電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中電力電子變換器并網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)展綜述

（浙江大有實(shí)業(yè)有限公司杭州科技發(fā)展分公司，杭州 310052）

0 引言

隨著能源危機(jī)與環(huán)境問(wèn)題的加劇，光伏、風(fēng)電等新能源近年來(lái)受到世界范圍的廣泛關(guān)注，這些新能源發(fā)電系統(tǒng)具有可持續(xù)性、資源豐富、清潔等優(yōu)點(diǎn)，但其自身出力也具有隨機(jī)性、波動(dòng)性和間斷性等缺點(diǎn)。近年來(lái)，為了克服新能源發(fā)電所固有的上述缺陷，同時(shí)也為了滿(mǎn)足電網(wǎng)調(diào)頻和削峰填谷等需求，儲(chǔ)能項(xiàng)目得到了迅速發(fā)展。

根據(jù)中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟全球儲(chǔ)能項(xiàng)目庫(kù)不完全統(tǒng)計(jì)[1]，截至2019 年底，全球已投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模184.6 GW，同比增長(zhǎng)1.9%。其中抽水蓄能累計(jì)裝機(jī)占比最大，為92.6%，同比增長(zhǎng)0.2%。電化學(xué)儲(chǔ)能的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模9 520.5 MW，占比5.2%。在各種電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)手段中，鋰離子電池的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模排名第一，為8 453.9 MW。根據(jù)應(yīng)用類(lèi)型分類(lèi)，用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模最大，占比達(dá)到28%；電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能占比21%；用于輔助服務(wù)儲(chǔ)能裝機(jī)占比為21%；電源側(cè)儲(chǔ)能占比為30%，其中用于集中式可再生能源并網(wǎng)儲(chǔ)能裝機(jī)占比為17%，用于傳統(tǒng)機(jī)組的占13%。

國(guó)內(nèi)方面，截至2019 年底，中國(guó)已投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模為32.4 GW，占全球市場(chǎng)總規(guī)模17.6%，同比增長(zhǎng)3.6%。其中抽水蓄能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模最大，為30.3 GW，同比增長(zhǎng)1.0%；電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模在其中位列第二，為1 709.6 MW，同比增長(zhǎng)59.4%。這一數(shù)據(jù)盡管與2018 年175.2%的增長(zhǎng)率相差甚遠(yuǎn)，但這主要是受?chē)?guó)家相關(guān)政策影響，其636.9 MW 的新增裝機(jī)規(guī)模仍然保持了較為平穩(wěn)的儲(chǔ)能市場(chǎng)發(fā)展水平。同樣，在中國(guó)市場(chǎng)上的各類(lèi)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中，鋰離子電池的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模最大，為1 378.3 MW。從應(yīng)用分布上看，依然是用戶(hù)側(cè)累計(jì)裝機(jī)規(guī)模最大，占比為51%；電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能占比22%；用于輔助服務(wù)的儲(chǔ)能裝機(jī)占比為24%；用于電源側(cè)儲(chǔ)能的占比為3%。

BESS（電池儲(chǔ)能系統(tǒng)）是目前利用方式最為靈活廣泛的儲(chǔ)能方式，而如何進(jìn)一步提高系統(tǒng)整體運(yùn)行效率、降低其度電運(yùn)行成本，從而縮短投資回報(bào)周期，仍是制約其發(fā)展的瓶頸所在。

并網(wǎng)型BESS 由儲(chǔ)能電池組、匯流箱、PCS（功率變換系統(tǒng)）、電表等主要設(shè)備組成，其中PCS一般為電力電子變換器，通常由DC/DC 和DC/AC兩部分組成，是整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的唯一靈活可控裝備，承擔(dān)了與電網(wǎng)互聯(lián)的基本功能，并實(shí)現(xiàn)有功/無(wú)功調(diào)節(jié)、均衡控制等作用。

1 傳統(tǒng)集中式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

針對(duì)中高壓電網(wǎng)的傳統(tǒng)集中式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)如圖1 所示。在這種并網(wǎng)系統(tǒng)中，單體電池通常需要進(jìn)行大規(guī)模串/并聯(lián)連接來(lái)滿(mǎn)足功率和能量需求，因此BMS（電池管理系統(tǒng)）需要同時(shí)監(jiān)控大量的單體電池；PCS 對(duì)大量單體電池的輸出進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換之后，經(jīng)過(guò)變壓器和濾波器實(shí)現(xiàn)中高壓并網(wǎng)功能。

