王書(shū)毅，李勇琦, 彭鵬, 凌志斌

(1.上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 200240；2.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東 廣州 511400)

0 引 言

儲(chǔ)能是智能電網(wǎng)的重要組成部分。在電網(wǎng)中應(yīng)用儲(chǔ)能，可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)削峰填谷，提高輸變電設(shè)備利用率，促進(jìn)新能源接入、提高電網(wǎng)的安全性和靈活性。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，電網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能容量和響應(yīng)速度有著不同的需求。電池儲(chǔ)能受地理環(huán)境影響小,適用面廣，因而目前儲(chǔ)能工程中以電池儲(chǔ)能項(xiàng)目為主[1]。

能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(Power Conversion System,PCS)是電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心之一。PCS連接電網(wǎng)與電池，實(shí)現(xiàn)交流側(cè)和直流側(cè)功率的雙向流動(dòng)。能量轉(zhuǎn)換效率、單機(jī)容量、對(duì)電池和電網(wǎng)的友好性是其重要技術(shù)指標(biāo)。PCS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略對(duì)上述指標(biāo)有著至關(guān)重要的影響，本文將對(duì)不同PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和適用范圍進(jìn)行分析探討，并總結(jié)電池儲(chǔ)能PCS的技術(shù)發(fā)展方向。

1 兩電平PCS

兩電平儲(chǔ)能系統(tǒng)PCS采用的AC/DC雙向變流器的交流測(cè)輸出電壓為雙電平，再通過(guò)濾波器和變壓器與電網(wǎng)連接。

兩電平結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢(shì)在于：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ，上下兩橋臂互補(bǔ)輸出，實(shí)際需要控制的只有兩個(gè)(半橋模式下)開(kāi)關(guān)管；電路結(jié)構(gòu)中元器件少，系統(tǒng)的通態(tài)壓降小，整個(gè)通態(tài)損耗低；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，發(fā)生意外故障的概率較低。

這種結(jié)構(gòu)也會(huì)帶來(lái)缺點(diǎn)：諧波含量較高，波形較差，增加濾波成本[2]；直流側(cè)存在電流波紋，對(duì)電池壽命有潛在影響；相對(duì)三電平和多電平PCS，兩電平PCS需要更高的開(kāi)關(guān)頻率才能達(dá)到同樣的THD指標(biāo)，因此開(kāi)關(guān)損耗更高，運(yùn)行成本反而在三電平結(jié)構(gòu)之上[3]；受制于電池串聯(lián)數(shù)量，兩電平PCS并網(wǎng)電壓較低，單機(jī)或單模塊容量介于數(shù)十千瓦至數(shù)百千瓦之間，適用于低壓配網(wǎng)應(yīng)用儲(chǔ)能應(yīng)用。

為改善兩電平PCS交流側(cè)電能質(zhì)量，通常通過(guò)串聯(lián)濾波器實(shí)現(xiàn)。常用的濾波器有L濾波器、LC濾波器和LCL濾波器。相同濾波效果下，LCL濾波器的電感值遠(yuǎn)小于L濾波器的電感值，因此體積小、成本低。但濾波器階數(shù)的提高也使得濾波器中電容電感數(shù)值的確定也更加困難，在運(yùn)行時(shí)要注意可能出現(xiàn)的諧振現(xiàn)象，具有較大控制難度。

兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在直流側(cè)有較大的電流波紋，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，有許多文獻(xiàn)進(jìn)行了研究，通常采取無(wú)源濾波、有源濾波和串聯(lián)DC/DC變流器三種方法解決。

文獻(xiàn)[4]提出一種基于耦合變壓器的直流有源濾波電路。在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，由開(kāi)關(guān)引起的高頻分量可以由LC串聯(lián)諧振電路濾除；有源電力濾波器DC-APF檢測(cè)并濾除低頻分量。但是，有源濾波器也存在通帶范圍受有源器件的帶寬限制和可靠性不高的問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用中受到一定限制。文獻(xiàn)[5]驗(yàn)證了串聯(lián)一個(gè)DC/DC變換器來(lái)濾除波紋的可行性，該文采用傳統(tǒng)的雙級(jí)式兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，DC/DC變換器使用直流側(cè)電容電壓與電池端口電流雙閉環(huán)的控制方法，有效濾除了電池側(cè)諧波，并在仿真和試驗(yàn)中驗(yàn)證了該控制方法。需要注意的是，串聯(lián)DC/DC變換器對(duì)系統(tǒng)的效率有明顯的影響。

