新型多模块化Fullriver蓄电池储能系统电源调节系统
2026-08-05 20:36:46 点击：次
可再生能源（RES）的间歇性和不可预测性极大地影响了电网运营的安全性与稳定性。电池储能系统（BESS）被广泛认为是缓解这一问题的有效解决方案。电力调节系统（PCS）作为直流电池与交流电网之间的接口，在BESS应用中发挥关键作用。本文提出了一种新型PCS拓扑结构，旨在提升PCS的可靠性和稳定性，从而提升BESS的整体效率和可靠性。模块化设计使每个电池组能够独立控制，增强系统对电池故障和异常状况的响应能力。直流母线电压可根据电池状态动态调整，确保故障通过能力。即使没有冗余，它也能通过降低直流总线电压，快速隔离故障模块，而不影响其他模块的正常运行。这增强了系统冗余性和容错性，进一步提升了可靠性。此外，最近电平调制与脉宽调制的结合显著降低了直流链路滤波电感电流的纹波，从而降低了电感和成本。此外，还建议在不同条件下为每个电池组设置充电状态（SOC）平衡控制，以防止过充和过放电。这种方式延长了电池寿命，并进一步降低了成本。最后，在各种场景下使用MATLAB/Simulink进行了模拟。模拟结果验证了所提拓扑和控制策略的可行性和有效性。
随着风能和太阳能的快速发展，可再生能源（RES）的渗透率正在逐步提升[1]。然而，RES的特点是间歇性和不可预测性[2]。这些特性使得电网不稳定性问题日益突出[3]。储能系统（ESS）已被证明是解决这一问题的高效方案，可用于缓解RES电力波动[4]、增强电网稳定性[5]以及转移峰值负荷[6]。目前，三种主要的ESS技术已商业化：抽水蓄能系统、压缩空气储能系统和电池储能系统（BESS）[7]。在各种ESS中，BESS因其卓越的特性而迅速发展，如低成本和高能量密度[8]、长周期寿命[9]、低自放电率[10]和快速功率响应[11]。BESS被广泛认为是应对可再生能源整合挑战的最有效解决方案之一[12]。
BESS由电力调节系统（PCS）、电池管理系统（BMS）和能源管理系统（EMS）组成[13]。其中，PCS作为直流电池与交流电网之间的接口[14]，在电池组与电网连接中发挥关键作用[15]。大规模BESS的性能和容量很大程度上依赖于PCS[16]，因为它决定了BESS的运行状态[17]。因此，有必要对PCS的高可靠性进行拓扑研究，以提升BESS的可靠性[18]。
电池安全是BESS最重要的问题[19]。当发生电池故障时，会对其他电池造成重大风险，并可能导致整个系统的灾难性故障[20]。在严重情况下，可能导致系统崩溃或火灾事件[21]。因此，有必要开展PCS高可靠性拓扑的研究，以提升BESS的可靠性[22]。
考虑到开关设备的电压和电流额定，低功率电池或转换器的并联和串联连接成为实现高容量目标的有效方法。为了构建高功率、高容量的BESS，电池通常串联并联，以满足实际的电压和功率需求[23]。在实际应用中，PCS拓扑通常可分为两种主要类型：集中式PCS[24]和多分支型PCS[25]。
在集中式拓扑中，电池串联形成多个集群，然后并联通过高功率并网直流交流变换器的直流链路连接[24]。尽管这种拓扑结构成本效益高，但存在可靠性较低的缺点。单个电池单元的故障可能导致系统全面停机，造成重大损失。
为提高可靠性，提出了多分支类型拓扑。这些还可以进一步分为两个子类型：第一类是低功率型，每个电池组都连接到一个低功率并网的直流/交流变换器，从而实现对每个电池组的独立控制 [26]， [27]。由于每个电池组的运行状态不会影响其他电池组，整个PCS的可靠性相较于集中式电池组得到了提升。虽然这种结构提高了可靠性，但也显著增加了成本并增加了控制复杂性。
第二种子类型是高功率型。每个电池组串联形成电池组，连接到直流/直流转换器的输出端。每个直流/直流转换器的直流链路连接到高功率变换器的直流链路[28]，[29]。这种拓扑的优点是每个电池群具备独立的电流控制能力。它允许独立控制每个电池组的充电状态（SOC），这对于防止电池组过充或过放电至关重要。然而，当电池组发生故障时，这种拓扑无法及时隔离故障电池组，导致整个电池组关闭。
总之，现有的集中式PCS存在可靠性较低的问题，而多分支型PCS尽管可靠性有所提升，但仍面临单一电池对整体系统影响较大及控制复杂度较高等挑战。为解决前述PCS拓扑的局限性，本文提出了一种新型多模块化PCS（MPCS）拓扑，旨在显著提升系统可靠性和成本效益。拓扑采用模块化设计，实现低开关损耗、低滤波器电感和高可靠性。MPCS拓扑用多个半桥低功耗模块取代了传统的单一全功率直流/直流转换器。这种模块化设计使得每个电池组能够独立控制，从而能够隔离过充或过放电的电池组而不中断整个电池组的运行。此外，模块化结构使得MPCS比全功率直流/直流转换器更易于安装和维护。