PCS 中的DC/AC 電路通常為兩電平[2-3]結(jié)構(gòu)，如圖2（a）所示，變換器的控制方法簡(jiǎn)單成熟，成本較低。三電平變換器[4-5]也廣泛用于圖1 所示的DC/AC 電路中，包括NPC（中性點(diǎn)箝位型）變換器、有源型NPC 變換器和懸浮電容型變換器（如圖2（b）所示）。這類(lèi)變換器的控制和調(diào)制都比兩電平變換器復(fù)雜，但是為提高輸出電壓和減小諧波含量提供了新的手段。

圖1 所示的并網(wǎng)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)控，開(kāi)關(guān)器件少，技術(shù)成熟，但是也存在以下問(wèn)題：

（1）對(duì)于兩電平或三電平變換器，在中高壓電網(wǎng)應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)器件的電壓、電流應(yīng)力較大。

（2）由于PCS 輸出電平數(shù)目較低，諧波含量較高，需要大容量濾波裝置。

（3）受限于開(kāi)關(guān)器件的耐受電壓限制，兩電平/三電平電路的輸出電壓等級(jí)較低，需要升壓變壓器來(lái)接入電網(wǎng)，不僅提高了成本，而且變壓器體積大、故障率高，降低了系統(tǒng)整體效率。

（4）在這種結(jié)構(gòu)中，BMS 需要調(diào)控大量單體電池，均衡能力不足；串聯(lián)電池間極易由于不均衡造成的短板效應(yīng)而限制整體輸出能力，甚至出現(xiàn)安全問(wèn)題；同時(shí)，并聯(lián)電池簇間存在環(huán)流損耗，傳統(tǒng)BMS 缺乏應(yīng)對(duì)手段。

圖1 傳統(tǒng)集中式儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 模塊化電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

針對(duì)傳統(tǒng)集中式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)存在的問(wèn)題，可以利用模塊化電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行有針對(duì)性的解決。按照直流側(cè)或交流側(cè)的串/并聯(lián)連接結(jié)構(gòu)，可以將模塊化電池儲(chǔ)能系統(tǒng)分為四類(lèi)，分別為交流側(cè)并聯(lián)型、直流側(cè)并聯(lián)型、直流側(cè)串聯(lián)型和交流側(cè)串聯(lián)型[6]。

2.1 交流側(cè)并聯(lián)型模塊化電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

模塊化儲(chǔ)能電池并網(wǎng)系統(tǒng)中，少量電池并聯(lián)成為每個(gè)子模塊中的電池組，使用BMS 芯片對(duì)其進(jìn)行充分的組內(nèi)管理。圖3 為子模塊交流側(cè)并聯(lián)型模塊化儲(chǔ)能電池并網(wǎng)系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)中PCS也被列入子模塊，所有子模塊的交流輸出一起連接到公共并網(wǎng)點(diǎn)。這種方案已經(jīng)被大量企業(yè)所采用[7]，工程應(yīng)用成熟、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富。G.Wang 等人在文章中詳細(xì)分析了這一并網(wǎng)結(jié)構(gòu)的效率、成本以及應(yīng)用案例[8]。

這種模塊化并網(wǎng)解決方案具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）電池化整為零，分散接入，方便在子模塊內(nèi)利用BMS 對(duì)少量的單體電池進(jìn)行管理。

（2）模塊化設(shè)計(jì)，并聯(lián)結(jié)構(gòu)，便于進(jìn)行容量拓展，易于實(shí)現(xiàn)故障冗余功能。

（3）開(kāi)關(guān)器件電壓應(yīng)力僅為子模塊電池組電壓，器件耐壓要求降低，可以更換低壓器件以降低成本。

（4）DC/AC 部分仍然使用如圖2 所示的兩電平或三電平變換器，控制成熟簡(jiǎn)單。

但是這種交流側(cè)并聯(lián)結(jié)構(gòu)也存在以下問(wèn)題：低壓側(cè)的PCS 電流大，多級(jí)升壓，使得系統(tǒng)效率依然較低；需要額外的中央控制系統(tǒng)來(lái)集成各個(gè)從控系統(tǒng)和BMS[9]；為保證控制精度，各個(gè)從控系統(tǒng)與中央控制系統(tǒng)間需要低延時(shí)通信，且協(xié)同控制較難；大規(guī)模并網(wǎng)時(shí)，多并聯(lián)結(jié)構(gòu)存在穩(wěn)定性問(wèn)題[10]。

