淺談儲能變流器（PCS）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及電流檢測
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(fù)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(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)确绞剑@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?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?fù)?/p>
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?fù)湫矢摺⒔Y(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?fù)浣Y(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?fù)?/strong>
雙級型儲能變流器的拓?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?fù)?/p>
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?fù)湓诖笕萘績δ芟到y(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?fù)溆捎诓捎脙杉壞芰孔儞Q，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?fù)錈o非有兩種，即兩電平電路拓?fù)浜投嚯娖诫娐吠負(fù)洌渲腥娖诫娐吠負(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)洌@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)錇橹饕恚饕且驗槠浣Y(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?fù)湎啾龋娖诫娐返膬?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?fù)錇槔渫負(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?fù)?/p>
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(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:
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審核編輯 黃宇
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