大容量电池

大型电池储能PCS的现状与发展

蔡旭;李睿

【摘要】电池储能系统（BESS）因其快速响应、能量密度高特点,为解决削峰填谷、

可再生能源大规模接人、高比例可再生能源电力系统的安全运行等问题提供了-种

有效的途径.论述了BESS的组成结构,综述了大型电池储能功率转换系统的主要拓

扑、技术路线、运行控制的现状与发展,分析了BESS构架及运行需要关注的问题.

【期刊名称】《电器与能效管理技术》

【年(卷),期】2016(000)014

【总页数】9页(P1-8,40)

【关键词】大容量BESSPCS架构运行

【作者】蔡旭;李睿

【作者单位】上海交通大学电子信息与电气工程学院风力发电研究中心,上海

200240

【正文语种】中文

【中图分类】TM46

随着经济社会快速发展,人们对电能需求和电能质量可靠性的要求越来越高。随着

风能、太阳能等可再生能源的快速发展,越来越多的间歇性、波动能源的接入给电

网安全、稳定运行带来一系列前所未有的挑战。储能技术为解决大电网的调频调峰、

发电侧的可再生能源友好接入、用户侧的削峰填谷及维持孤网稳定运行等问题提供

了一种有效的解决途径,被认为是实现可再生能源主导的电力系统最关键的技术之

一。

近年来,储能技术在能源、电力、交通、电信等方面的应用得到快速发展,但不同储

能方式各自具有不同的技术特点,其实际应用场合及发展程度也不同。到目前为止,

已有的几种储能方式按照储能载体类型主要可分为物理储能、电磁储能、电化学储

能和相变储能等。其中物理储能主要有抽水储能、压缩空气储能和飞轮储能；电磁

储能主要有超导储能、高能密度电容储能等；电化学储能主要包括铅酸蓄电池、镍

镉电池、锂离子电池、钠硫电池、液流电池、超级电容器等电池储能；相变储能主

要有冰蓄冷储能等。若按照功能划分,又可分为功率型和能量型两种。前者主要用

于改善电网的电能质量、提供快速功率支撑等；后者主要用于电网能量的存储,在

电网运行过程中实现能量平衡。

在各种储能载体中,电池储能系统(BatteryEnergyStorageSystem,BESS)因其无

运动部件、对场地无特殊要求、动态特性好、能量密度高等特点,被用于风/光等可

再生能源的波动功率平滑和电网友好接入[1-2]、城网调频调峰[3]以及重要负荷应

急保障[3]等场合。随着大规模可再生能源及电网智能化的蓬勃发展,BESS的开发

与应用得到快速发展。世界上最早的大容量BESS是1987年用于西柏林电网调频

和热备用的4MW/17MWh铅酸BESS[4],目前投运的功率和容量最大的BESS包

括ABB公司在美国阿拉斯加州费尔班克斯建设的40MW/7.5MWh镍镉BESS[5]