隨著兩電平PCS技術(shù)的不斷成熟，在電池友好和電網(wǎng)友好方面的問(wèn)題會(huì)得到妥善處理。然而隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)容量要求的不斷提高，在未來(lái)，兩電平PCS的單機(jī)容量限制會(huì)成為新的問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題將會(huì)嚴(yán)重限制兩電平結(jié)構(gòu)在大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)中的運(yùn)用。

2 三電平PCS

三電平PCS可實(shí)現(xiàn)容量較兩電平PCS大，可達(dá)兆瓦級(jí)。

典型的三電平結(jié)構(gòu)有二極管鉗位(Neutral Point-Clamped,NPC)三電平、T型三電平和飛跨電容型三電平。各自拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三電平逆變器各拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

相對(duì)兩電平拓?fù)?，三電平拓?fù)湓诙鄠€(gè)方面具有優(yōu)勢(shì)：某些三電平結(jié)構(gòu)使用多個(gè)開(kāi)關(guān)管串聯(lián)，使得單個(gè)開(kāi)關(guān)管承受的電壓被均分，在直流側(cè)電壓可以采用更高的電壓；相同THD要求下，三電平的開(kāi)關(guān)頻率可明顯低于兩電平結(jié)構(gòu)，能有效降低開(kāi)關(guān)損耗，提高PCS效率；相同開(kāi)關(guān)頻率下，三電平的輸出諧波含量明顯少于兩電平結(jié)構(gòu)，這有利于減小濾波電感，減少系統(tǒng)體積、質(zhì)量和成本；器件承受的電壓壓力小，dv/dt小，有助于減少電子開(kāi)關(guān)器件產(chǎn)生的電磁干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

當(dāng)然，有利必有弊。三電平的不足之處在于：更多的功率器件使得通態(tài)壓降升高，增加了通態(tài)損耗，不利于PCS效率；多一個(gè)輸出電平在增加控制靈活性的同時(shí)也使得控制更加復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度加大。

三電平逆變器結(jié)構(gòu)在運(yùn)行狀態(tài)下，由于電流會(huì)流過(guò)兩個(gè)分壓電容，如果控制方法不當(dāng)或者電力器件不一致導(dǎo)致電荷在一個(gè)電容上累計(jì)，就會(huì)出現(xiàn)中性點(diǎn)電壓偏移的現(xiàn)象，該問(wèn)題體現(xiàn)在大容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)上就表現(xiàn)為導(dǎo)致直流側(cè)上下兩個(gè)電池組荷電狀態(tài)和電壓不均衡。如何克服由于功率器件、控制脈沖等的不一致性和開(kāi)關(guān)狀態(tài)分配不合理導(dǎo)致的中性點(diǎn)偏移是一直是三電平PCS在實(shí)際應(yīng)用中的難點(diǎn)與研究熱點(diǎn)。

文獻(xiàn)[6]在T型三電平電路中增加了一個(gè)均壓橋臂強(qiáng)行對(duì)中點(diǎn)電壓進(jìn)行平衡。也有文獻(xiàn)從控制方法入手，解決中性點(diǎn)偏移問(wèn)題。文獻(xiàn)[7-8]在T型三電平的傳統(tǒng)空間矢量調(diào)制控制中增加了中性點(diǎn)平衡算法來(lái)實(shí)現(xiàn)中性點(diǎn)電壓均衡，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了新型控制方法對(duì)中性點(diǎn)電壓控制的可行性。

文獻(xiàn)[9]研究了二極管鉗位型三電平電路(NPC)在實(shí)際運(yùn)用中的中性點(diǎn)偏移問(wèn)題。該文獻(xiàn)提出并驗(yàn)證了基于空間矢量調(diào)制的控制方法減少中性點(diǎn)的偏移，文章列出了在空間矢量調(diào)制中影響中性點(diǎn)偏移的控制矢量，并分析了各個(gè)控制矢量狀態(tài)下中性點(diǎn)流過(guò)的電流，通過(guò)合理的開(kāi)關(guān)搭配令一個(gè)控制周期內(nèi)中性點(diǎn)流過(guò)的總電流為零，來(lái)保證中性點(diǎn)電壓的穩(wěn)定。

