電池儲能功率變換系統

功率變換系統（power conversion system，PCS）是與儲能電池組配 套，連接于電池組與電網之間，其工作的核心是把交流電網電能轉換為 直流形式存入電化學電池組或將電池組能量轉換為交流形式回饋到電 網，電池儲能電站并網規范中有關技術指標主要依賴于儲能功率變換系 統的軟件控制算法實現。電池儲能功率變換系統的具體技術方案多種多 樣，目前主流廠商的儲能功率變換系統一般采用三相電壓型兩電平或三 電平PWM整流器，其主要優點是：①動態特性隨控制算法的調整而靈 活可控；②功率可雙向流動；③輸出電流正弦且諧波含量少；④功率因 數可在-1～1之間靈活調整。電池儲能電站功率變換系統深刻的影響和 決定了整個電池儲能電站是否能夠安全、穩定、高效、可靠的運行，同 時該系統的性能也對整個電化學電池儲能單元的使用壽命有關鍵影響。電池儲能電站功率變換系統的設計方案對提高電池儲能電站運行安全性 與經濟性具有重要意義。本章將根據電池儲能電站功率變換系統的各組成部件，探討其設計相關問題。

功率變換系統設計的核心是利用全控型電力電子開關器件的斬波能 力與脈沖寬度調制技術（PWM），通過靈活的軟件算法控制開關器件 的開通與關斷，實現電能的雙向流動。功率變換系統主要由干式變壓 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）功率模塊及其對應的控制 系統等重要部分組成功率變換系統中，控制保護單元中的算法決定了儲能電站對電網所 表現出的動態特性與保護動作行為。國標GB/T 34120—2017《電化學儲 能系統儲能變流器技術規范》中對功率變換系統中儲能變流器控制算法 提出了相應的功能要求，如在控制功能方面，要求變流器應具備充放電 功能、有功功率控制功能、無功功率調節功能、并離網切換功能、低電 壓穿越功能、頻率/電壓響應功能等；在保護邏輯方面，要求變流器應 具備短路保護、極性反接保護、直流過/欠壓保護、離網過流保護、過 溫保護、交流進線相序錯誤保護、通信故障保護、冷卻系統故障保護、 防孤島保護等。交流LC濾波主要用于濾除功率變換系統中開關動態所造成的高頻 諧波分量，防止諧波分量注入電網后造成電能質量的下降，這類諧波具 有頻率高、分布頻帶寬的特點；交流接觸器用于控制儲能變流器并網過 程中與電網的連接；交流EMI濾波器則主要用于濾除儲能變流器開關動 態過程中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 的正常運行；功率半導體器件對過電壓較為敏感，高電壓可造成功率半 導體擊穿失效，故需在功率變換系統交流端設計避雷器以防止異常過壓 對設備造成損壞。干式變壓器主要用于將功率變換系統中儲能變流器輸出的低壓交流 電轉換為10kV或35kV電壓等級以接入公用電網。目前主流的大容量電 池儲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、維護工作量小、運行效率高、體積小、噪聲低等優點。

功能要求

在電化學電池儲能電站設計中，為保證站內各儲能單元的安全可靠 并網運行，功率變換系統的設計可參考以下原則：

（1）功率變換系統應實現儲能電池與交流電網之間雙向能量轉 換，具備有功和無功解耦控制的四象限運行功能。

（2）功率變換系統應能接收監控系統的控制指令對電池進行充放電。

（3）功率變換系統應能和電池管理系統（BMS）配合以保障電池的安全。

（4）功率變換系統應能根據上層管理系統指令執行相應動作，實 現對充放電電壓和電流的閉環控制。

（5）功率變換系統的功能、性能要求應與儲能單元需求相匹配， 應具備并網充電、并網放電、離網放電、有功功率連續可調、無功功率 調節、低電壓穿越等功能。

（6）功率變換系統應能采集功率變換系統交、直流側電壓、電流 等模擬量和裝置正常運行、故障告警等開關量信息。

（7）功率變換系統應能接收電池管理系統上送的電池電壓、溫 度、計算電量等模擬量和電池正常運行、故障告警等開關量信息。

（8）功率變換系統應能實現裝置運行狀態的切換及控制邏輯，且 應包含功率變換系統的啟停、控制方式的切換、運行狀態的轉換等。

（9）功率變換系統應能自動運行，實時顯示各項運行數據、故障 數據、歷史故障數據等。

（10）功率變換系統應同時配置有硬件故障保護和軟件保護，保護 功能配置完善，保護范圍交叉重疊，沒有死區，能確保在各種故障情況 下的系統安全。

（11）功率變換系統宜支持IEC 61850、CAN、MODBUS通信，并 應能配合監控系統及電池管理系統完成儲能單元的監控及保護。

審核編輯：劉清