和东京电力公司建设的8MW/58MWh钠硫BESS[6]。在中国,南方电网公司在深

圳规划建设10MW锂离子电池储能示范站,参与城市电网的调频调峰；国家电网

公司在张北规划建设了20MW电池储能电站,储能载体分别采用锂离子电池、钠

硫电池和钒液流电池,用以平滑风光功率波动。

电池储能的功率转换系统(PowerConversionSystem,PCS)是实现储能电池与电

网功率交换的单元,是决定BESS性能的关键部件,本文重点针对电池储能PCS的拓

扑结构、技术路线、运行与控制等关键问题的现状与发展进行综述。

BESS组成结构如图1所示。BESS主要由电池系统(BatterySystem,BS)、PCS、

电池管理系统(BatteryManagementSystem,BMS)、监控系统等4部分组成。

电池是BESS实现电能存储和释放的主要载体,其容量大小及运行状态直接关系着

储能系统的能量转换能力及其安全可靠性。因受电池单体端电压低、比能量及比功

率有限、充放电倍率不高等因素的制约,BS一般由大量电池单体经串并联后而组成。

由电池单体经串/并联成组的方式较多,在实际应用中一般先由多个电池单体经串/

并联后形成电池模块,再将多个电池模块串联成电池串,最后由多个电池串经过串并

联组配后形成电池模组。常见的储能电池种类除铅酸电池和镍镉电池外,还有钠硫

电池、钠盐电池、钒液流电池和锂离子电池等比功率和比容量相对较高、充放电倍

率和循环寿命相对较长的新型电池,其中锂离子电池在我国有产业基础。目前,由于

各种新型电池成本较高,在电力系统中其主要应用领域是平滑可再生能源功率波动

等对储能系统动态性能要求较高的场合。可再生能源功率波动对接入电网安全影响

最大的时间尺度是分钟级和十分钟级,中国国家标准《风电场接入电网技术规定》

规定,风电场1min最大功率变化一般不应超过其装机容量的10%,10min最大功

率变化一般不应超过其装机容量的33%。一般认为,BESS输出容量达到风电场额

定功率的10%以上时,才能实现分钟级风功率波动平滑,随着可再生能源规模扩大,

用于促进可再生能源友好接入电网的BESS也在向大容量化方向发展。

PCS是连接BS和电网的接口,是储能系统与外界进行能量交换的关键组成部分。

PCS作为储能系统的核心部分,其主要功能:①在两种工作模式下(并网模式、孤网

模式)对BS的充放电功能,并实现两种工作模式的切换；②通过控制实现BESS的

四象限运行,为系统提供双向可控的有功、无功功率,实现系统有功、无功功率平衡；

③实现系统高级应用功能,如黑启动、削峰填谷、功率平滑、低电压穿越等；④根

据PCS拓扑结构(如单级AC/DC、双级AC/DC+DC/DC、单级并联、双级并联、

级联多电平结构等),通过相关控制策略实现对BS电压和荷电状态的均衡管理等。

PCS容量除了由BS功率决定外,还要考虑无功补偿容量等其他需求。

BMS实时监测BS的各种状态(电压、电流、温度、荷电状态、健康状态等)、对

BS充电与放电过程进行安全管理(如防止过充、过放管理)、对BS可能出现的故障

进行报警和应急保护处理以及对BS的运行进行优化控制,并保证BS安全、可靠、

稳定地运行。BS及其各级组成部分的荷电状态(StateofCharge,SOC)是实现整个

BS是否能安全、可靠运行以及对其进行准确管理与控制的关键指标,准确估计出

BS的SOC是BMS最重要的功能之一。BMS通常采用模块化设计,包括主控制器

和分散在每个电池模块内部的从控制器,主从控制器间通过总线进行信息交互,实现

状态监测、充放电均衡控制、热管理等功能,确保电池高效运行和延长循环寿命。

电池储能监控系统负责储能系统各部分设备间信息交换的基础,监控系统与PCS和

BMS通过高速监测网络进行信息交互,根据不同功能和响应时间要求在各控制器间

进行监控与保护指令合理分配和协调。

PCS是BESS的核心部件,不仅决定了储能系统的输出电能质量和动态特性,也在很

大程度上影响着电池的使用寿命。目前,包括锂离子电池在内的各种比容量和比功

率较高、循环寿命长的新型储能电池成本较高,研究高效率、高动态性能和高可靠

性的电池储能PCS具有重要意义。根据电气隔离情况和换流级数,PCS的拓扑结构

可以分为单级式工频隔离型、双级式工频隔离型、双级式高频隔离型,以及模块化