三電平PCS在儲(chǔ)能系統(tǒng)中的表現(xiàn)相較兩電平PCS更勝一籌，但是同樣受制于電池串聯(lián)技術(shù)，單機(jī)容量難以進(jìn)一步增大，運(yùn)用場(chǎng)合被限制在中小型儲(chǔ)能變電站。

3 多電平PCS

構(gòu)建適合于超大容量要求(兆瓦級(jí)到數(shù)十兆瓦級(jí))的電池儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)，打破電池串聯(lián)的限制是關(guān)鍵，一種模塊化多電平PCS結(jié)構(gòu)可以有效減小電池串聯(lián)規(guī)模。

多電平電池儲(chǔ)能系統(tǒng)分為級(jí)聯(lián)H 橋電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(Cascaded H Bridge Based Battery Energy Storage System,CHB-BESS)和模塊化多電平電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(Modular Multilevel Converter Based Battery Energy Storage System，MMC-BESS)兩種。

CHB-BESS的PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 CHB典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通過(guò)功率單元的串聯(lián)，CHB-BESS可方便地得到高電壓，無(wú)須升壓變壓器即可實(shí)現(xiàn)高壓并網(wǎng)，整體效率高；由于避免了電池直接串聯(lián)，在擴(kuò)大系統(tǒng)容量的同時(shí)不會(huì)增加電池短板效應(yīng)；CHB-BESS的功率單元有著相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以方便標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和更換；電池荷電狀態(tài)(State of Charge - SOC)的平衡可以通過(guò)協(xié)調(diào)各個(gè)功率單元功率實(shí)現(xiàn)，管理更便捷；多電平的輸出使得輸出波形更加趨近于標(biāo)準(zhǔn)正弦波，降低了對(duì)濾波器的要求。

在電池SOC均衡方面，CHB-BESS通過(guò)在輸入/輸出參考功率的基礎(chǔ)上產(chǎn)生偏差功率實(shí)現(xiàn)相內(nèi)均衡控制和相間均衡控制。均衡須在輸入輸出功率的過(guò)程中完成，這決定了CHB-BESS只能運(yùn)行時(shí)均衡，故均衡控制的靈活性受到一定的限制。

CHB-BESS的典型應(yīng)用是南方電網(wǎng)2014年投運(yùn)的深圳寶清電池儲(chǔ)能站2 MW/10 kV無(wú)變壓器直掛儲(chǔ)能系統(tǒng)，額定功率下實(shí)測(cè)效率98.3%。文獻(xiàn)[10-13]對(duì)其主電路設(shè)計(jì)、功率控制和SOC均衡進(jìn)行了研究，研究表明，無(wú)變壓器直掛方案減小了損耗，降低了成本，單機(jī)容量可達(dá)10 MW以上，易于實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的大容量化。但是整個(gè)儲(chǔ)能電站對(duì)于CHB-BESS系統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu)利用不夠完善，沒(méi)有達(dá)成不同批次電池混用。CHB-BESS結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)沒(méi)有被充分挖掘。

目前對(duì)CHB-BESS的研究比較成熟，工程應(yīng)用也有突破，在未來(lái)的大容量?jī)?chǔ)能中有很好的應(yīng)用前景。但仍存在一些尚未解決的問(wèn)題，需要繼續(xù)深入研究：①CHB-BESS無(wú)法離線均衡問(wèn)題;②CHB-BESS的模塊化優(yōu)勢(shì)并沒(méi)有得到充分的利用，不同批次電池、不同類(lèi)型電池混用的電池梯次利用的研究尚未深入展開(kāi)。

MMC-BESS在規(guī)?；姵貎?chǔ)能中是非常有前景的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前MMC-BESS有公共直流母線集中布置和子模塊中分散布置兩種形式。圖3所示為儲(chǔ)能電池集中布置和分散接入的MMC-BESS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖3 典型MMC-BESS的PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

