电池储能功率变换系统（PCS)的定义 功率变换系统的设计原则

电池储能功率变换系统

功率变换系统（power conversion system，PCS）是与储能电池组配 套，连接于电池组与电网之间，其工作的核心是把交流电网电能转换为 直流形式存入电化学电池组或将电池组能量转换为交流形式回馈到电 网，电池储能电站并网规范中有关技术指标主要依赖于储能功率变换系 统的软件控制算法实现。电池储能功率变换系统的具体技术方案多种多 样，目前主流厂商的储能功率变换系统一般采用三相电压型两电平或三 电平PWM整流器，其主要优点是：①动态特性随控制算法的调整而灵 活可控；②功率可双向流动；③输出电流正弦且谐波含量少；④功率因 数可在-1～1之间灵活调整。电池储能电站功率变换系统深刻的影响和 决定了整个电池储能电站是否能够安全、稳定、高效、可靠的运行，同 时该系统的性能也对整个电化学电池储能单元的使用寿命有关键影响。电池储能电站功率变换系统的设计方案对提高电池储能电站运行安全性 与经济性具有重要意义。本章将根据电池储能电站功率变换系统的各组成部件，探讨其设计相关问题。

功率变换系统设计的核心是利用全控型电力电子开关器件的斩波能 力与脉冲宽度调制技术（PWM），通过灵活的软件算法控制开关器件 的开通与关断，实现电能的双向流动。功率变换系统主要由干式变压 器、交流滤波器（含交流滤波电感与交流滤波电容）、直流电容、交/ 直流断路器、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）功率模块及其对应的控制 系统等重要部分组成功率变换系统中，控制保护单元中的算法决定了储能电站对电网所 表现出的动态特性与保护动作行为。国标GB/T 34120—2017《电化学储 能系统储能变流器技术规范》中对功率变换系统中储能变流器控制算法 提出了相应的功能要求，如在控制功能方面，要求变流器应具备充放电 功能、有功功率控制功能、无功功率调节功能、并离网切换功能、低电 压穿越功能、频率/电压响应功能等；在保护逻辑方面，要求变流器应 具备短路保护、极性反接保护、直流过/欠压保护、离网过流保护、过 温保护、交流进线相序错误保护、通信故障保护、冷却系统故障保护、 防孤岛保护等。交流LC滤波主要用于滤除功率变换系统中开关动态所造成的高频 谐波分量，防止谐波分量注入电网后造成电能质量的下降，这类谐波具 有频率高、分布频带宽的特点；交流接触器用于控制储能变流器并网过 程中与电网的连接；交流EMI滤波器则主要用于滤除储能变流器开关动 态过程中dv/dt所造成的共模干扰，防止其造成高频辐射影响电子元器件 的正常运行；功率半导体器件对过电压较为敏感，高电压可造成功率半 导体击穿失效，故需在功率变换系统交流端设计避雷器以防止异常过压 对设备造成损坏。干式变压器主要用于将功率变换系统中储能变流器输出的低压交流 电转换为10kV或35kV电压等级以接入公用电网。目前主流的大容量电 池储能单元所采用的干式变压器容量一般为1250kVA。干式变压器具有 抗短路能力强、维护工作量小、运行效率高、体积小、噪声低等优点。

功能要求

在电化学电池储能电站设计中，为保证站内各储能单元的安全可靠 并网运行，功率变换系统的设计可参考以下原则：

（1）功率变换系统应实现储能电池与交流电网之间双向能量转 换，具备有功和无功解耦控制的四象限运行功能。

（2）功率变换系统应能接收监控系统的控制指令对电池进行充放电。

（3）功率变换系统应能和电池管理系统（BMS）配合以保障电池的安全。

（4）功率变换系统应能根据上层管理系统指令执行相应动作，实 现对充放电电压和电流的闭环控制。

（5）功率变换系统的功能、性能要求应与储能单元需求相匹配， 应具备并网充电、并网放电、离网放电、有功功率连续可调、无功功率 调节、低电压穿越等功能。

（6）功率变换系统应能采集功率变换系统交、直流侧电压、电流 等模拟量和装置正常运行、故障告警等开关量信息。

（7）功率变换系统应能接收电池管理系统上送的电池电压、温 度、计算电量等模拟量和电池正常运行、故障告警等开关量信息。

（8）功率变换系统应能实现装置运行状态的切换及控制逻辑，且 应包含功率变换系统的启停、控制方式的切换、运行状态的转换等。

（9）功率变换系统应能自动运行，实时显示各项运行数据、故障 数据、历史故障数据等。

（10）功率变换系统应同时配置有硬件故障保护和软件保护，保护 功能配置完善，保护范围交叉重叠，没有死区，能确保在各种故障情况 下的系统安全。

（11）功率变换系统宜支持IEC 61850、CAN、MODBUS通信，并 应能配合监控系统及电池管理系统完成储能单元的监控及保护。

审核编辑：刘清