多电平储能变换器拓扑。

早期的储能PCS由于开关器件的限制以及铅酸电池较低的充放电倍率和能量密度,

多采用变压器移相多重化逆变技术实现[4,8]。图2和图3示出了目前电池储能电

站较为成熟的单级式和双级式工频隔离型PCS设计方案,我国现有的大容量电池储

能示范工程中PCS多采用这两种方案[9]。图2的单级式方案运行效率较高(500

kW等级单级式储能PCS,效率超过98%),图3的双级式方案适合应用在电池模组

出口电压随电池荷电状态变化范围较大的场合,通过设计多组前级直流变换器,也允

许多种类型的储能电池接入。

图2和图3中的储能PCS必须借助大容量工频变压器接入中高压电网,其主要原因：

基于电池SOC均衡和故障保护等原因,从成本和安全考虑,目前工业现场由电池单

体串并联组成的储能电池模组的最高直流电压一般不超过1000V。随着BESS容

量增加,一方面储能PCS的开关器件通态损耗变大,另一方面联接电池模组和PCS

的直流电缆损耗较为严重。另外,大容量BESS通常接入10kV及以上电网,工频升

压变压器成为图2方案中PCS交流侧接入电网的必备设备。工频变压器的接入有

利于储能系统保护和抑制共模干扰,但同时给大容量储能PCS效率、体积、成本、

噪声、占地和扩容等方面的优化设计带来困难。当低压侧电压低于380V、单体容

量超过2MVA时,变压器本身的设计制造成本也大大增加。

上述问题影响了储能系统整体效率。随着BESS容量增加,提高PCS电压等级,采用

无工频隔离升压的PCS方案,有利于减小PCS开关通态损耗和线路损耗、提高储能

系统功率密度和整体效率、消除大容量工频隔离变压器的不利影响。目前无工频隔

离变压器的高并网电压BESS主要有3种技术方案：采用高压电池模组方案、PCS

升压方案、级联式PCS方案。

通过提高电池模组电压等级来提高PCS输出电压的方案,如图4所示。ABB公司在

费尔班克斯建设的镍镉BESS[5]中包含4簇并联高压电池模组,每簇采用344节镍

镉电池单体串联,电池模组端口电压范围为3440V到5200V,储能PCS由8组基

于IGCT的三相桥式电路并联组成。2010年亚琛工业大学和奥尔堡大学合作开展

了高压电池储能项目研究[11],希望通过PCS把6kV电压等级电池模组接入中压

电网。该项目目前正在测试高压电池模组充放电特性[12]。由于包括锂离子电池在

内的性能先进的储能电池单体鲁棒性和一致性不高,提高电池模组电压等级会增加

电池管理和均衡成本,并给电池安全性带来挑战,因此该项目采用了鲁棒性好、价格

便宜,但比容量和比功率均较低的铅酸电池作为储能载体。如果未来性能先进的储

能电池单体一致性和鲁棒性提高,高压电池模组管理和均衡成本降低,那么高压电池

PCS方案将会具有竞争力。

带隔离升压直流变换器的两级式储能PCS设计方案如图5所示。第一级采用大容

量隔离型双向直流变换器,对电池模组出口电压升压；第二级采用适合高压接入的

多电平逆变器实现并网。PCS升压方案的难点在于大容量隔离型高升压比双向直

流变换器设计。基于该变换器功率较大,目前在电路拓扑方面的研究重点是单相和

多相双向桥式电路,提高开关频率是减小隔离变压器体积、提高变换器功率密度的

有效方法,在高开关频率下为了减小变换器损耗,很多学者研究采用移相或串联谐振

的方法实现变换器软开关。由于该变换器在新能源发电、储能、微网和固态变压器

等领域具有广泛的应用前景,围绕变换器的电路拓扑、特性分析、仿真建模、运行

控制、中高频隔离变压器设计等方面,国内外学者开展了积极的研究,取得了诸多研

究成果[13-20]。

图5方案中,由于后级逆变器为降压型电路,当储能PCS接入10kV配电网时,双向

直流变换器输出侧至少要达到14.14kV,就要求双向直流变换器输出侧开关管具有

高耐压。由于开关器件电压应力限制,以及高耐压器件的开关损耗问题[19],Kolar

教授和ker教授等学者研究了碳化硅器件和IGCT器件等全控开关

的串联技术[20]。当直流变换器高压侧电路采用串联开关器件时,同一组串联开关

中任何一只开关的损坏都会影响系统安全。另外,采用器件直接串联的电路拓扑由

于电平数少,导致装置的dv/dt过高,会产生很高的电磁干扰,对系统的分布参数设计

要求较高,也限制了其应用。为了增加变换器的安全性和冗余度,很多学者研究了带

