電池儲(chǔ)能功率變換系統(tǒng)

功率變換系統(tǒng)（power conversion system，PCS）是與儲(chǔ)能電池組配 套，連接于電池組與電網(wǎng)之間，其工作的核心是把交流電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)換為 直流形式存入電化學(xué)電池組或?qū)㈦姵亟M能量轉(zhuǎn)換為交流形式回饋到電 網(wǎng)，電池儲(chǔ)能電站并網(wǎng)規(guī)范中有關(guān)技術(shù)指標(biāo)主要依賴于儲(chǔ)能功率變換系 統(tǒng)的軟件控制算法實(shí)現(xiàn)。電池儲(chǔ)能功率變換系統(tǒng)的具體技術(shù)方案多種多 樣，目前主流廠商的儲(chǔ)能功率變換系統(tǒng)一般采用三相電壓型兩電平或三 電平PWM整流器，其主要優(yōu)點(diǎn)是：①動(dòng)態(tài)特性隨控制算法的調(diào)整而靈 活可控；②功率可雙向流動(dòng)；③輸出電流正弦且諧波含量少；④功率因 數(shù)可在-1～1之間靈活調(diào)整。電池儲(chǔ)能電站功率變換系統(tǒng)深刻的影響和 決定了整個(gè)電池儲(chǔ)能電站是否能夠安全、穩(wěn)定、高效、可靠的運(yùn)行，同 時(shí)該系統(tǒng)的性能也對(duì)整個(gè)電化學(xué)電池儲(chǔ)能單元的使用壽命有關(guān)鍵影響。電池儲(chǔ)能電站功率變換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案對(duì)提高電池儲(chǔ)能電站運(yùn)行安全性 與經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。本章將根據(jù)電池儲(chǔ)能電站功率變換系統(tǒng)的各組成部件，探討其設(shè)計(jì)相關(guān)問題。

功率變換系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心是利用全控型電力電子開關(guān)器件的斬波能 力與脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（PWM），通過靈活的軟件算法控制開關(guān)器件 的開通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電能的雙向流動(dòng)。功率變換系統(tǒng)主要由干式變壓 器、交流濾波器（含交流濾波電感與交流濾波電容）、直流電容、交/ 直流斷路器、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）功率模塊及其對(duì)應(yīng)的控制 系統(tǒng)等重要部分組成功率變換系統(tǒng)中，控制保護(hù)單元中的算法決定了儲(chǔ)能電站對(duì)電網(wǎng)所 表現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)特性與保護(hù)動(dòng)作行為。國(guó)標(biāo)GB/T 34120—2017《電化學(xué)儲(chǔ) 能系統(tǒng)儲(chǔ)能變流器技術(shù)規(guī)范》中對(duì)功率變換系統(tǒng)中儲(chǔ)能變流器控制算法 提出了相應(yīng)的功能要求，如在控制功能方面，要求變流器應(yīng)具備充放電 功能、有功功率控制功能、無功功率調(diào)節(jié)功能、并離網(wǎng)切換功能、低電 壓穿越功能、頻率/電壓響應(yīng)功能等；在保護(hù)邏輯方面，要求變流器應(yīng) 具備短路保護(hù)、極性反接保護(hù)、直流過/欠壓保護(hù)、離網(wǎng)過流保護(hù)、過 溫保護(hù)、交流進(jìn)線相序錯(cuò)誤保護(hù)、通信故障保護(hù)、冷卻系統(tǒng)故障保護(hù)、 防孤島保護(hù)等。交流LC濾波主要用于濾除功率變換系統(tǒng)中開關(guān)動(dòng)態(tài)所造成的高頻 諧波分量，防止諧波分量注入電網(wǎng)后造成電能質(zhì)量的下降，這類諧波具 有頻率高、分布頻帶寬的特點(diǎn)；交流接觸器用于控制儲(chǔ)能變流器并網(wǎng)過 程中與電網(wǎng)的連接；交流EMI濾波器則主要用于濾除儲(chǔ)能變流器開關(guān)動(dòng) 態(tài)過程中dv/dt所造成的共模干擾，防止其造成高頻輻射影響電子元器件 的正常運(yùn)行；功率半導(dǎo)體器件對(duì)過電壓較為敏感，高電壓可造成功率半 導(dǎo)體擊穿失效，故需在功率變換系統(tǒng)交流端設(shè)計(jì)避雷器以防止異常過壓 對(duì)設(shè)備造成損壞。干式變壓器主要用于將功率變換系統(tǒng)中儲(chǔ)能變流器輸出的低壓交流 電轉(zhuǎn)換為10kV或35kV電壓等級(jí)以接入公用電網(wǎng)。目前主流的大容量電 池儲(chǔ)能單元所采用的干式變壓器容量一般為1250kVA。干式變壓器具有 抗短路能力強(qiáng)、維護(hù)工作量小、運(yùn)行效率高、體積小、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。

功能要求

在電化學(xué)電池儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)中，為保證站內(nèi)各儲(chǔ)能單元的安全可靠 并網(wǎng)運(yùn)行，功率變換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可參考以下原則：

（1）功率變換系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池與交流電網(wǎng)之間雙向能量轉(zhuǎn) 換，具備有功和無功解耦控制的四象限運(yùn)行功能。

（2）功率變換系統(tǒng)應(yīng)能接收監(jiān)控系統(tǒng)的控制指令對(duì)電池進(jìn)行充放電。

（3）功率變換系統(tǒng)應(yīng)能和電池管理系統(tǒng)（BMS）配合以保障電池的安全。

（4）功率變換系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)上層管理系統(tǒng)指令執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，實(shí) 現(xiàn)對(duì)充放電電壓和電流的閉環(huán)控制。

（5）功率變換系統(tǒng)的功能、性能要求應(yīng)與儲(chǔ)能單元需求相匹配， 應(yīng)具備并網(wǎng)充電、并網(wǎng)放電、離網(wǎng)放電、有功功率連續(xù)可調(diào)、無功功率 調(diào)節(jié)、低電壓穿越等功能。

（6）功率變換系統(tǒng)應(yīng)能采集功率變換系統(tǒng)交、直流側(cè)電壓、電流 等模擬量和裝置正常運(yùn)行、故障告警等開關(guān)量信息。

（7）功率變換系統(tǒng)應(yīng)能接收電池管理系統(tǒng)上送的電池電壓、溫 度、計(jì)算電量等模擬量和電池正常運(yùn)行、故障告警等開關(guān)量信息。

（8）功率變換系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)裝置運(yùn)行狀態(tài)的切換及控制邏輯，且 應(yīng)包含功率變換系統(tǒng)的啟停、控制方式的切換、運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換等。

（9）功率變換系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)時(shí)顯示各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障 數(shù)據(jù)、歷史故障數(shù)據(jù)等。

（10）功率變換系統(tǒng)應(yīng)同時(shí)配置有硬件故障保護(hù)和軟件保護(hù)，保護(hù) 功能配置完善，保護(hù)范圍交叉重疊，沒有死區(qū)，能確保在各種故障情況 下的系統(tǒng)安全。

（11）功率變換系統(tǒng)宜支持IEC 61850、CAN、MODBUS通信，并 應(yīng)能配合監(jiān)控系統(tǒng)及電池管理系統(tǒng)完成儲(chǔ)能單元的監(jiān)控及保護(hù)。

審核編輯：劉清