謝志佳，馬會萌，靳文濤

(中國電力科學研究院，北京市 100192)

0 引言

隨著全球經濟的迅速發(fā)展，人類長久賴以生存的石油、天然氣、煤炭等不可再生能源迅速地接近枯竭，在人類面對的能源困境中，太陽能、風能、生物質能、潮汐能等清潔能源迅猛發(fā)展。然而現(xiàn)已開發(fā)的新能源發(fā)電站，普遍存在著輸出電能變化大、不穩(wěn)定和不可預測的問題［1］。例如2011年我國光伏裝機為3 GW，而國家能源局統(tǒng)計數據指出，光伏并網裝機容量僅為2.14 GW。這意味著，全國光伏裝機中約有29%光伏系統(tǒng)尚未并網。電池儲能系統(tǒng)不僅能夠提高間歇性能源并網發(fā)電能力，而且在電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、配電和用電環(huán)節(jié)中都發(fā)揮著積極的作用，可以完成電網的削峰填谷、過負荷沖擊調節(jié)、頻率調節(jié)及提高電能質量，達到電網安全性的目的［2-5］。

電池儲能系統(tǒng)的一個重要組成部分就是能量轉換系統(tǒng)(power conversion system，PCS)。通過PCS可以實現(xiàn)電池儲能系統(tǒng)直流電池與交流電網之間的雙向能量傳遞，通過控制策略實現(xiàn)對電池系統(tǒng)的充放電管理、網側負荷功率的跟蹤、電池儲能系統(tǒng)充放電功率的控制、正常及孤島運行方式下網側電壓的控制等。PCS裝置已在太陽能、風能等分布式發(fā)電技術中有較多的應用，并逐漸應用于飛輪儲能、超級電容器、電池儲能等小容量雙向功率傳遞的儲能系統(tǒng)中［6］。近年來，隨著電池技術與電力電子技術的不斷進步，PCS拓撲結構能夠不斷改進。新型PCS拓撲結構正向著具有更小裝置整體損耗、更高可靠性以及形成更加方便和高效的模塊化結構方向發(fā)展。因此有必要對各種PCS拓撲結構進行對比分析。

1 PCS中變流器部分

變流器(converter)是使電源系統(tǒng)的電壓、頻率、相數和其他電量或特性發(fā)生變化的電器設備［7］。PCS中常用的變流器是雙向DC/DC變流器和雙向DC/AC變流器。雙向DC/DC變流器用來調整直流鏈電壓;雙向DC/AC起到整流和逆變功能，實現(xiàn)電池儲能系統(tǒng)與電網能量交互。

1.1 含DC/DC與DC/AC環(huán)節(jié)的變流器

電池儲能系統(tǒng)中最常見的PCS拓撲結構為含DC/DC與DC/AC環(huán)節(jié)的變流器拓撲結構，如圖1所示。雙向DC/DC環(huán)節(jié)主要是進行升、降壓變換，提供穩(wěn)定的直流電壓。儲能電池充電時，雙向DC/AC變流器工作在整流狀態(tài)，將電網側交流電壓整流為直流電壓，該電壓經雙向DC/DC變換器降壓得到儲能電池充電電壓;儲能電池放電時，雙向DC/AC變流器工作在逆變狀態(tài)，雙向DC/DC變換器升壓向DC/AC變流器提供直流側輸入側電壓，經變流器輸出合適的交流電壓。

圖1 含DC/DC與DC/AC環(huán)節(jié)的變流器拓撲結構Fig.1Topological structure of converter containing DC/DC link and DC/AC link

這種含DC/DC和DC/AC環(huán)節(jié)的PCS拓撲結構的主要優(yōu)點是適應性強，可實現(xiàn)對多串并聯(lián)的電池模塊的充放電管理;由于DC/DC環(huán)節(jié)可實現(xiàn)直流電壓的升降，使得儲能電池的容量配置更加靈活;適于配合風電、光伏等間歇性、波動性比較強的分布式電源的接入，抑制其直接并網可能帶來電壓波動。主要缺點是由于存在DC/DC環(huán)節(jié)，使得整個PCS系統(tǒng)的能量轉換效率有所降低;大容量PCS的DC/DC與DC/ AC環(huán)節(jié)的開關頻率、容量及協(xié)調配合關系復雜。