2.2 直流側(cè)并聯(lián)型模塊化電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

借鑒傳統(tǒng)的光伏發(fā)電并網(wǎng)結(jié)構(gòu)，有研究者提出如圖4 所示的直流側(cè)并聯(lián)型模塊化電池儲(chǔ)能系統(tǒng)[2，11]。雙向DC/DC 變換器高壓側(cè)電壓穩(wěn)定，可以使PCS 的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化；當(dāng)使用隔離型雙向DC/DC變換器時(shí)，可以避免電池模塊間的環(huán)流，電池?fù)p耗少。上海交通大學(xué)高寧等人提出了針對(duì)這一并網(wǎng)結(jié)構(gòu)中隔離型雙向DC/DC 變換器的直流母線(xiàn)電壓優(yōu)化控制方法[12-13]，以及基于模式切換的效率優(yōu)化手段[14]。

圖3 交流側(cè)并聯(lián)型模塊化電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

但是，也有學(xué)者經(jīng)過(guò)分析后認(rèn)為直流側(cè)并聯(lián)結(jié)構(gòu)的效率較串聯(lián)結(jié)構(gòu)低（從系統(tǒng)變比的角度來(lái)看），并且其可靠性也較串聯(lián)結(jié)構(gòu)更低[6，15]。

針對(duì)并聯(lián)型模塊化電池儲(chǔ)能系統(tǒng)存在的上述問(wèn)題，近年來(lái)，串聯(lián)結(jié)構(gòu)的模塊化儲(chǔ)能電池并網(wǎng)系統(tǒng)開(kāi)始受到了較為廣泛的關(guān)注。

2.3 直流側(cè)串聯(lián)型模塊化電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

圖5 為直流側(cè)串聯(lián)的模塊化儲(chǔ)能電池并網(wǎng)系統(tǒng)，在這種結(jié)構(gòu)中，原PCS 中的DC/DC 部分被放入了模塊化結(jié)構(gòu)中，用來(lái)升高直流電壓從而進(jìn)一步降低對(duì)串聯(lián)電池?cái)?shù)的要求，同時(shí)還可以對(duì)流入直流側(cè)的交流波動(dòng)分量進(jìn)行抑制。DC/AC 部分仍然使用成熟的兩電平或三電平變換器。

文獻(xiàn)[16]首先提出將這種結(jié)構(gòu)用于電動(dòng)汽車(chē)中的動(dòng)力電池管理，DC/AC 變換器之前的模塊化結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)變直流母線(xiàn)電壓輸出，后級(jí)的DC/AC 變換器能夠只以低開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行電流換向，降低了后級(jí)的開(kāi)關(guān)損耗。Mukherjee 等人則將這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用于動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能系統(tǒng)[17]，并在后續(xù)研究中探究了這一儲(chǔ)能變換器結(jié)構(gòu)的控制穩(wěn)定性問(wèn)題及解決方案[18-19]，還研究了這一并網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不同工作模式的特點(diǎn)[20]，并提出了一種適用于該結(jié)構(gòu)的荷電狀態(tài)控制方法[21]。文獻(xiàn)[22]則進(jìn)一步將這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用于超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)。

但是，無(wú)論是并聯(lián)型還是直流側(cè)串聯(lián)型模塊化儲(chǔ)能系統(tǒng)，這兩種并網(wǎng)結(jié)構(gòu)中仍然需要使用工頻變壓器來(lái)并網(wǎng)，使得整個(gè)系統(tǒng)體積龐大、損耗升高、成本增加。

為了避免使用工頻變壓器，有研究人員提出使用開(kāi)關(guān)串聯(lián)型高壓大容量DC/AC 變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)直流側(cè)串聯(lián)型模塊化電池儲(chǔ)能直接并網(wǎng)[8]。但是，目前開(kāi)關(guān)串聯(lián)型變換器有其固有缺點(diǎn)，如：開(kāi)關(guān)器件數(shù)量過(guò)多；串聯(lián)開(kāi)關(guān)器件同步開(kāi)斷困難，半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)和門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路都需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)；為避免較大的開(kāi)關(guān)損耗，只能以較低的開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行等，這也提高了輸出濾波的成本。

