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图1 DC/AC 单级结构
图2 DC/DC+DC/AC 双极式结构
受电池串联规模的制约,两电平储能PCS直流侧电压600~800 V,均采用低压并网,多用于低压220/380 V场合。因此单机容量较小,从几千瓦到兆瓦,其中绝大多数不超过500 kW。在需要大容量的场合采用多PCS并联提高储能系统容量,利用升压变压器并入中压电网。两电平储能PCS多采用LCL滤波以改善并网电流质量同时降低成本和减小体积,其控制环路阶数高,控制复杂,在弱电网下多机并联容易产生稳定性问题。
4.2 三电平PCS
为提高储能单机容量和改善电能质量,学者对三电平变流器在电池储能方面的应用展开了研究。三电平储能变流器需要对注入直流中性点的平均直流电流进行控制以取得对上下电池组的均衡。在相同的器件条件下,三电平储能变流器可以得到比两电平储能变流器更高的输出电压和更高的容量,直接输出电压可以达到数千伏,单机容量可达数兆瓦,适合单机容量需求较大的场合。
目前三电平储能PCS尚处于研究阶段,未见实际应用的报道。
4.3 级联H桥多电平PCS
多电平PCS又分为级联H桥(cascaded H bridge,CHB)和模块化多电平(modular multilevel converter,MMC)2种。CHB和MMC结构具有高度模块化的特点、优良的输出特性和简单的电压扩展方式。基于上述2种结构的PCS对功率的控制粒度为一个子模块,可从电路控制的角度促进电池的梯次利用。在某一子模块故障时将其旁路可实现冗余容错运行。通过对不同子模块的差别化控制,该结构还可以现实BESS的相内均衡和相间均衡。
日本学者于2008年对CHB拓扑结构应用于电池储能进行了研究,搭建了200 V/10 kW/3.6 kWh的实验室验证系统,验证了功率控制和相内、相间的均衡控制。CHB-BESS拓扑结构见图3。
图3 CHB-BESS拓扑结构图
在此基础上,2014年进一步实现了500 kW/1.5 kV的级联H桥电池储能系统(cascaded H bridge based battery energy storage system,CHB-BESS),该CHB-BESS三相星形连接,每相6个子模块,通过1.5 kV/6.6 kV升压变压器并网。其CHB-BESS采用PCS和储能电池分别集中布置,其CHB结构的PCS见图4。
图4 日本500kW/1.5kV CHB结构PCS
CHB-BESS无公共直流母线,故只能应用于交流电网。国内外众多学者对CHB-BESS展开了研究。
中国南方电网公司2014年在深圳宝清电池储能站建设了2 MW/10 kV无变压器直接中压并网的CHB-BESS,效率达98.3%。文献[15-18]对其主电路设计、功率控制、冗余控制和SOC均衡进行了研究,同时指出:不经过工频变压器而把储能系统直接接入中压电网,减小了损耗并降低了成本,该结构单机容量可达10 MW以上,易于实现储能系统的大容量化。文献[19]对该CHB-BESS可能的接地故障、影响范围及其保护进行了初步分析。
与日本CHB-BESS不同,宝清储能站的CHB-BESS采用电池分散布置的方式,其储能电池与对应的PCS功率模块就近布置在一起,以尽可能减小直流侧分布参数及其影响。宝清电池储能站见图5。
图5 深圳宝清电池储能站CHB-BESS
从研究与应用情况看,对CHB-BESS的研究比较多,工程上也有应用,但仍有一些不足。目前,CHB-BESS的相内均衡控制和相间均衡控制均是在输入/输出参考功率的基础上产生偏差功率来实现,即均衡必须在输入输出功率的过程中完成,这决定了CHB-BESS只能运行时均衡,而不能离线均衡,故均衡控制的灵活性受到一定的限制。
另一方面,CHB-BESS的特点和潜力尚未得到充分挖掘。利用其模块化结构的特点进行不同批次电池、不同类型电池混用的电池梯次利用的研究尚未深入展开。
4.4 模块化多电平PCS
模块化多电平电池储能系统(modular multilevel converter based battery energy storage system,MMC-BESS)在规模化电池储能中是非常有前景的拓扑结构,目前相关研究包括配合光伏发电接入、作为电动汽车充电站能量缓冲器和牵引系统等。
MMC-BESS有2种布置电池的形式:在公共直流母线集中布置和子模块中分散布置。文献[20]将MMC-BESS与光伏结合,在MMC子模块的直流侧接入分布式光伏,在公共直流母线上集中储能。文献[23-24]分析对比了MMC公共直流母线直接集中布置储能电池、MMC分散布置储能电池以及CHB-BESS的性能,仿真结果显示MMC分散布置储能电池效率最优,CHB-BESS效率次之,MMC公共直流母线上直接集中布置储能电池效率最低。
