浅谈储能变流器（PCS）拓扑结构及电流检测

单位：浙江巨磁智能技术有限公司  作者：高建峰

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  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，各电池组之间通过独立的 DC/DC 环节控制，实现对多组电池组的独立充/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 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。


图8 储能系统电流检测解决方案

参考文献:
        孟顺.一体化储能装置的设计与控制研究.北京交通大学,2016.
        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.吉林大学,2014.
        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.江西电力,2022,46(02):11-16.
        申欣欣;赵廉.大功率储能变流器分析.应用能源技术,2022,(01):21-23.
        朱孟隆.T型三电平储能变流器关键技术研究及装置研制.山东建筑大学,2020.DOI:10.27273/d.cnki.gsajc.2020.000190