10kV链式储能系统二次供电方式分析及选择

李勇琦，汤曼丽，凌志斌

（1.中国南方电网调峰调频发电公司，广东 广州 510630；2.广东省电力设计研究院，广东 广州 510663；3.上海交通大学电气工程系，上海 200240）

10kV链式储能系统二次供电方式分析及选择

李勇琦1，汤曼丽2，凌志斌3

（1.中国南方电网调峰调频发电公司，广东 广州 510630；2.广东省电力设计研究院，广东 广州 510663；3.上海交通大学电气工程系，上海 200240）

主要针对10kV链式储能PCS的二次功耗和供电方式进行分析研究。首先分析了10kV链式储能PCS的二次系统功耗，分析了中高压电力电子装置常用的5种供电方式，最后基于10kV链式储能PCS系统隔离耐压特性提出了两种二次电源互备的供电方式。最终选择工频隔离变压器与直流DC/DC互备供电方式作为10kV链式储能PCS系统的二次供电方案，对储能系统二次供电可靠性研究具有一定意义。

链式储能PCS；二次供电；互备供电

1 引言

在南方电网承担的国家863项目“大容量储能系统设计及其监控管理与保护技术”中，储能系统采用10kV中压链式拓扑结构，储能系统主要由蓄电池、蓄电池管理系统（BMS）、能量转换系统（PCS）、储能站监控系统等组成。储能系统中链式PCS采取星形连接，每相20链节，共60个链节，每个链节PCS功率模块直流侧与一个电池组连接。在储能系统电气主回路中的PCS功率模块、蓄电池、BMS系统均存在对地工频高电压。因此，每个功率模块控制系统及其散热风扇、BMS系统供电电源需要按照对地10kV的绝缘要求加以特殊考虑。

目前，用于中高压电力电子装置的隔离电源传送能量的方式按照能量转换类型分为：电磁传输、光电传输和压电传输3种。电磁传输方式以磁场作为能量传输和高电压隔离的介质，可获得较大的传输功率，同时可获得数万伏的隔离耐压。光电传输方式在传输端将电能转化为光能，在接收端将光能重新转换为电能，利用光作为能量传输和隔离的介质。由于光电转换效率较低，该方式整体能量效率较低，但是其隔离耐压几乎不受限制。压电传输利用陶瓷晶体的压电效应在传输端将电能转化为机械能，在接收端将机械能转换为电能。其隔离电压仅达到数千伏。

2 二次控制功率分析

PCS功率模块的电子控制电路与主电路电气上连接，对地存在高的工频电位，且每个功率模块的控制电路之间电位不同。因此，每个功率模块的控制电源之间需相互隔离，隔离电压按照10kV设计。

对于PCS而言，二次控制的电源主要用于两个方面：①电子电路的控制；②散热控制。一般而言，电子电路所需功率较小；而通过合理的散热设计，散热风扇所需的功率仅为发热功率的5%～10%，以10%考虑较为稳妥。

图1 功率模块结构图

PCS功率模块结构如图1所示。

每个PCS模块需要实现通讯、对IGBT的驱动保护以及接触器的控制功能。其中通讯和对IGBT的驱动保护功能所需的功率约15W，接触器保持所需平均功率约1.5W，总计功率16.5W。为保证电源工作可靠性，考虑电源的实际负荷不超过其额定功率的60%，控制电源按照30W设计为宜。

每个PCS功率模块直流侧与一个电池组连接，电池组BMS系统的正常工作需要电源的供给。经计算，BMS系统总功率约10950W。如PCS功率模块的控制电源与对应的电池组BMS采取统一供电，则二次系统功耗统计见表1。

表1 二次系统功耗统计

从表1对比分析可见，BMS和PCS总的二次供电对效率的影响为0.73%，相比于PCS主电路2%～3%的效率，其所占比例相当高。二次供电的能量转换效率对提高储能系统的整体效率具有不可忽视的意义。

3 供电方式种类与比较

链式中高压电力电子装置中，各个模块的控制电源多通过如下5种方式取得。

3.1 交流电流总线隔离供电

交流电流总线隔离供电通过DC/AC环节将工频电压整流后的直流逆变为高频的交流电流，交流电流线以穿心方式依次穿过各个功率模块内电流型互感器，互感器副边的感应电流经过整流和稳压后形成稳定的电源供电子电路工作。由于高频线路长，且因所需隔离电压高、绝缘距离大导致耦合效率降低，目前类似的应用中，每个子电源的功率约为15W左右。