儲(chǔ)能電池集中布置的MMC-BESS中，由于沒(méi)有采用模塊化結(jié)構(gòu)隔離電池，隨著容量增大，電池短板效應(yīng)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)影響較大，模塊化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)沒(méi)有得到體現(xiàn)。文獻(xiàn)[14-15]分析對(duì)比了MMC-BESS公共直流母線直接集中布置儲(chǔ)能電池、MMC-BESS分散布置儲(chǔ)能電池、以及CHB-BESS的性能，仿真結(jié)果顯示MMC-BESS分散布置儲(chǔ)能電池效率最優(yōu)，CHB-BESS效率次之，MMC-BESS公共直流母線上直接集中布置儲(chǔ)能電池效率最低。在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中，分散布置的MMC-BESS成為首選拓?fù)洹?/p>

MMC-BESS具有直流側(cè)、交流側(cè)和電池側(cè)三個(gè)端口，通過(guò)控制可以使得能量在三個(gè)端口間流動(dòng)， MMC-BESS系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)新能源側(cè)與交流接口能量的互相傳輸，也可以在電池的參與下，對(duì)交流接口或者直流接口中的任何一方的能量進(jìn)行補(bǔ)充或者分流，由此構(gòu)成12種工作模式[16]。這使得MMC-BESS除了實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電站的常規(guī)功能以外，還可以起到交直流互聯(lián)和功率緩沖的作用。

作為新的電池儲(chǔ)能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，MMC-BESS在調(diào)制技術(shù)方面尚需要進(jìn)一步研究完善，現(xiàn)有研究主要包括但不限于電壓控制、功率平衡控制、儲(chǔ)能單元的控制等方面。文獻(xiàn)[17]對(duì)MMC-BESS的功率控制、模塊均衡、橋臂均衡、相間均衡，以及均衡增益的限制進(jìn)行了理論分析和仿真，其采用的均衡控制原理與CHB-BESS的均衡相同。文獻(xiàn)[18]對(duì)兩級(jí)式MMC-BESS的調(diào)制、功率控制、電池均衡和冗余控制進(jìn)行了研究。其均衡功能利用子模塊的冗余功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)SOC最大的子模塊冗余退出充電，對(duì)SOC最小的子模塊冗余退出放電，從而實(shí)現(xiàn)SOC的均衡。文獻(xiàn)[19]對(duì)MMC-BESS的調(diào)制，相間均衡，功率控制策略進(jìn)行了研究，其相間均衡利用公共直流母線的環(huán)流控制實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[20]則基于全橋和半橋混合MMC-BESS研究了公共直流母線故障時(shí)的運(yùn)行控制并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了驗(yàn)證。

未來(lái)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于PCS的可靠性要求愈加嚴(yán)苛。在電池生產(chǎn)滿足六西格瑪質(zhì)量管理規(guī)范的情況下，不合格率為3.47×10-4%。據(jù)此計(jì)算出電池儲(chǔ)能系統(tǒng)故障率與電池?cái)?shù)量的關(guān)系如表1所示。

表1 電池?cái)?shù)量與系統(tǒng)故障率關(guān)系

由于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)所需電池?cái)?shù)量眾多，對(duì)于一個(gè)采用1萬(wàn)只單體電池的儲(chǔ)能系統(tǒng)，其電池故障率將達(dá)到3.41%，如此高的故障率在實(shí)際應(yīng)用中是不可接受的。因此可實(shí)現(xiàn)故障冗余的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有特別的現(xiàn)實(shí)意義。

模塊化形式的CHB-BESS和儲(chǔ)能電池分散布置的MMC-BESS中，電池分散布置到每個(gè)功率單元中，通過(guò)設(shè)置冗余功率單元，可以極大地提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性。文獻(xiàn)[21-22]分別在單一種類(lèi)模塊和多種模塊混用的情況下對(duì)PCS的可靠性進(jìn)行建模并量化計(jì)算。以化整為零的思路，從器件可靠性到模塊可靠性，再推算出整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，并計(jì)算冗余結(jié)構(gòu)的價(jià)值。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于單相12個(gè)模塊的MMC結(jié)構(gòu)，若以我國(guó)主要輸電設(shè)施可靠壽命指標(biāo)作為參考，在兩個(gè)冗余模塊的情況下，其可靠性與220 kV變壓器相當(dāng)，三相可靠性均優(yōu)于架空線平均水平。

