10kV鏈式儲能系統(tǒng)二次供電方式分析及選擇

李勇琦，湯曼麗，凌志斌

（1.中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東 廣州 510630；2.廣東省電力設(shè)計研究院，廣東 廣州 510663；3.上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 200240）

10kV鏈式儲能系統(tǒng)二次供電方式分析及選擇

李勇琦1，湯曼麗2，凌志斌3

（1.中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東 廣州 510630；2.廣東省電力設(shè)計研究院，廣東 廣州 510663；3.上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 200240）

主要針對10kV鏈式儲能PCS的二次功耗和供電方式進行分析研究。首先分析了10kV鏈式儲能PCS的二次系統(tǒng)功耗，分析了中高壓電力電子裝置常用的5種供電方式，最后基于10kV鏈式儲能PCS系統(tǒng)隔離耐壓特性提出了兩種二次電源互備的供電方式。最終選擇工頻隔離變壓器與直流DC/DC互備供電方式作為10kV鏈式儲能PCS系統(tǒng)的二次供電方案，對儲能系統(tǒng)二次供電可靠性研究具有一定意義。

鏈式儲能PCS；二次供電；互備供電

1 引言

在南方電網(wǎng)承擔(dān)的國家863項目“大容量儲能系統(tǒng)設(shè)計及其監(jiān)控管理與保護技術(shù)”中，儲能系統(tǒng)采用10kV中壓鏈式拓撲結(jié)構(gòu)，儲能系統(tǒng)主要由蓄電池、蓄電池管理系統(tǒng)（BMS）、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PCS）、儲能站監(jiān)控系統(tǒng)等組成。儲能系統(tǒng)中鏈式PCS采取星形連接，每相20鏈節(jié)，共60個鏈節(jié)，每個鏈節(jié)PCS功率模塊直流側(cè)與一個電池組連接。在儲能系統(tǒng)電氣主回路中的PCS功率模塊、蓄電池、BMS系統(tǒng)均存在對地工頻高電壓。因此，每個功率模塊控制系統(tǒng)及其散熱風(fēng)扇、BMS系統(tǒng)供電電源需要按照對地10kV的絕緣要求加以特殊考慮。

目前，用于中高壓電力電子裝置的隔離電源傳送能量的方式按照能量轉(zhuǎn)換類型分為：電磁傳輸、光電傳輸和壓電傳輸3種。電磁傳輸方式以磁場作為能量傳輸和高電壓隔離的介質(zhì)，可獲得較大的傳輸功率，同時可獲得數(shù)萬伏的隔離耐壓。光電傳輸方式在傳輸端將電能轉(zhuǎn)化為光能，在接收端將光能重新轉(zhuǎn)換為電能，利用光作為能量傳輸和隔離的介質(zhì)。由于光電轉(zhuǎn)換效率較低，該方式整體能量效率較低，但是其隔離耐壓幾乎不受限制。壓電傳輸利用陶瓷晶體的壓電效應(yīng)在傳輸端將電能轉(zhuǎn)化為機械能，在接收端將機械能轉(zhuǎn)換為電能。其隔離電壓僅達到數(shù)千伏。

2 二次控制功率分析

PCS功率模塊的電子控制電路與主電路電氣上連接，對地存在高的工頻電位，且每個功率模塊的控制電路之間電位不同。因此，每個功率模塊的控制電源之間需相互隔離，隔離電壓按照10kV設(shè)計。

對于PCS而言，二次控制的電源主要用于兩個方面：①電子電路的控制；②散熱控制。一般而言，電子電路所需功率較??；而通過合理的散熱設(shè)計，散熱風(fēng)扇所需的功率僅為發(fā)熱功率的5%～10%，以10%考慮較為穩(wěn)妥。

圖1 功率模塊結(jié)構(gòu)圖

PCS功率模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

每個PCS模塊需要實現(xiàn)通訊、對IGBT的驅(qū)動保護以及接觸器的控制功能。其中通訊和對IGBT的驅(qū)動保護功能所需的功率約15W，接觸器保持所需平均功率約1.5W，總計功率16.5W。為保證電源工作可靠性，考慮電源的實際負荷不超過其額定功率的60%，控制電源按照30W設(shè)計為宜。

每個PCS功率模塊直流側(cè)與一個電池組連接，電池組BMS系統(tǒng)的正常工作需要電源的供給。經(jīng)計算，BMS系統(tǒng)總功率約10950W。如PCS功率模塊的控制電源與對應(yīng)的電池組BMS采取統(tǒng)一供電，則二次系統(tǒng)功耗統(tǒng)計見表1。

表1 二次系統(tǒng)功耗統(tǒng)計

從表1對比分析可見，BMS和PCS總的二次供電對效率的影響為0.73%，相比于PCS主電路2%～3%的效率，其所占比例相當(dāng)高。二次供電的能量轉(zhuǎn)換效率對提高儲能系統(tǒng)的整體效率具有不可忽視的意義。

3 供電方式種類與比較

鏈式中高壓電力電子裝置中，各個模塊的控制電源多通過如下5種方式取得。

3.1 交流電流總線隔離供電

交流電流總線隔離供電通過DC/AC環(huán)節(jié)將工頻電壓整流后的直流逆變?yōu)楦哳l的交流電流，交流電流線以穿心方式依次穿過各個功率模塊內(nèi)電流型互感器，互感器副邊的感應(yīng)電流經(jīng)過整流和穩(wěn)壓后形成穩(wěn)定的電源供電子電路工作。由于高頻線路長，且因所需隔離電壓高、絕緣距離大導(dǎo)致耦合效率降低，目前類似的應(yīng)用中，每個子電源的功率約為15W左右。