模块化组合式直流变换器的储能PCS方案。

带模块化组合式直流变换器的两级式储能PCS如图6所示。图6方案中,逆变器前

级采用多组直流变换器输出侧串联的方法来形成高电压。双向直流变换器串联方式

除能降低开关器件电压应力外,也有利于储能电池和PCS的模块化设计以及故障冗

余保护。大容量储能电池模组一般由数量众多的电池单体串并联组成,由于电池单

体的不一致性,储能电池模组内部各个并联电池簇间存在环流,影响了储能电池模组

的效率和安全性。带模块化组合式直流变换器的储能PCS,其输入侧具有多个电池

输入端口,允许储能电池分为多个小容量电池簇接入,可以避免电池簇间环流,有利于

储能电池安全、高效运行,也有利于提高系统冗余性。另外,图6中储能PCS结构也

允许多种不同类型的储能电池接入PCS。

图6方案的技术关键是组合式双向直流变换器的设计和控制,对此,国内外研究机构

已经开展了很多研究。在国内研究方面,阮新波教授的课题组开展了输入并联输出

串联(IPOS)直流变换器和输入串联输出并联(ISOP)直流变换器的控制策略研究

[21-22],建立了适用于串并联分析的小信号模型。石健将教授结合固态变压器课题,

对IPOS直流变换器的均压问题提出了结合正反馈和负反馈的电路控制策略[23]。

李耀华教授的课题组研制了额定功率400kW的ISOP双有源桥直流变换器,高压

侧电压16kV,低压侧电压750V,变换器由10个直流模块组成,每个直流模块均采

用串联谐振技术[24],实现开关器件零电流开关。

在国外研究方面,Kolar教授的课题组结合MEGACube项目,采用6个双向桥隔离

型直流变换器,低压侧串并联,高压侧串联,构建了额定容量1MW,开关频率20kHz,

高低压侧电压分别为12kV和1.2kV的实验样机[25],样机效率达到97%。课题

组在软开关损耗模型设计、隔离变压器设计、多变换器串并联控制策略、功率流向

控制策略等方面进行了深入研究[26]。北卡罗莱纳州立大学Huang教授结合固态

变压器项目,设计了额定容量20kW的双向桥组合式直流变换器,变换器由3台高

低压电压分别为3.8kV和400V、开关频率3kHz的双向桥式直流变换器低压侧

并联构成,课题组主要研究了各个模块间功率和电压的平衡控制策略[27]。佛罗里

达州立大学HuiLi教授的研究小组也设计了输入侧12kV、输出侧400V,额定容

量20kW的双向桥组合式直流变换器,变换器由24个直流模块高压侧串联、低压

侧并联构成,课题组主要研究了直流模块和组合式变换器的电路拓扑方案[28]以及

多模块变换器的分布式数字控制技术[29]。

H桥级联型变换器在中高压变频器和静止同步补偿器(STATCOM)领域已经有很多

应用,当在变换器的每个H桥单元的直流侧接入相互绝缘的储能电池模组时,就形成

了H桥级联型储能PCS方案,如图7所示。

H桥级联型变换器作为STATCOM应用时,其主要研究重点包含网侧电流控制、各

个H桥单元直流侧电压控制、电网不对称条件下变换器的控制、多模块开关调制

技术以及故障诊断和分布式数字控制技术等。当H桥级联型变换器用于电池储能

时,PCS相间和相内各个H桥单元电池荷电状态的均衡控制技术成为研究重点。针

对H桥级联变换器在变频器和STATCOM领域的应用,国内外已经有大量前期研究

成果。面向H桥级联型PCS在储能领域的应用,2008年,赤木泰文教授的课题组构

建了接入200V电网的H桥级联型三相储能PCS试验样机。该样机每相由三个H

桥单元组成,每个H桥单元直流侧接入一组蓄电池。该课题组在此后三年研究了

PCS功率控制和电池模块荷电状态均衡控制方法[30-31],采用基波零序注入法实现

PCS相间电池模组荷电状态均衡控制,采用调节PCS相内各个单元调制比的方式实

现PCS相内电池模组荷电状态均衡控制。HuiLi教授的课题组研究了基于H桥级

联的光伏并网逆变器,为了适应光伏组件的宽出口电压范围,该课题组提出把Z源阻

抗网络引入H桥单元[32]以提高直流电压利用率,该课题组还研究了结合多组储能

单元和一组主电源的级联H桥变频器的能量管理策略[33]。田纳西大学Leon

Tolbert教授课题组把神经网络和遗传算法引入H桥级联型储能PCS的故障诊断