圖4 直流側(cè)并聯(lián)型模塊化電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

圖5 直流側(cè)串聯(lián)的模塊化電池儲(chǔ)能經(jīng)變壓器并網(wǎng)系統(tǒng)

2.4 交流側(cè)串聯(lián)型模塊化電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

近年來(lái)，許多研究者將儲(chǔ)能單元模塊化地接入多電平變換器，形成交流側(cè)串聯(lián)型模塊化電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)使用子模塊級(jí)聯(lián)的多電平變換器實(shí)現(xiàn)DC/AC 變換，能在保持多電平變換器自身拓?fù)鋬?yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池的靈活調(diào)控，有效提高電池組能量管理效率，降低BMS 的工作負(fù)擔(dān)。

圖6 為兩種典型的交流側(cè)串聯(lián)型模塊化儲(chǔ)能電池并網(wǎng)系統(tǒng)，其中圖6（a）為基于CHB（H 橋級(jí)聯(lián)型變換器）的BESS，圖6（b）為基于MMC（模塊化多電平變換器）的BESS。

東京工業(yè)大學(xué)H.Akagi 等人于2007 年首次提出將CHB 應(yīng)用于基于電容的儲(chǔ)能系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)不需要變壓器直接并入中壓電網(wǎng)[23-24]；隨后于2009 年將這一結(jié)構(gòu)應(yīng)用于基于電池的儲(chǔ)能系統(tǒng)[25-26]。上海交通大學(xué)的蔡旭教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)這種拓?fù)?，?014 年9 月在南方電網(wǎng)寶清儲(chǔ)能電站實(shí)現(xiàn)了2 MW/2 MWh 無(wú)變壓器10 kV 直掛儲(chǔ)能的世界首例示范應(yīng)用，實(shí)測(cè)儲(chǔ)能變換器效率大于98%[27]。2019 年，國(guó)網(wǎng)江蘇電力公司利用這一結(jié)構(gòu)，在鹽城阜寧縣蔣圩110 kV 變電站開(kāi)展了10 kV 中壓直掛式儲(chǔ)能示范工程，實(shí)測(cè)儲(chǔ)能變換器效率大于99%，而且采用磷酸鐵鋰電池的儲(chǔ)能系統(tǒng)全循環(huán)效率大于90%。

丹麥奧爾堡大學(xué)的R.Teodorescu 等人于2011年首次將MMC 與BESS 相結(jié)合[28]。與CHB 相比，MMC 拓?fù)渚哂须[含的公共直流母線(xiàn)，可以進(jìn)行交直流電網(wǎng)互聯(lián)；而且，其獨(dú)有的內(nèi)部環(huán)流為解決子模塊間的不均衡問(wèn)題提供了一種新的手段，尤其在電網(wǎng)輸出不平衡的情況下[29-31]更為適用。山東大學(xué)的高峰等人提出了針對(duì)電池組間[32]和子模塊內(nèi)單體電池間的健康狀態(tài)不均衡問(wèn)題的控制方法[33-34]；后來(lái)又總結(jié)了包括輸出功率控制、SOC（荷電狀態(tài)）均衡控制以及并網(wǎng)電流直流分量抑制在內(nèi)的通用MMC-BESS 控制策略[35]；也有文獻(xiàn)通過(guò)對(duì)PWM（脈沖寬度調(diào)制）脈沖進(jìn)行重新分配來(lái)實(shí)現(xiàn)MMC-BESS 中子模塊故障時(shí)的容錯(cuò)控制[36-37]。還有研究人員進(jìn)一步將MMC-BESS 系統(tǒng)作為接口變換器應(yīng)用于交直流混合配電網(wǎng)，分別對(duì)不同工作模式下的荷電狀態(tài)均衡控制方式進(jìn)行了探討[38-39]。