此外，MPCS拓扑可以与BMS无缝集成，精确控制每个电池组，从而提升系统可靠性。采用SOC平衡控制以确保电池集群内部及内部的SOC平衡，降低电池过充或过放电的风险，延长电池寿命。通过根据电池组条件动态调整直流链路电压，可以最小化直流链路电压纹波，从而使用低电感滤波电感以节省成本。与最先进的拓扑结构（如模块化多电级转换器（MMC）的对比见表1。
基于1.5兆瓦MPCS的BESS仿真模型采用MATLAB/Simulink开发。模拟中测试了多种场景，包括正常运行、电池组过充和过放电以及故障状况。模拟结果证明了所提出拓扑和控制策略的可行性和有效性。
简介
BESS由电力调节系统（PCS）、电池管理系统（BMS）和能源管理系统（EMS）组成[13]。其中，PCS作为直流电池与交流电网之间的接口[14]，在电池组与电网连接中发挥关键作用[15]。大规模BESS的性能和容量很大程度上依赖于PCS[16]，因为它决定了BESS的运行状态[17]。因此，有必要对PCS的高可靠性进行拓扑研究，以提升BESS的可靠性[18]。
电池安全是BESS最重要的问题[19]。当发生电池故障时，会对其他电池造成重大风险，并可能导致整个系统的灾难性故障[20]。在严重情况下，可能导致系统崩溃或火灾事件[21]。因此，有必要开展PCS高可靠性拓扑的研究，以提升BESS的可靠性[22]。
考虑到开关设备的电压和电流额定，低功率电池或转换器的并联和串联连接成为实现高容量目标的有效方法。为了构建高功率、高容量的BESS，电池通常串联并联，以满足实际的电压和功率需求[23]。在实际应用中，PCS拓扑通常可分为两种主要类型：集中式PCS[24]和多分支型PCS[25]。
在集中式拓扑中，电池串联形成多个集群，然后并联通过高功率并网直流交流变换器的直流链路连接[24]。尽管这种拓扑结构成本效益高，但存在可靠性较低的缺点。单个电池单元的故障可能导致系统全面停机，造成重大损失。
为提高可靠性，提出了多分支类型拓扑。这些还可以进一步分为两个子类型：第一类是低功率型，每个电池组都连接到一个低功率并网的直流/交流变换器，从而实现对每个电池组的独立控制 [26]， [27]。由于每个电池组的运行状态不会影响其他电池组，整个PCS的可靠性相较于集中式电池组得到了提升。虽然这种结构提高了可靠性，但也显著增加了成本并增加了控制复杂性。
第二种子类型是高功率型。每个电池组串联形成电池组，连接到直流/直流转换器的输出端。每个直流/直流转换器的直流链路连接到高功率变换器的直流链路[28]，[29]。这种拓扑的优点是每个电池群具备独立的电流控制能力。它允许独立控制每个电池组的充电状态（SOC），这对于防止电池组过充或过放电至关重要。然而，当电池组发生故障时，这种拓扑无法及时隔离故障电池组，导致整个电池组关闭。
总之，现有的集中式PCS存在可靠性较低的问题，而多分支型PCS尽管可靠性有所提升，但仍面临单一电池对整体系统影响较大及控制复杂度较高等挑战。为解决前述PCS拓扑的局限性，本文提出了一种新型多模块化PCS（MPCS）拓扑，旨在显著提升系统可靠性和成本效益。拓扑采用模块化设计，实现低开关损耗、低滤波器电感和高可靠性。MPCS拓扑用多个半桥低功耗模块取代了传统的单一全功率直流/直流转换器。这种模块化设计使得每个电池组能够独立控制，从而能够隔离过充或过放电的电池组而不中断整个电池组的运行。此外，模块化结构使得MPCS比全功率直流/直流转换器更易于安装和维护。
此外，MPCS拓扑可以与BMS无缝集成，精确控制每个电池组，从而提升系统可靠性。采用SOC平衡控制以确保电池集群内部及内部的SOC平衡，降低电池过充或过放电的风险，延长电池寿命。通过根据电池组条件动态调整直流链路电压，可以最小化直流链路电压纹波，从而使用低电感滤波电感以节省成本。与最先进的拓扑结构（如模块化多电级转换器（MMC）的对比见表1。
基于1.5兆瓦MPCS的BESS仿真模型采用MATLAB/Simulink开发。模拟中测试了多种场景，包括正常运行、电池组过充和过放电以及故障状况。模拟结果证明了所提出拓扑和控制策略的可行性和有效性。