储能分系统拓扑结构分析比选

储能分系统拓扑结构分析比选

窦月莹 

云南电网有限责任公司文山供电局  云南 文山 663000

摘要：在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以外，整体成本和技术的成熟度也是至关重要的因素。针对目前电池储能系统应用在装备层面的主要限制问题，研究了大规模电池储能系统的关键技术，主要包括长寿命低成本电池技术、高性能的电池管理技术、电池组合应用技术、电池储能系统的多种拓扑结构。其中，针对电池储能系统的不同拓扑结构，分析了研究现状、应用情况以及优劣势，并进行了总结。

关键词：储能系统；拓扑结构

当前，电池储能应用在装备层面受限于3个因素：①长循环寿命低成本的电池技术；②高精度高性能的电池管理技术；③电池组合应用技术。这3个因素相互影响、相互制约。

在电池储能系统（BESS）中，PCS实现储能系统和电网间能量双向流动，其性能直接影响着储能系统电气性能。PCS的拓扑结构就是电池储能系统的拓扑结构，直接决定了BESS的电气结构和集成方式。在当前功率器件性能和电池特性的约束条件下，不同的拓扑结构可以实现的电池储能系统容量等级范围各不相同。电池储能应用中，利用电路拓扑结构的模块化来降低电池直接串并联的规模，从而细化电池管理和功率控制的粒度，这样一方面可以降低电池筛选和组配的难度，另一方面也增加了对电池管理和控制的手段。

PCS是储能系统并网的核心部分，基本功能是实现电化学储能电池与电网之间的能量双向传递，其核心是电压源换流单元。PCS的拓扑结构则直接决定了电池储能系统的电气结构和集成方式。在当前功率器件性能和电池特性的约束条件下，不同的拓扑结构可以实现的电池储能系统容量等级范围各不相同，合理的PCS设计对促进能源消纳具有重要意义。针对电化学储能系统中PCS拓扑结构的特点，根据中间直流环节滤波元件的不同，储能变流器可分为电压型和电流型；从拓扑结构看，储能变流器有单极式、双极式、级联式、模块式；根据交流侧输出相电压的可能取值情况，变流器分为传统两电平、三电平、多电平；从是否带有隔离来区分，储能变流器有隔离型和非隔离型。

1、单极式拓扑结构

单极式拓扑结构是通过PWM变换器直接并网的拓扑结构。这种结构中，PWM变换器的输出部分接有升压变压器，以便其电压与所并联的交流网络电压相匹配，同时起到将电池储能系统与外部系统的电气隔离作用。蓄电池系统充电时，PWM变换器工作在整流器状态，将系统侧交流电转换为直流电，将能量储存在蓄电池中；放电时PWM变换器工作在逆变器状态，将蓄电池释放的能量由直流转换为交流回馈外部系统。

这种仅含DC/AC环节的PCS拓扑结构的优点是适于电网中分布式独立电源并网，结构简单，PCS环节能耗相对较低。该结构的主要缺点是系统体积大、电池组出口电压较高导致必须数百节电池串联，电压范围较宽导致变换器调制比优化设计较为困难；储能系统的容量选择缺乏灵活性；电网侧发生短路故障有可能在PCS直流侧产生短时大电流，对电池系统产生较大冲击等。

2、双极式拓扑结构

双极式并网拓扑结构为一种经双向DC/DC变换器接PWM变换器的并网拓扑结构。该结构的DC/DC环节主要是进行升、降压变换，蓄电池充电时，PWM变换器工作在整流状态，将电网侧交流电压整流为直流电压，该电压经双向DC/DC变换器降压得到蓄电池充电电压；放电时，PWM变换器工作在逆变状态，双向DC/DC变换器升压向逆变器提供直流侧输入侧电压，经逆变器输出合适的交流电压。

这种拓扑结构的PCS的主要优点是直流电压降低，串联电池数减少，变换器调制比设计简化，电池利用率高。适应性强，可实现对多串并联的电池模块的充放电管理；由于DC/DC环节可实现直流电压的升、降，使得蓄电池的容量配置更加灵活；适于风电、光伏等波动性比较强的分布式电源的接入配合，抑制其直接并网可能带来电压波动。主要缺点是多了DC/DC环节，整个PCS系统的能量转换效率有所降低；大容量PCS的DC/DC与DC/AC环节的开关频率、容量及协调配合关系还有待研究。

3、级联链式结构

将储能单元模块接入三相形成交流侧的串联型PCS拓扑结构，对每个PCS模块进行级联，从而实现逆变后接入电网。此拓扑结构的提出为百兆瓦级电池储能站的设计、建设和运行提供了强有力的技术支撑。

该拓扑结构的优点是：储能电池单元可灵活地调节控制，很大程度上提高了电池组的能量管理效率，也减小了电池管理系统的工作负担。但该拓扑结构中使用了较多的开关器件和电容器，增加了制作成本。

4、总结

储能变流器的主电路主要由直流侧滤波电容、功率半导体桥式电路、交流侧滤波电路等构成。实际工程中，储能变流器可能采用不同的拓扑结构。

对于大、中型储能电站，交流侧接入电网的电压等级较高，而储能系统电池串并联后直流电压较低，为了实现直流电压与交流电压的匹配，一般有两种方式，一种为采用直流侧通过更多的电池模块级联链式结构来实现，另一种为采用，PCS+升压变压器来实现。选择不同拓扑方案时要考虑到以上几种技术方案所适用的应用场景，根据工程实际的储能系统的分系统规模、并网点数量、并网点电压等级、占地面积、投资概算的情况，并考虑环流抑制要求来选择合适的技术方案。

参考文献:

[1]李建林，马凌怡，肖珩，曾伟. 电化学储能系统中PCS的拓扑结构对比分析[J]，太阳能，2022，337（5）：48-57.

[2]吴靖，许杰，陈佩军，等.电池储能系统中电力电子变换器并网结构发展综述[J]. 浙江电力，2021,40(3):104-112

[3] 吴萍.大规模光伏并网发电系统拓扑结构的对比研究[J].国网技术学院学报，2020,23(2): 10-12.

[4] 谢志佳，马会萌，新文涛.大规模电池储能系统 PCS 拓扑结构分析[J].电力建设,2012,33(8):22-26.