和谐波抑制,发表了很多研究成果[34-35]。在国内,上海交通大学蔡旭教授的课题组

[36-38],结合国家863储能重大专项,研究了2MW/10kV电池储能功率转化系统

设计的关键技术,研究成果在南方电网深圳碧岭储能电站获得了示范应用。这是世

界上首个高压大容量无变压器隔离的电池储能示范项目。

图7中H桥级联储能PCS允许不经过工频变压器直接接入10kV及以上电网,适

合大容量、高接入电压储能系统的实现,单个H桥单元电压电流应力低,较多的级联

电平数保证了PCS在低开关频率下取得较好的谐波特性,工作效率高是其最突出的

优点,模块化设计和便于冗余保护也是级联电路的优势。其主要缺点包括：级联H

桥储能PCS各个H桥单元直流侧必须严格绝缘,由于储能电池比容量较低,大容量

电池模组体积庞大,在工程实践中绝缘和机柜结构设计非常困难；由于大容量电池

模组体积庞大,相互绝缘的各个电池模组之间以及其对地均存在可观的寄生电容,变

换器存在很多共模电流通路,使级联H桥储能PCS必须解决共模电流抑制问题；由

于级联H桥储能系统为浮地系统,内部各个H桥单元间存在较高的电压差,使各个

储能电池模组的电池管理单元(BMU)设计困难；当用于出口电压随SOC不同而变

化较大的储能电池载体时,级联H桥储能PCS调制比设计困难,必须增加更多的H

桥单元数量；由于每个H桥均为单相结构,PCS工作时,各H桥输入输出的有功功

率存在2倍频波动,导致H桥电池模组充放电电流存在2倍频脉动,根据文献研究

[39],2倍频脉动电流对某些电池的安全高效运行和全寿命周期成本会造成负面影响。

为了解决该问题,蔡旭教授的课题组提出采用两级式H桥级联储能PCS[37],电路如

图8所示。通过插入一级Buck/Boost升降压电路,一方面可以通过调节

Buck/Boost输出侧电容电压变化,尽量抑制电池侧低频电流脉动；另一方面也可以

在储能电池模组出口电压变化范围较大的场合优化PCS电路设计,选择更合适的H

桥单元数量。但是,图8中两级式PCS仍为非隔离系统,PCS共模电压问题、电池

模组间电气绝缘问题以及电池模组对地共模电流通路引起的共模电流问题难以解决。

为此,蔡旭教授的课题组又提出复合级联H桥电池储能PCS[38],如图9所示。在传

统的级联多电平PCS的H桥直流侧和储能电池之间插入隔离型双向桥直流变换器。

模块化多电平储能PCS如图10所示。该PCS结构的优点包括：具有模块化设计、

高冗余性和可扩展性,适合大容量应用。隔离型双向直流变换器的接入可以解决电

池模组间电气绝缘设计问题、优化电池模组出口电压设计、抑制储能电池模组充放

电电流的2倍频脉动,有助于促进功率大波动下储能电池的安全高效运行、适合多

种不同电压等级和电流倍率的电池储能载体接入。

近年来,随着柔性直流输电技术的发展,MMC储能PCS研究也逐渐成为热点。在

MMC储能应用方面,瑞士洛桑工学院的AlfredRufer教授研究了基于MMC的

BESS[41]：把电池模组直接与MMC半桥子模块的直流电容并联,使MMC具有储

能功能。考虑到MMC换流器的应用特点,一方面HVDC工况中其子模块电池电压

一般高于1500V电压等级,而以锂离子电池为代表的高性能电池,由于电池荷电状

态均衡控制等原因,目前很难达到如此高的串联电压；另一方面,MMC子模块电容

同时承受一倍工频和两倍工频的电压脉动,当把电池模组直接并联于子模块直流电

容上时,储能电池必然承受1倍工频和2倍工频的脉动电流,对电池寿命和效率不利。

基于上述两个原因,苏黎世工学院[42]、奥尔堡大学[43]、莱布尼茨汉诺威大学[44]

和多伦多大学[45]的学者不约而同的提出了两级式MMC储能换流器方案,如图

11(b)所示。与电池组直挂方案相比,图11(b)方案通过在MMC子模块和电池组之

间插入一级双向Buck/Boost变换器,可以有效平滑电池侧充放电电流,同时电池组

端电压也不需要与MMC子模块电容电压匹配,其相对缺点在于增加了中间环节后

系统复杂度增加、效率降低。

本文对BESS的主要应用领域进行了综述,重点分析了储能系统的组成结构,大型电

池储能PCS的主要拓扑、技术路线、运行控制中的关键问题、研究现状与发展趋

势。

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