淺談儲(chǔ)能變流器（PCS）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及電流檢測(cè)
單位：浙江巨磁智能技術(shù)有限公司 作者：高建峰
一、儲(chǔ)能變流器（PCS）的發(fā)展趨勢(shì)
為了達(dá)成2030年碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，新型發(fā)電形式在電力市場(chǎng)裝機(jī)量中占比不斷增加。截止2022年我國(guó)風(fēng)電、光伏發(fā)電量達(dá)到1.19萬億千瓦時(shí)，較2021年增加2073億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)21%，占全社會(huì)用電量的13.8%，同比提高2個(gè)百分點(diǎn)，接近全國(guó)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(chǎng)開始逐步催生配儲(chǔ)需求。2022年國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能新增裝機(jī)13.30GW，同比增長(zhǎng)26.67%，累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到59.40GW。與全球儲(chǔ)能類型結(jié)構(gòu)類似，國(guó)內(nèi)的儲(chǔ)能同樣以抽水蓄能為主，而新型儲(chǔ)能的發(fā)展最為迅速，2022年國(guó)內(nèi)新型儲(chǔ)能新增裝機(jī)6.90GW，同比增長(zhǎng)182.07%，累計(jì)裝機(jī)達(dá)到12.70GW。
圖1? 國(guó)內(nèi)新型儲(chǔ)能裝機(jī)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(chǔ)能技術(shù)已成為電力系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。儲(chǔ)能變流器（PCS）作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心設(shè)備，其性能與效率直接影響到整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)可行性。
二、儲(chǔ)能變流器（PCS）概述
儲(chǔ)能變流器(Power Conversion System，簡(jiǎn)稱PCS)，在電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中，是連接于電池系統(tǒng)與電網(wǎng)(和/或負(fù)荷)之間實(shí)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(jìn)行交直流的變換，在無電網(wǎng)情況下可以直接為交流負(fù)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(tái)控制指令，根據(jù)功率指令的符號(hào)及大小控制變流器對(duì)電池進(jìn)行充電或放電，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)有功功率及無功功率的調(diào)節(jié)。同時(shí)PCS可通過CAN接口與BMS通訊、干接點(diǎn)傳輸?shù)确绞?，獲取電池組狀態(tài)信息，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的保護(hù)性充放電，確保電池運(yùn)行安全。
圖2? 儲(chǔ)能設(shè)備系統(tǒng)框圖
三、儲(chǔ)能變流器（PCS）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
PCS的拓?fù)浣Y(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(jí)型結(jié)構(gòu)和雙級(jí)型結(jié)構(gòu) 。
(1)單級(jí)型結(jié)構(gòu)
單級(jí)型儲(chǔ)能變流器的結(jié)構(gòu)如圖 3所示，其僅由一個(gè) DC/AC環(huán)節(jié)(PWM變流器)構(gòu)成。其工作原理是：儲(chǔ)能電池組放電時(shí)，其存儲(chǔ)的能量經(jīng)過 PWM逆變器進(jìn)行 DC/AC逆變，儲(chǔ)存在儲(chǔ)能電池組中的直流電變換為交流電回饋電網(wǎng)；儲(chǔ)能電池組充電時(shí)，電網(wǎng)的交流電通過 PWM變流器進(jìn)行 AC/DC整流，變換為直流電儲(chǔ)存在儲(chǔ)能電池組中。
圖3?單級(jí)性儲(chǔ)能變流器拓?fù)?/p>
PWM 變流器工作于整流狀態(tài)或逆變狀態(tài)從而實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。一般將單個(gè)儲(chǔ)能電池串并聯(lián)構(gòu)成儲(chǔ)能電池組，以保證變流器的正常工作。
單級(jí)型拓?fù)湫矢摺⒔Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、損耗較小、控制簡(jiǎn)便。但是在實(shí)際應(yīng)用中單級(jí)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還存在一些缺點(diǎn):儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置不夠靈活，儲(chǔ)能電池的電壓工作范圍較小。
(2)雙級(jí)型拓?fù)?/strong>
雙級(jí)型儲(chǔ)能變流器的拓?fù)浣Y(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(chǔ)能電池組放電時(shí)，儲(chǔ)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(chǔ)能電池組充電時(shí)，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(jìn)入DC/DC變換器，DC/DC變換器將直流電壓降壓后給儲(chǔ)能電池組充電。
圖4雙級(jí)性儲(chǔ)能變流器拓?fù)?/p>
對(duì)于電池單體串聯(lián)和先并后串兩種形式，采用單級(jí)型變流器較為合適。對(duì)于先串后并的電池成組方式，往往采用雙級(jí)型的設(shè)計(jì)方式，使每組串聯(lián)的電池分別通過 1個(gè)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(jí)性變流器拓展圖
這種雙級(jí)型變流器拓?fù)湓诖笕萘績(jī)?chǔ)能系統(tǒng)，可以接入多組電池，各電池組之間通過獨(dú)立的 DC/DC環(huán)節(jié)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)多組電池組的獨(dú)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(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的靈活配置和對(duì)電池組的靈活投切，方便運(yùn)行管理。
然而，雙級(jí)型變流器拓?fù)溆捎诓捎脙杉?jí)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(jí)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(yùn)行可靠性。
按照電平數(shù)劃分，儲(chǔ)能變流器的拓?fù)錈o非有兩種，即兩電平電路拓?fù)浜投嚯娖诫娐吠負(fù)?，其中三電平電路拓?fù)涫嵌嚯娖诫娐吠負(fù)涞囊环N主要代表。
(1)兩電平電路拓?fù)?/strong>
如圖6所示為經(jīng)典的三相橋式兩電平電路拓?fù)?，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?fù)湟鹆巳藗兊闹匾暋?/p>
圖6?兩電平三相橋式電路
（2）三電平電路拓?fù)?/strong>
在高壓領(lǐng)域，多電平電路拓?fù)涞膽?yīng)用更為廣泛在，這其中又以三電平電路拓?fù)錇橹饕恚饕且驗(yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單，方便實(shí)用。與傳統(tǒng)兩電平電路相比，三電平電路多出了中性點(diǎn) 0電位。與傳統(tǒng)的兩電平電路拓?fù)湎啾?，三電平電路的?yōu)點(diǎn)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(jìn)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?fù)錇槔?，其拓?fù)淙鐖D7所示。三電平中間直流側(cè)電容由 C1、C2構(gòu)成。每個(gè)橋上有 4個(gè)IGBT、4個(gè)續(xù)流二極管、2個(gè)鉗位二極管。 通過鉗位二極管保證了兩個(gè)IGBT承受的電壓相同。電容中點(diǎn)與每相的鉗位二極管中點(diǎn)相連，使得電容中點(diǎn)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?fù)?/p>
四、電流檢測(cè)技術(shù)
電流檢測(cè)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(cè)技術(shù)包括電阻采樣和霍爾傳感器采樣。
在實(shí)際應(yīng)用中，MAGTRON CSM系列電流傳感器，基于其自主知識(shí)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(jì)等特點(diǎn)。通過CE、RoHS認(rèn)證，能夠準(zhǔn)確獲取充放電電流，有效優(yōu)化傳統(tǒng)的充放電方式，延長(zhǎng)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(cè)量電流的電池管理（SOC、SOE、SOF等）等應(yīng)用場(chǎng)合，以及純電動(dòng)車、插電混合動(dòng)力汽車及儲(chǔ)能設(shè)備等領(lǐng)域，如新能源電動(dòng)汽車的PACK、BMS、BDU、PDU等。
圖8?儲(chǔ)能系統(tǒng)電流檢測(cè)解決方案
參考文獻(xiàn):
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