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电池储能能量转换系统研究综述

王书毅;李勇琦;彭鹏;凌志斌

【摘要】能量转换系统作为连接储能电池和电网的枢纽,其性能直接关系到电池储

能系统的电气技术指标、电池寿命和运行经济性.从能量转换系统拓扑结构出发,介

绍两电平、三电平和适用于超大容量的多电平逆变器在能量转换系统中的研究进展

和应用现状.从能量转换效率、电能质量、储能容量和技术成熟度等多个方面对上

述三种拓扑结构能量转换系统进行了比较,总结了能量转换系统不同拓扑结构优缺

点,并对未来能量转换系统的发展趋势进行了展望.

【期刊名称】《电气自动化》

【年(卷),期】2018(040)004

【总页数】4页(P1-4)

【关键词】电池储能;能量转换系统;两电平;三电平;多电平

【作者】王书毅;李勇琦;彭鹏;凌志斌

【作者单位】上海交通大学电气工程系,上海200240;中国南方电网有限责任公司

调峰调频发电公司,广东广州511400;中国南方电网有限责任公司调峰调频发电公

司,广东广州511400;上海交通大学电气工程系,上海200240

【正文语种】中文

【中图分类】TM464

0引言

储能是智能电网的重要组成部分。在电网中应用储能，可以实现电网削峰填谷，提

高输变电设备利用率，促进新能源接入、提高电网的安全性和灵活性。根据应用场

景的不同，电网对储能容量和响应速度有着不同的需求。电池储能受地理环境影响

小,适用面广，因而目前储能工程中以电池储能项目为主[1]。

能量转换系统(PowerConversionSystem,PCS)是电池储能系统的核心之一。

PCS连接电网与电池，实现交流侧和直流侧功率的双向流动。能量转换效率、单

机容量、对电池和电网的友好性是其重要技术指标。PCS的拓扑结构和控制策略

对上述指标有着至关重要的影响，本文将对不同PCS拓扑结构的特点和适用范围

进行分析探讨，并总结电池储能PCS的技术发展方向。

1两电平PCS

两电平储能系统PCS采用的AC/DC双向变流器的交流测输出电压为双电平，再

通过滤波器和变压器与电网连接。

两电平结构的主要优势在于：拓扑结构简单，上下两桥臂互补输出，实际需要控

制的只有两个(半桥模式下)开关管；电路结构中元器件少，系统的通态压降小，整

个通态损耗低；结构简单，系统稳定性高，发生意外故障的概率较低。

这种结构也会带来缺点：谐波含量较高，波形较差，增加滤波成本[2]；直流侧存

在电流波纹，对电池寿命有潜在影响；相对三电平和多电平PCS，两电平PCS需

要更高的开关频率才能达到同样的THD指标，因此开关损耗更高，运行成本反而

在三电平结构之上[3]；受制于电池串联数量，两电平PCS并网电压较低，单机或

单模块容量介于数十千瓦至数百千瓦之间，适用于低压配网应用储能应用。

为改善两电平PCS交流侧电能质量，通常通过串联滤波器实现。常用的滤波器有

L滤波器、LC滤波器和LCL滤波器。相同滤波效果下，LCL滤波器的电感值远小

于L滤波器的电感值，因此体积小、成本低。但滤波器阶数的提高也使得滤波器

中电容电感数值的确定也更加困难，在运行时要注意可能出现的谐振现象，具有较

大控制难度。

两电平拓扑结构在直流侧有较大的电流波纹，针对这个问题，有许多文献进行了研

究，通常采取无源滤波、有源滤波和串联DC/DC变流器三种方法解决。

文献[4]提出一种基于耦合变压器的直流有源滤波电路。在该拓扑结构下，由开关

引起的高频分量可以由LC串联谐振电路滤除；有源电力滤波器DC-APF检测并滤

除低频分量。但是，有源滤波器也存在通带范围受有源器件的带宽限制和可靠性不

高的问题，在实际应用中受到一定限制。文献[5]验证了串联一个DC/DC变换器

来滤除波纹的可行性，该文采用传统的双级式两电平拓扑结构，DC/DC变换器使

用直流侧电容电压与电池端口电流双闭环的控制方法，有效滤除了电池侧谐波，并

在仿真和试验中验证了该控制方法。需要注意的是，串联DC/DC变换器对系统的

效率有明显的影响。

随着两电平PCS技术的不断成熟，在电池友好和电网友好方面的问题会得到妥善

处理。然而随着储能系统容量要求的不断提高，在未来，两