單位:浙江巨磁智能技術(shù)有限公司 ?作者:高建峰
?
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(xiàn)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(fēng)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(fēng)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(xié)調(diào)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(nèi)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(jié)構(gòu)類似,國內(nèi)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(nèi)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(nèi)新型儲能裝機柱狀圖
由此可見,隨著全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變和可再生能源的大規(guī)模部署,儲能技術(shù)已成為電力系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。儲能變流器(PCS)作為儲能系統(tǒng)的核心設(shè)備,其性能與效率直接影響到整個儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和技術(shù)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(xué)儲能系統(tǒng)中,是連接于電池系統(tǒng)與電網(wǎng)(和/或負荷)之間實現(xiàn)電能雙向轉(zhuǎn)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(wǎng)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(gòu)成。PCS控制器通過通訊接收后臺控制指令,根據(jù)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(xiàn)對電網(wǎng)有功功率及無功功率的調(diào)節(jié)。同時PCS可通過CAN接口與BMS通訊、干接點傳輸?shù)确绞?,獲取電池組狀態(tài)信息,可實現(xiàn)對電池的保護性充放電,確保電池運行安全。
圖2? 儲能設(shè)備系統(tǒng)框圖
三、儲能變流器(PCS)拓撲結(jié)構(gòu)
PCS的拓撲結(jié)構(gòu)決定了其轉(zhuǎn)換效率和可靠性。PCS 結(jié)構(gòu)分為單級型結(jié)構(gòu)和雙級型結(jié)構(gòu) 。
(1)單級型結(jié)構(gòu)
單級型儲能變流器的結(jié)構(gòu)如圖 3 所示,其僅由一個 DC/AC 環(huán)節(jié)(PWM變流器)構(gòu)成。其工作原理是:儲能電池組放電時,其存儲的能量經(jīng)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(wǎng);儲能電池組充電時,電網(wǎng)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(xiàn)能量的雙向流動。一般將單個儲能電池串并聯(lián)構(gòu)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(jié)構(gòu)簡單、損耗較小、控制簡便。但是在實際應(yīng)用中單級型拓撲結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖4所示,其主要由DC/DC變換器與PWM變流器構(gòu)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(jīng)過DC/DC 變換器升壓后,供給 PWM變流器,經(jīng)過PWM 變流器逆變?yōu)榻涣麟姾蠊┙o電網(wǎng);儲能電池組充電時,電網(wǎng)的交流電經(jīng)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(lián)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(shè)計方式,使每組串聯(lián)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(wǎng)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(xiàn)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(xiàn)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(zhuǎn)換效率較低;DC/DC 變換器數(shù)目多,系統(tǒng)較為復(fù)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(shù)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(jīng)典的三相橋式兩電平電路拓撲,這種 PWM 整流器已經(jīng)在業(yè)中應(yīng)用的相當(dāng)廣泛。通過控制電力電子器件IGBT 的導(dǎo)通與關(guān)斷,交流相電壓為+Ud、-Ud 兩種電平狀態(tài)。當(dāng)然,這種兩種狀態(tài)的相電壓波形質(zhì)量并不好,必須提高開關(guān)器件的頻率才能改善電壓波形質(zhì)量,但這又引起了開關(guān)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(lǐng)域,多電平電路拓撲的應(yīng)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(jié)構(gòu)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(zhì)量更好,減小了濾波器的體積。開關(guān)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(cè)電容由 C1、C2 構(gòu)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+ Ud/2、- Ud/2、三種電平。
圖7二極管NPC電平拓撲
四、電流檢測技術(shù)
電流檢測是PCS中的關(guān)鍵技術(shù)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(shù)包括電阻采樣和霍爾傳感器采樣。
在實際應(yīng)用中,MAGTRON CSM系列電流傳感器,基于其自主知識產(chǎn)權(quán)iFluxgate?技術(shù),具有高精度、低溫漂、發(fā)熱量低、響應(yīng)速度快、模塊化設(shè)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(yīng)用于需要精確測量電流的電池管理(SOC、SOE、SOF等)等應(yīng)用場合,以及純電動車、插電混合動力汽車及儲能設(shè)備等領(lǐng)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:
- 孟順.一體化儲能裝置的設(shè)計與控制研究[D].北京交通大學(xué),2016.
- 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(xué),2014.
- 張新剛;王瀟;安昱;張揚;范瑞祥.脈動輸出型大功率級聯(lián)儲能變流器的新型拓撲研究[J].江西電力,2022,46(02):11-16.
- 申欣欣;趙廉.大功率儲能變流器分析[J].應(yīng)用能源技術(shù),2022,(01):21-23.
- 朱孟隆.T型三電平儲能變流器關(guān)鍵技術(shù)研究及裝置研制[D].山東建筑大學(xué),2020.DOI:10.27273/d.cnki.gsajc.2020.000190