根据功率流向,MMC-BESS有着12种不同的运行方式,较MMC-HVDC复杂很多,其控制策略需要进行深入细致地研究。
图6为储能电池分散接入的MMC-BESS拓扑结构图。由于MMC结构中每个子模块均是可控的,因此MMC-BESS对电池的功率控制粒度为一个子模块。
图6 储能电池分散布置的MMC-BESS拓扑结构图
MMC-BESS作为MMC与电池储能的结合,虽然与柔性直流输电同为模块化多电平的结构,在技术方面与MMC有很多相同之处,但其子模块电路结构不同,模块数量差异大,在调制方法、子模块均衡、子模块控制、主电路电压等级与参数设计等方面有其特殊之处。
文献[26]对MMC-BESS的功率控制、模块均衡、桥臂均衡、相间均衡以及均衡增益的限制进行了理论分析和仿真,其采用的均衡控制原理与CHB-BESS的均衡思路相同。文献[27]对两级式MMC-BESS的调制、功率控制、电池均衡和冗余控制进行了研究。其均衡功能利用子模块的冗余功能来实现,具体为:对SOC最大的子模块冗余退出充电,对SOC最小的子模块冗余退出放电,从而实现SOC的均衡。文献[28]对MMC-BESS的调制,相间均衡,功率控制策略进行了研究,其相间均衡利用公共直流母线的环流控制实现。
将光伏组件接到MMC-BESS直流端,直流端口采用变电压运行实现光伏发电的最大功率跟踪,通过一级功率变换即可实现光伏发电和电池充放电控制功能,提高了光伏发电和储能的综合效率。
与基于H桥级联的储能系统一样,MMC结构储能系统PCS控制粒度为一个储能模块。应用于中低压微网/配电网时,通过增加每相模块的数量,可以使得单个模块的电压等级降低到100 V以内,甚至48 V、36 V或24 V。模块电压的降低增加了对电池管理的细粒度,降低了电池管理系统的压力。在模块内部这种低电压场合,功率MOSFET较IGBT在效率上更具优势。由于单个模块电压的降低,模块功率的减小,可以采用软开关技术进一步提高储能系统的效率。
因避免了电池的直接串并联,以模块的形式隔离了电池特性的差异,即使各个模块中采用不同类型的电池,只要辅以合适、完善的电池管理系统,甚至电池容量不同也可以在MMC结构的储能系统中混合使用。
5 结语
大规模电池储能系统的工程设计和应用中,选择何种技术路线,除了考虑技术的先进性,整体成本和技术的成熟度也是至关重要的因素。合理的电池梯次利用可以有效降低电池全寿命周期成本,有利于电池储能的推广应用。
电池储能系统的拓扑结构决定了电池储能应用的电气规模和性能。两电平PCS技术单机成熟度最高,但单机容量小,大规模并联时PCS之间相互影响造成的稳定性问题短时难以解决。
从拓扑结构特点和级联H桥在相关领域的应用来看,CHB结构PCS单机容量在并网电压为10 kV时可以达到10~20 MW,在并网电压为35 kV时,单机容量可达40~50 MW,因此构成大规模电池储能系统所需机组少。且由于CHB-BESS仅需采用电感并网,单机控制模型的阶数低,并联运行时储能站控制环路模型与耦合也远远低于小容量电池储能系统的低压并联时的情况,不易发生稳定性问题。
基于MMC的PCS构成的MMC-BESS尚处于研究起步阶段,多数研究是参照对MMC-HVDC的研究移植而来。鉴于MMC-BESS的运行和控制有其特殊性且其运行模式远较MMC-HVDC复杂,目前对MMC-BESS 的研究尚不全面。
无论是CHB-BESS,还是MMC-BESS,其共同的特点是以模块的形式隔离了电池特性的差异。实现相同容量时,MMC-BESS和CHB-BESS比两电平BESS的电池串并联规模要低一个数量级,这在细化电池管理的同时,极大地降低了电池均衡的压力。反之,在相同的电池串并联规模下,MMC-BESS和CHB-BESS可实现比两电平BESS高出一个数量级的容量。得益于模块化拓扑具有对各个子模块相对独立的功率控制能力,使得在各子模块中采用不同梯次和不同类型的电池成为可能。
作者简介:
凌志斌,男,博士,副教授,从事电池储能系统和新能源发电技术方面研究工作。
黄中,男,硕士研究生,从事电池储能技术方面研究。
田凯,男,硕士研究生,从事电池储能技术方面研究。
引文信息
凌志斌,黄中,田凯.大容量电池储能系统技术现状与发展[J].供用电,2018,35(9):3-8,21.
LING Zhibin,HUANG Zhong,TIAN Kai,et al. The state of art and trend of large scale battery energy storage system technology[ J]. Distribution & Utilization,2018,35(9):3-8,21.
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