無(wú)論是CHB-BESS，還是MMC-BESS，其共同的特點(diǎn)是以模塊的形式隔離了電池特性的差異，這減弱了電池儲(chǔ)能應(yīng)用中短板效應(yīng)。一方面，通過(guò)模塊的交流測(cè)串聯(lián)可以提高直流側(cè)電壓等級(jí)和擴(kuò)容；另一方面，由于避免了大量電池直接串聯(lián)，也使得不同批次，甚至是不同類(lèi)型電池的混用成為可能。目前CHB-BESS已經(jīng)實(shí)際投運(yùn)，而MMC-BESS雖然尚處于初步的研究階段，但是其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)必將成為未來(lái)電池儲(chǔ)能的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。今后對(duì)CHB-BESS和MMC-BESS的研究應(yīng)著重在兩個(gè)方面：①適合多電平結(jié)構(gòu)功率均衡控制算法，在傳統(tǒng)的直流側(cè)交流測(cè)轉(zhuǎn)換同時(shí)，注意模塊之間的平衡；②研究電池梯次利用及其配套的電池分布方式和控制方法，以進(jìn)一步降低電池儲(chǔ)能成本。

對(duì)于第二點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)在子模塊層次上實(shí)現(xiàn)電池的梯次利用和混用，主要需要解決的是電池的差異給BESS帶來(lái)的內(nèi)部差異性和BESS間差異性的問(wèn)題。具體需要解決的問(wèn)題包括以下兩點(diǎn)：

(1)BESS常不可避免地需要進(jìn)行并聯(lián)運(yùn)行。并聯(lián)運(yùn)行的不同廠家的BESS之間在模塊數(shù)量、主電路參數(shù)、控制策略和PWM時(shí)序等方面均可能存在差異，導(dǎo)致并聯(lián)運(yùn)行的兩臺(tái)或多臺(tái)BESS之間產(chǎn)生的直流、工頻進(jìn)而高頻環(huán)流，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

(2)電池梯次利用和混用的BESS的子模塊電池的離散型大，運(yùn)行中出現(xiàn)較大SOC差異的可能性大。由此對(duì)BESS的均衡能力提出了更高的要求，同時(shí)也需要對(duì)均衡能力的邊界有定量的掌握以指導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心之一，其性能直接關(guān)系到系統(tǒng)的可靠性，可用率和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。不同的電池儲(chǔ)能PCS適用范圍不同，本文綜述了當(dāng)前各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)和研究熱點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上指出了未來(lái)PCS可能的發(fā)展方向。

(1)兩電平PCS技術(shù)成熟，工程應(yīng)用較多，目前是單機(jī)功率較小(1 MW以內(nèi))，在穩(wěn)定性和可靠性要求高的場(chǎng)合的首選。

(2)三電平PCS正在發(fā)展過(guò)程中，技術(shù)比較成熟，單機(jī)容量在MW級(jí)，在功率較大和一些波形輸出和系統(tǒng)效率要求較高的場(chǎng)合可以替代兩電平PCS，但目前應(yīng)用較少。

(3)CHB多電平PCS單機(jī)容量可達(dá)十兆瓦級(jí)，目前已有示范應(yīng)用，理論研究已經(jīng)比較完善，技術(shù)成熟度較高，但在工程應(yīng)用中電池均衡控制、梯次利用等方面尚需進(jìn)一步加強(qiáng)。

(4)MMC多電平是較為新型的電池儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)特的三端口優(yōu)勢(shì)，目前尚處于理論初步研究階段。隨著研究的不斷深入，將在未來(lái)得到更多的實(shí)際應(yīng)用。

隨著電池儲(chǔ)能規(guī)模的擴(kuò)大，人們對(duì)能量轉(zhuǎn)換效率和電能質(zhì)量的問(wèn)題更加關(guān)注。多電平結(jié)構(gòu)無(wú)論在效率、波形、單機(jī)容量和模塊化開(kāi)發(fā)與維護(hù)方面均具有顯著優(yōu)勢(shì)，將是未來(lái)大規(guī)模電池儲(chǔ)能的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向。