图2 交流电流总线隔离供电原理示意图

3.2 交流电压总线隔离供电

交流电压总线隔离供电通过DC/AC环节将工频电压整流后的直流逆变为高频电压信号，交流电压通过高隔离度的高频变压器后整流得到直流电压，在经稳压后得到稳定的电源供电子电路工作。

与第一种供电方式类似，由于高频线路长，且因所需隔离电压高、绝缘距离大导致耦合效率降低，目前类似的应用中，每个子电源的功率约为15W左右。

图3 交流电压总线隔离供电原理示意图

3.3 H桥直流侧DC/DC取电供电

在级联H桥工作的过程中，其直流侧电容上存在约700V DC的电压，通过DC/DC变换电路，将700V左右的高压降为15V或者24V的稳定电压，供给控制电路使用。控制电路与直流侧电容处于同一功率模块内，两者的对地工频电位相同，因此不需单独考虑对地10kV的耐压，只需实现输入输出之间1000V左右的隔离耐压即可。该方案有成熟的产品可供选用。由于降压比大，DC/DC转换效率较低，其功率一般在50W以内。

图4中，DC/DC隔离电源从直流侧取电。虽然其功率较小，但长期的、微小的工作电流必将对电池的SOC造成一定的影响。另外，由于链式结构的每个功率模块的电路功耗的微小差异，长期累积的效果也会造成各个链节之间电池的SOC偏差。

图4 DC/DC隔离供电示意图

3.4 模块交流侧供电

在级联H桥正常工作过程中，其交流侧存在近300V AC的电压，通过AC/DC变换电路，将其变换为15V或者24V的稳定直流电压，供给控制电路使用。控制电路与交流侧取电点处于同一功率模块内，两者的对地工频电位相同，因此不需单独考虑对地10kV的耐压，只需实现输入输出之间1000V左右的隔离耐压即可。该方案的不足之处在于，当本功率模块处于故障旁路或者主电路故障时，供电无法得到可靠保证。

图5 AC/DC隔离供电示意图

3.5 工频隔离变压器供电

隔离变压器方案结构简单，无需控制，是上述所有供电方案中可靠性最高的一种。其容量范围宽，数十瓦至数百瓦均可实现，其不足之处为频率较低、且需要按照10kV绝缘设计，体积较大，效率较常规变压器低些。

图6 模块间互备供电示意图

4 互备供电方式

控制系统供电可靠性是系统可靠性的基础。为增强供电可靠性，可以采用双电源互备供电的方式。设计两种互备供电方案如下。

4.1 临近功率模块相互备用供电

如图6所示，电源1和电源2完全相同，其取得方式为上述5种中的任意一种。

当某一个链节因为故障损坏（如直流侧短路）而不能保证电源供给时，通过临近的模块的供电可以保证故障模块IGBT的可靠保护动作与故障信息上报。

由于两个功率模块电气上相邻，两者之间的电位差不高，仅为10kV/20，对图中电源1、电源2的输入输出之间的隔离度要求不高。

4.2 同一功率模块内两种供电电源互备

如图7所示，电源1和电源2是两种采取不同取电方式的电源，其取得方式为上述5种中的任意两种。正常工作时，两种电源互为备用。当某一个电源损坏，自然无缝切换到另一电源供电。可以保证故障模块IGBT的可靠保护动作与故障信息上报。由于两个电源处于同一功率模块内，两者之间处于等电位，两种电源无特殊的隔离耐压要求。

图7 两种电源互备供电示意图

5 结论

通过上述的分析可以看出，二次供电方式种类较多，各有特点。工程中需要根据实际的需求特点进行选择。结合本863项目储能课题示范工程储能系统的实际情况，拟采取工频隔离变压器供电和直流侧DC/DC隔离供电相互备用的应用方式。通过合理的设计，在正常工作时的二次电源由工频变压器提供，当工频电源异常情况时，直流侧DC/DC隔离电源自动无缝投入，使得正常情况下控制电源不从直流侧取得，对储能系统电池组SOC的影响最小。采用这种供电方式，不仅保证了储能系统二次供电可靠性，同时完全满足储能系统黑启动的需要。

TM910

A

1672-5387（2015）S-0082-03

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

2015-10-22

国家高新技术研究发展计划（863计划）课题“大容量储能系统设计及其监控管理与保护技术”（2011AA05A111）。

李勇琦（1979-），男，高级工程师，从事抽水蓄能电厂电气设备检修及电池储能技术研究工作。