圖6 交流側(cè)串聯(lián)的模塊化電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

此外，蘇黎世聯(lián)邦理工的A.Hillers 等人對(duì)這一結(jié)構(gòu)下的兩類(lèi)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了深入系統(tǒng)研究與對(duì)比，并在實(shí)驗(yàn)室中搭建了一個(gè)具有90 個(gè)子模塊的250 kW 樣機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)與9 kV 的中壓電網(wǎng)直連[40-43]；上海交通大學(xué)的陳強(qiáng)等人也對(duì)這兩類(lèi)高壓直掛電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比探究[44]，并針對(duì)實(shí)現(xiàn)交直流電網(wǎng)互聯(lián)的混合型MMCBESS 提出了交直流側(cè)分別故障時(shí)的容錯(cuò)控制方法[45]。

除了具有前述的“模塊化結(jié)構(gòu)”外，交流側(cè)串聯(lián)型模塊化電池儲(chǔ)能系統(tǒng)還具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）多電平變換器解決了高壓兩電平結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)均壓難的問(wèn)題，對(duì)于相同耐壓等級(jí)的開(kāi)關(guān)器件，可以通過(guò)增加電平數(shù)來(lái)提高輸出電壓等級(jí)，不使用變壓器直接接入中高壓電網(wǎng)，提高效率、節(jié)省投資。

（2）多電平變換拓?fù)漭敵鲭娖綌?shù)目多，諧波含量小，濾波裝置容量大大減小。

（3）在保證等效開(kāi)關(guān)頻率不變的前提下，多電平拓?fù)浯蟠蠼档土藛蝹€(gè)開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)斷頻率，損耗成倍下降。

但是這一類(lèi)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)也存在使用開(kāi)關(guān)器件和電容器較多的缺點(diǎn)。

3 歸納總結(jié)和技術(shù)展望

各類(lèi)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的DC/AC 變換器技術(shù)參數(shù)與特點(diǎn)（包括器件數(shù)量、是否需要變壓器并網(wǎng)、轉(zhuǎn)換效率、成本及技術(shù)特征）的對(duì)比總結(jié)如下：

（1）兩電平變換器：器件數(shù)量少，需要變壓器，轉(zhuǎn)換效率大于95%，變換器成本低。其優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，器件數(shù)量少，技術(shù)成熟，成本低。缺點(diǎn)是為了降低開(kāi)關(guān)損耗只能以較低的開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行，需要變壓器來(lái)并入中高壓電網(wǎng)。

（2）三電平變換器：器件數(shù)量較少，需要變壓器，轉(zhuǎn)換效率大于96%，變換器成本中等。其優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，器件耐壓要求較低，電能質(zhì)量提高。缺點(diǎn)為器件較多，仍然需要變壓器來(lái)接入中高壓電網(wǎng)。

（3）開(kāi)關(guān)串聯(lián)型兩電平高壓大容量變換器：器件數(shù)量多，直接并網(wǎng)，轉(zhuǎn)換效率大于96%，變換器成本高。其優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，單個(gè)開(kāi)關(guān)器件的耐壓要求低，無(wú)需變壓器并網(wǎng)。缺點(diǎn)為需要保證每個(gè)開(kāi)關(guān)器件的同步開(kāi)斷，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路和器件的一致性要求高，只能在較低的開(kāi)關(guān)頻率下工作以降低開(kāi)關(guān)損耗。

（4）CHB：器件數(shù)量多，直接并網(wǎng)，轉(zhuǎn)換效率大于99%，變換器成本高。其優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需變壓器并網(wǎng)，提高效率，減小體積；解決了開(kāi)關(guān)串聯(lián)型兩電平結(jié)構(gòu)的“器件串聯(lián)均壓難”問(wèn)題；輸出諧波含量??；降低了單個(gè)器件的開(kāi)關(guān)損耗。缺點(diǎn)為使用開(kāi)關(guān)器件和電容器較多。

（5）MMC：器件數(shù)量多，直接并網(wǎng)，轉(zhuǎn)換效率大于99%，變換器成本高。其優(yōu)點(diǎn)在于除了與CHB 型相同的優(yōu)點(diǎn)外，還可以使用直流母線(xiàn)實(shí)現(xiàn)直流和交流電網(wǎng)互聯(lián)；在相同開(kāi)關(guān)數(shù)目下，MMC的子模塊個(gè)數(shù)為CHB 的兩倍，可集成的電池組數(shù)量更多；MMC 獨(dú)有的內(nèi)部環(huán)流可幫助進(jìn)行模塊間電池均衡。缺點(diǎn)為與CHB 相比，在相同開(kāi)關(guān)數(shù)目下，所需電容器和通信通道多一倍。

