扑结构的优点是(采用模块化连接方式!配置更加灵活’通过并联A1BA1变换器达到系统容量需求!避免多组储能电池的并联!降低了整个系统对储能电池电压特性的要求’当个别储能电池组或并联变换器出现故障时!储能系统仍可正常工作!提高了整个储能系统稳定性’减小了对单个电力电子器件功率等级的要求$但是这&种结构不足之处是增加了器件个数!使控制系统设计更加复杂$输配电技术电力建设#$%#年月!$####!#$%&’$()*#&+),-%&.$%’),/)!!0)!#!1.23!$%&$%/#*仅含425+2环节的变流器仅含A1BC1环节的012拓扑结构如图%所示!在这种结构的012中!储能电池经过串并联后!直接连接A1BC1的直流端$储能电池系统充电时!双向A1BC1变流器工作在整流器状态!将系统侧交流电转换为直流电!将能量储存在储能电池中’储能电池系统放电时!双向A1BC1变流器工作在变流器状态!将储能电池释放的能量由直流转换为交流回馈外部系统$图IA仅含?*B!*环节的变流器拓扑结构C’.DIA,(-($(.’/#$&012/0213(4/(E31031($%/(0#’’.?*B!*$’F这种仅含A1BC1环节的012拓扑结构的优点是(适于电网中分布式独立电源并网!结构简单!012环节能耗相对较低$该结构的主要缺点是(系统体积大!造价高’储能系统的容量选择缺乏灵活性’电网侧发生短路故障有可能在012直流侧产生短时大电流!对电池系统产生较大冲击等$仅包含A1BC1环节的012的另外一种拓扑结构如图-所示!为仅含A1BC1环节的共交流侧变流器拓扑结构$这种拓扑结构的扩容方式是多组电池组分别经过各自的A1BC1环节后再并联!并联后经过滤波器滤波后并网$图JA仅含?*B!*环节的共交流侧变流器拓扑结构C’.DJA,(-($(.’/#$&012/0213(4/(E31031/(0#’’.?*B!*$’F#G-#1#$$3$#0!*&’G3与图%所示的拓扑结构相比!图-所示的拓扑结构的优点是(采用模块化连接方式!配置更加灵活’当个别储能电池组或并联变换器出现故障时!储能系统仍可正常工作!提高了整个储能系统稳定性’减小了对单个电力电子器件功率等级的要求$但是这种结构同样存在电力电子器件增多!控制系统设计复杂等不足$%/!*含6源与425+2环节的变流器含F源与A1BC1环节的变流器拓扑结构如图(所示$在传统变流电路中!逆变桥的任何!相%&相或%相桥臂的&个绝缘栅双极性晶体管=:GHD?7IJD?7E=45HD8?8D:=?58!K*LM#同时导通的直通状态是被严格禁止的!因为这会造成电压源短路损坏设备$而F源变流器由于加入了阻抗网络!允许发生这种状态$在直通状态下!F源网络中的电感被充电’在非直通状态下!电感中的能量被释放$F源变流器就是通过给桥臂加入直通状态!使直通状态和非直通状态按预设的升压调制方式交替出现来实现直流链电压泵升的)$/)*$图KA含L源与?*B!*环节的变流器拓扑结构C’.DKA,(-