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浅谈储能变流器拓扑结构及电流检测

2024-02-07 09:00:00 浙江巨磁智能技术有限公司高建峰 阅读:
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。

为了实现2030年碳达峰,2060年碳中和,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kWh,较2021年增加2073亿kWh,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。xZRednc

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)。xZRednc

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图1:国内新型储能装机柱状图。xZRednc

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。xZRednc

PCS概述

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。xZRednc

PCS由DC/AC双向变流器和控制单元等构成(图2)。PCS控制器通过通信接收后台控制指令,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通信以及干接点传输等方式,获取电池组状态信息,实现对电池的保护性充放电,确保电池运行安全。xZRednc

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图2:储能设备系统框图。xZRednc

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。xZRednc

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,其存储的直流电能量通过PWM逆变器进行DC/AC逆变,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。xZRednc

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图3:单级型储能变流器拓扑。xZRednc

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。xZRednc

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。xZRednc

双级型拓扑

双级型储能变流器的拓扑结构如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变换器再将直流电压降压后给储能电池组充电。xZRednc

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图4:双级型储能变流器拓扑。xZRednc

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5所示。xZRednc

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图5:双级型变流器拓展图。xZRednc

这种双级型变流器拓扑,可在大容量储能系统中接入多组电池。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,可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。xZRednc

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。xZRednc

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。xZRednc

两电平电路拓扑

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和-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。xZRednc

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图6:两电平三相桥式电路。xZRednc

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。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。xZRednc

以二极管中点钳位(NPC)式三电平电路拓扑为例,其拓扑如7所示。三电平中间直流侧电容由C1和C2构成。每个桥上有4个IGBT、4个续流二极管和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、0和-Ud/2三种电平。xZRednc

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图7:二极管NPC电平拓扑。xZRednc

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。xZRednc

在实际应用中,巨磁智能(MAGTRON)CSM系列电流传感器,基于自主知识产权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(图8)。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。xZRednc

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应用场合,如荷电状态(SOC)、能量状态(SOE)和功能状态(SOF)等,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电池包、电池管理系统(BMS)、电池包断路单元(BDU)和配电单元(PDU)等。xZRednc

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图8:储能系统电流检测解决方案。xZRednc

参考文献

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

本文为《电子技术设计》2024年2月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里xZRednc

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