除圖1所示拓撲結構外，包含DC/DC和DC/AC環(huán)節(jié)的PCS拓撲結構還有2種，如圖2所示。圖2 (a)是包含DC/DC環(huán)節(jié)的共直流側變流器的拓撲結構，這種結構的擴容方式是，多組儲能電池組分別經過各自的DC/DC環(huán)節(jié)后并聯(lián)，再共用1個DC/AC環(huán)節(jié)，然后經濾波器濾波后并網。圖2(b)是包含DC/ DC環(huán)節(jié)的共交流側變流器的拓撲結構，這種結構的擴容方式是多組電池組分別經過各自的DC/DC和DC/AC環(huán)節(jié)后再并聯(lián)，并聯(lián)后經過濾波器濾波后并網。

圖2 含DC/DC與DC/AC環(huán)節(jié)的變流器并聯(lián)拓撲結構Fig.2Parallel topological structure of converter containing DC/DC link and DC/AC link

與圖1所示拓撲結構相比，圖2所示拓撲結構的優(yōu)點是:采用模塊化連接方式，配置更加靈活;通過并聯(lián)DC/DC變換器達到系統(tǒng)容量需求，避免多組儲能電池的并聯(lián)，降低了整個系統(tǒng)對儲能電池電壓特性的要求;當個別儲能電池組或并聯(lián)變換器出現(xiàn)故障時，儲能系統(tǒng)仍可正常工作，提高了整個儲能系統(tǒng)穩(wěn)定性;減小了對單個電力電子器件功率等級的要求。但是這2種結構不足之處是增加了器件個數，使控制系統(tǒng)設計更加復雜。

1.2 僅含DC/AC環(huán)節(jié)的變流器

僅含DC/AC環(huán)節(jié)的PCS拓撲結構如圖3所示，在這種結構的PCS中，儲能電池經過串并聯(lián)后，直接連接DC/AC的直流端。儲能電池系統(tǒng)充電時，雙向DC/AC變流器工作在整流器狀態(tài)，將系統(tǒng)側交流電轉換為直流電，將能量儲存在儲能電池中;儲能電池系統(tǒng)放電時，雙向DC/AC變流器工作在變流器狀態(tài)，將儲能電池釋放的能量由直流轉換為交流回饋外部系統(tǒng)。

圖3 僅含DC/AC環(huán)節(jié)的變流器拓撲結構Fig.3Topological structure of converter only containing DC/AC link

這種僅含DC/AC環(huán)節(jié)的PCS拓撲結構的優(yōu)點是:適于電網中分布式獨立電源并網，結構簡單，PCS環(huán)節(jié)能耗相對較低。該結構的主要缺點是:系統(tǒng)體積大，造價高;儲能系統(tǒng)的容量選擇缺乏靈活性;電網側發(fā)生短路故障有可能在PCS直流側產生短時大電流，對電池系統(tǒng)產生較大沖擊等。

僅包含DC/AC環(huán)節(jié)的PCS的另外一種拓撲結構如圖4所示，為僅含DC/AC環(huán)節(jié)的共交流側變流器拓撲結構。這種拓撲結構的擴容方式是多組電池組分別經過各自的DC/AC環(huán)節(jié)后再并聯(lián)，并聯(lián)后經過濾波器濾波后并網。

圖4 僅含DC/AC環(huán)節(jié)的共交流側變流器拓撲結構Fig.4Topological structure of converter containing DC/AC link and parallel at AC side

與圖3所示的拓撲結構相比，圖4所示的拓撲結構的優(yōu)點是:采用模塊化連接方式，配置更加靈活;當個別儲能電池組或并聯(lián)變換器出現(xiàn)故障時，儲能系統(tǒng)仍可正常工作，提高了整個儲能系統(tǒng)穩(wěn)定性;減小了對單個電力電子器件功率等級的要求。但是這種結構同樣存在電力電子器件增多，控制系統(tǒng)設計復雜等不足。

1.3 含Z源與DC/AC環(huán)節(jié)的變流器

含Z源與DC/AC環(huán)節(jié)的變流器拓撲結構如圖5所示。在傳統(tǒng)變流電路中，逆變橋的任何1相、2相或3相橋臂的2個絕緣柵雙極性晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)同時導通的直通狀態(tài)是被嚴格禁止的，因為這會造成電壓源短路損壞設備。而Z源變流器由于加入了阻抗網絡，允許發(fā)生這種狀態(tài)。在直通狀態(tài)下，Z源網絡中的電感被充電;在非直通狀態(tài)下，電感中的能量被釋放。Z源變流器就是通過給橋臂加入直通狀態(tài)，使直通狀態(tài)和非直通狀態(tài)按預設的升壓調制方式交替出現(xiàn)來實現(xiàn)直流鏈電壓泵升的［8-9］。

圖5 含Z源與DC/AC環(huán)節(jié)的變流器拓撲結構Fig.5Topological structure of converter containing Z-source and DC/AC link