對(duì)于發(fā)電側(cè)和用戶(hù)側(cè)小型并網(wǎng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，由于電池組數(shù)量普遍較少，總體容量不高，電池管理壓力較小，組間環(huán)流問(wèn)題尚不嚴(yán)重，使用傳統(tǒng)的集中式并網(wǎng)結(jié)構(gòu)依然具有成本和控制上的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于應(yīng)用于電網(wǎng)側(cè)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，更高的接入電壓等級(jí)、更大的單站容量、更高的轉(zhuǎn)換效率以及安全性更好的電池管理和故障隔離能力是其未來(lái)的發(fā)展方向。模塊化電池儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有接入靈活、運(yùn)維成本低、易于實(shí)現(xiàn)故障冗余和更利于實(shí)現(xiàn)電池精細(xì)化管理特點(diǎn)，非常適合于大規(guī)模并網(wǎng)應(yīng)用。

在高壓大容量?jī)?chǔ)能場(chǎng)景下，交流側(cè)并聯(lián)型模塊化電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是目前應(yīng)用最為廣泛且成熟的結(jié)構(gòu)，但是由于變壓器的存在，電能轉(zhuǎn)換效率難以進(jìn)一步提升；調(diào)度指令響應(yīng)一致性不佳；黑啟動(dòng)過(guò)程中容易出現(xiàn)沖擊；內(nèi)部環(huán)流和大規(guī)模儲(chǔ)能模塊并聯(lián)匯集所導(dǎo)致的諧振問(wèn)題也需要特別加以考慮。

直流側(cè)并聯(lián)型結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定的直流母線(xiàn)電壓，可以簡(jiǎn)化PCS 設(shè)計(jì)；利用隔離型DC/DC 可以避免電池模塊間的環(huán)流；但是其運(yùn)行效率與可靠性尚需進(jìn)一步的工程驗(yàn)證。直流側(cè)串聯(lián)型結(jié)構(gòu)則可以利用模塊化結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)變直流母線(xiàn)電壓輸出，后級(jí)DC/AC 變換器可以只進(jìn)行低頻電流換向，降低了開(kāi)關(guān)損耗。但是以上兩種結(jié)構(gòu)都對(duì)單個(gè)DC/AC 變換器的耐壓和容量提出了較高的要求，尤其是使用開(kāi)關(guān)串聯(lián)型高壓大容量變換器時(shí)，如何保證器件同步開(kāi)斷是一個(gè)難題。

近年來(lái)在研究和示范應(yīng)用中提及較多的交流側(cè)串聯(lián)型的模塊化儲(chǔ)能電池并網(wǎng)系統(tǒng)，如H 橋級(jí)聯(lián)型或模塊化多電平變換器型，無(wú)需變壓器即可直連10 kV 及以上電壓等級(jí)電網(wǎng)，節(jié)省了工程占地面積，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率提升；功率模塊低開(kāi)關(guān)頻率可降低系統(tǒng)開(kāi)關(guān)損耗；高等效開(kāi)關(guān)頻率提升了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度；可以實(shí)現(xiàn)單體電池間、電池模組間、各橋臂和各相間的多層級(jí)能量均衡，提升系統(tǒng)容量利用率；此外，單機(jī)容量可達(dá)數(shù)十兆瓦，對(duì)調(diào)度指令的響應(yīng)一致性好。但是其使用的開(kāi)關(guān)和電容器件較多，成本依然較高，目前來(lái)看更適用于大規(guī)模并網(wǎng)且工程用地緊張的項(xiàng)目。

4 結(jié)語(yǔ)

本文系統(tǒng)回顧并比較了并網(wǎng)型電池儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展歷程，按照集中式儲(chǔ)能系統(tǒng)和模塊化儲(chǔ)能系統(tǒng)兩大類(lèi)進(jìn)行比較，歸納國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)并分析總結(jié)了各種并網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其使用的DC/AC變換器的優(yōu)勢(shì)與存在問(wèn)題，最后總結(jié)了未來(lái)并網(wǎng)型電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中電力電子變換器并網(wǎng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)。