圖2 交流電流總線隔離供電原理示意圖

3.2 交流電壓總線隔離供電

交流電壓總線隔離供電通過DC/AC環(huán)節(jié)將工頻電壓整流后的直流逆變?yōu)楦哳l電壓信號，交流電壓通過高隔離度的高頻變壓器后整流得到直流電壓，在經(jīng)穩(wěn)壓后得到穩(wěn)定的電源供電子電路工作。

與第一種供電方式類似，由于高頻線路長，且因所需隔離電壓高、絕緣距離大導(dǎo)致耦合效率降低，目前類似的應(yīng)用中，每個子電源的功率約為15W左右。

圖3 交流電壓總線隔離供電原理示意圖

3.3 H橋直流側(cè)DC/DC取電供電

在級聯(lián)H橋工作的過程中，其直流側(cè)電容上存在約700V DC的電壓，通過DC/DC變換電路，將700V左右的高壓降為15V或者24V的穩(wěn)定電壓，供給控制電路使用。控制電路與直流側(cè)電容處于同一功率模塊內(nèi)，兩者的對地工頻電位相同，因此不需單獨考慮對地10kV的耐壓，只需實現(xiàn)輸入輸出之間1000V左右的隔離耐壓即可。該方案有成熟的產(chǎn)品可供選用。由于降壓比大，DC/DC轉(zhuǎn)換效率較低，其功率一般在50W以內(nèi)。

圖4中，DC/DC隔離電源從直流側(cè)取電。雖然其功率較小，但長期的、微小的工作電流必將對電池的SOC造成一定的影響。另外，由于鏈式結(jié)構(gòu)的每個功率模塊的電路功耗的微小差異，長期累積的效果也會造成各個鏈節(jié)之間電池的SOC偏差。

圖4 DC/DC隔離供電示意圖

3.4 模塊交流側(cè)供電

在級聯(lián)H橋正常工作過程中，其交流側(cè)存在近300V AC的電壓，通過AC/DC變換電路，將其變換為15V或者24V的穩(wěn)定直流電壓，供給控制電路使用?？刂齐娐放c交流側(cè)取電點處于同一功率模塊內(nèi)，兩者的對地工頻電位相同，因此不需單獨考慮對地10kV的耐壓，只需實現(xiàn)輸入輸出之間1000V左右的隔離耐壓即可。該方案的不足之處在于，當(dāng)本功率模塊處于故障旁路或者主電路故障時，供電無法得到可靠保證。

圖5 AC/DC隔離供電示意圖

3.5 工頻隔離變壓器供電

隔離變壓器方案結(jié)構(gòu)簡單，無需控制，是上述所有供電方案中可靠性最高的一種。其容量范圍寬，數(shù)十瓦至數(shù)百瓦均可實現(xiàn)，其不足之處為頻率較低、且需要按照10kV絕緣設(shè)計，體積較大，效率較常規(guī)變壓器低些。

圖6 模塊間互備供電示意圖

4 互備供電方式

控制系統(tǒng)供電可靠性是系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)。為增強供電可靠性，可以采用雙電源互備供電的方式。設(shè)計兩種互備供電方案如下。

4.1 臨近功率模塊相互備用供電

如圖6所示，電源1和電源2完全相同，其取得方式為上述5種中的任意一種。

當(dāng)某一個鏈節(jié)因為故障損壞（如直流側(cè)短路）而不能保證電源供給時，通過臨近的模塊的供電可以保證故障模塊IGBT的可靠保護動作與故障信息上報。

由于兩個功率模塊電氣上相鄰，兩者之間的電位差不高，僅為10kV/20，對圖中電源1、電源2的輸入輸出之間的隔離度要求不高。

4.2 同一功率模塊內(nèi)兩種供電電源互備

如圖7所示，電源1和電源2是兩種采取不同取電方式的電源，其取得方式為上述5種中的任意兩種。正常工作時，兩種電源互為備用。當(dāng)某一個電源損壞，自然無縫切換到另一電源供電?？梢员ＷC故障模塊IGBT的可靠保護動作與故障信息上報。由于兩個電源處于同一功率模塊內(nèi)，兩者之間處于等電位，兩種電源無特殊的隔離耐壓要求。

圖7 兩種電源互備供電示意圖

5 結(jié)論

通過上述的分析可以看出，二次供電方式種類較多，各有特點。工程中需要根據(jù)實際的需求特點進行選擇。結(jié)合本863項目儲能課題示范工程儲能系統(tǒng)的實際情況，擬采取工頻隔離變壓器供電和直流側(cè)DC/DC隔離供電相互備用的應(yīng)用方式。通過合理的設(shè)計，在正常工作時的二次電源由工頻變壓器提供，當(dāng)工頻電源異常情況時，直流側(cè)DC/DC隔離電源自動無縫投入，使得正常情況下控制電源不從直流側(cè)取得，對儲能系統(tǒng)電池組SOC的影響最小。采用這種供電方式，不僅保證了儲能系統(tǒng)二次供電可靠性，同時完全滿足儲能系統(tǒng)黑啟動的需要。

TM910

A

1672-5387（2015）S-0082-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2015.S.024

2015-10-22

國家高新技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）課題“大容量儲能系統(tǒng)設(shè)計及其監(jiān)控管理與保護技術(shù)”（2011AA05A111）。

李勇琦（1979-），男，高級工程師，從事抽水蓄能電廠電氣設(shè)備檢修及電池儲能技術(shù)研究工作。