將Z源阻抗網絡和全橋變流器結合在一起的變流器拓撲主要優(yōu)點有:允許逆變橋上下管直通狀態(tài)，提高了變流器的安全性和可靠性;在系統(tǒng)不附加升壓環(huán)節(jié)的情況下，可以通過插入直通時間，運用直通零電壓來升高直流電壓以實現(xiàn)變流器的升壓功能;升降壓比高，使儲能電池容量選擇范圍寬泛;輸出電壓與交流電網電壓相同，甚至比電網電壓更高;消除由死區(qū)帶來的輸出電壓波形畸變。

1.4 級聯(lián)H橋變流器

級聯(lián)H橋拓撲結構如圖6所示。級聯(lián)型H橋變流器每相由若干功率單元組成，電池組連接到功率單元兩端。每個功率單元中有2對開關狀態(tài)互補的開關，其每對互補開關的動作將導致該相的輸出電壓上升或下降1個單元直流母線電壓。通過合理選擇產生上升沿和下降沿的開關組合，即可完成不同開關間的輪換，免除了2個開關周期間的開關動作，達到降低開關頻率的目的。具體選擇方法為:根據開關當前狀態(tài)將開關分為2組:一組為開關動作后將導致輸出電壓上升，另一組為開關動作后將導致輸出電壓下降。根據輸出波形的需要，從中選擇未動作時間最長的2組開關來完成電壓波形的輸出。

H橋級聯(lián)型多電平變流器的優(yōu)點是:采用多個功率單元串聯(lián)的方法來實現(xiàn)高壓輸出，需要實現(xiàn)高壓時，

圖6 級聯(lián)H橋變流器拓撲結構Fig.6Topological structure of cascaded H-bridge converter

只需簡單增加單元數即可，避免儲能電池串聯(lián);H橋級聯(lián)型多電平變流器的每個變流器單元的結構相同，容易進行模塊化設計和封裝;每個功率單元都是分離的直流電源，之間彼此獨立，對一個單元的控制不會影響其他單元;直流側的均壓比較容易實現(xiàn)，各變流器單元的工作負荷一致。

2 PCS中濾波器部分

并網變流器濾波的主要作用是:有效地抑制了輸出電流的過分波動;將開關動作所產生的高頻電流成分濾除;輸出濾波電感相當于連接電網和逆變橋的杠桿，通過它可以控制并網電流的幅值和相位，從而實現(xiàn)控制并網變流器的功率輸出，可以實現(xiàn)功率因數等于1，也可以根據需要向電網輸送無功功率，甚至實現(xiàn)網側純電感、純電容運行特性［10-12］。

目前常見的變流器輸出濾波器一般有3種形式: L濾波器、LC濾波器和LCL濾波器。根據變流器運行不同狀態(tài)，所選取的濾波器形式也不相同。

2.1 L 濾波器

單電感L濾波器的結構簡單，其拓撲結構如圖7所示。L濾波器并網電流控制容易，但其高頻濾波特性差，不適合開關頻率較低的應用場合。典型的并網變流器通過串聯(lián)電感濾波器，來衰減輸出電流中的開關頻率諧波分量，但在低開關頻率的大功率并網變流器中，采用電感濾波需要較大的電感量，電感值的增加不但提高了成本而且不利于變流器的控制。

圖7 L濾波器拓撲結構Fig.7Topological structure of L filter

2.2 LC濾波器

由于變流器以高頻脈沖寬度調制(pulse width modulation，PWM)方式工作，所以輸出濾波器的作用是濾掉高次諧波分量，使輸出電壓接近正弦波。LC濾波器拓撲結構如圖8所示，其控制策略簡單，與單電感L濾波器相比，電路中的電容能有效地衰減并網電流的高頻成分，而且適合于實現(xiàn)并網與獨立2種運行模式間的切換。

圖8 LC濾波器拓撲結構Fig.8Topological structure of LC filter

LC濾波器的優(yōu)點是成本低，插入損耗小。不足之處是當工作頻率較低時，所需要的電感和電容數值都很大，使得濾波器的體積和質量大;不易集成化;工作頻率較高時，小電感不易制作;且分布參數影響難估計，調整困難。

2.3 LCL濾波器

圖9所示為LCL濾波器拓撲結構。LCL濾波器的高頻衰減特性好，但濾波元件參數設計及并網電流控制策略較為復雜。LCL濾波為三階系統(tǒng)，具有更好的高頻衰減特性，對高頻分量呈高阻態(tài)。要達到相同的濾波效果，LCL濾波器總電感量比L濾波器小得多。但作為三階系統(tǒng)，LCL濾波需要確定2個電感量，1個電容量，增加了設計難度;而且LCL濾波還有諧振問題，控制回路設計比較復雜。

圖9 LCL濾波器拓撲結構Fig.9Topological structure of LCL filter

3 優(yōu)化的PCS拓撲結構

通過對PCS的變流器部分和濾波器部分的拓撲結構的分析發(fā)現(xiàn):

(1)在變流器方面，雖然含級聯(lián)H橋變流器與含DC/DC和DC/AC環(huán)節(jié)的PCS裝置的電池組的配置更靈活，對電池的充放電管理更準確、可靠;但隨著電池技術的發(fā)展，僅依靠電池串并聯(lián)達到穩(wěn)定的功率及容量需求成為可能，這樣就可省去DC/DC環(huán)節(jié)，不僅減少器件數量，也使得控制更為簡單，更重要的是提高了能量轉換效率。含Z源網絡的變流器，允許逆變橋上下管直通狀態(tài)，省去死區(qū)補償環(huán)節(jié)，提高了變流器的安全性和可靠性，提高輸出波形質量，并且具有高升降壓比。

(2)在濾波器方面，LCL濾波器在高頻段具有較快的衰減特性，可以很好地抑制高次諧波，從而能有效地降低電感的值。在大功率場合可以相對減小系統(tǒng)的體積和成本，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，并且受電網的影響較小。

因此，提出含Z源網絡和LCL濾波器的變流器拓撲結構和僅含DC/AC環(huán)節(jié)和LCL濾波器的變流器拓撲結構的2種電池儲能系統(tǒng)PCS拓撲結構，如圖10、11所示。

在含Z源網絡和LCL濾波器的變流器中，儲能電池系統(tǒng)通過Z源網絡進行直流電壓前調解，提供穩(wěn)定的直流鏈電壓。這種拓撲結構的變流器的優(yōu)點是允許逆變橋上下管直通狀態(tài)，具有更高的安全性;同時升降壓比高，對電池系統(tǒng)的電壓要求比較寬泛。不足之處是，Z源網絡需要加入大電感，增大了系統(tǒng)的體積。

在僅含DC/AC環(huán)節(jié)和LCL濾波器的變流器中，儲能系統(tǒng)直接與雙向DC/AC變流器連接。這種結構的優(yōu)點是省去部分功率轉換器件，提高了系統(tǒng)整體效率;不足的是對電池的電壓特性要求很高。

4 結語

隨著電池技術的發(fā)展，僅含DC/AC環(huán)節(jié)的變流器和含Z源網絡與DC/AC環(huán)節(jié)的變流器，將由于器件數量少，控制簡單，能量轉換效率高，輸出波形質量好等原因得到更廣泛的應用。同時，LCL型變流器由于可以很好抑制高次諧波，有效地降低電感值，減小系統(tǒng)的體積和成本，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，將成為PCS濾波器的主流。

［1］呂志盛，閆立偉，羅艾青，等.新能源發(fā)電并網對電網電能質量的影響研究［J］.華東電力，2012，40(2):251-256.

［2］張文亮.丘明.來小康.儲能技術在電力系統(tǒng)中的應用［J］.電網技術，2008，32(7):1-9.

［3］梁亮，李建林，惠東.大型風電場用儲能裝置容量的優(yōu)化配置［J］.高電壓技術，2011，37(4):136-142.

［4］梁亮，李建林，惠東.光伏－儲能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運行機理及控制策略［J］.電力自動化設備，2011，31(8):24-27.

［5］楊水麗，惠東，李建林，等.適用于風電場的最佳電池容量選取的方法［J］.電力建設，2010，31(9):1-4.

［6］李戰(zhàn)鷹，胡玉峰，吳俊陽.大容量電池儲能系統(tǒng)PCS拓撲結構研究［J］.南方電網技術，2010，4(5):39-42.

［7］王兆安，劉進軍.電力電子技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009.

［8］Peng F Z.Z-source inverter［J］.IEEE Transactions on Industry Application，2003，39(2):504-510.

［9］王利民，錢照明，彭方正.Z源升壓變換器［J］.電氣傳動，2006，36 (1):28-29，32.

［10］茅建華.無源消諧濾波器LC參數選擇原則的研究［J］.電力建設，2005，26(5):53-55.

［11］張國志，成衛(wèi).結合濾波器頻率特性綜合測試系統(tǒng)［J］.電力建設，2006，27(9):73-76.

［12］張永春，齊月文.限制高次諧波進入電力系統(tǒng)的措施［J］.電力建設，2004，25(3):52-54.

(編輯:魏希輝)