模块化高功率密度储能变流器的研究

2019-01-17 08:38郭宝甫王卫星

通信电源技术 2018年11期

徐军，郭宝甫，王卫星，田盈

(许继集团有限公司, 河南许昌 461000)

0 引言

随着可再生能源发电技术的快速发展，储能的作用日益受到重视[1]，储能可起到平抑功率波动、消纳多余电量、削峰填谷等优良特性，但是传统储能装置体积大、功率密度低，导致升级成本高、维护难度大等一系列问题。

为了解决上述问题，高功率密度的模块化储能变流器越来越受到业内的重视，这是一种采用先进结构工艺设计以及多机并联技术于一体的新型储能系统变换装置，由模块化的DC/DC功率模块与DC/AC功率模块构成，具备可协调控制储能电池出力、平抑系统功率波动、抑制并网点过电压[2]以及升级扩容方便等优良特性。

因此，研究模块化高功率密度储能变流器及其关键技术，提升其性能，改善各项控制策略，必将给储能系统乃至可再生能源发电带来新的技术突破与发展空间。本文主要从高功率密度设计、多机并联技术、样机研制、试验验证等几方面进行论述。

1 高功率密度设计

如今大功率储能变流器小型化、模块化、接口标准化已成为业内发展的趋势。储能变流器的模块化设计易于装置维护[3]，缩短开发周期，可大大节约综合成本，而功率密度指标的优劣则对模块化的设计水平起着至关重要的作用，在一定功率规格的装置上，功率密度越大，装置占用空间越小，变流器的模块化优势越突出，因此，在储能变流器的结构设计方面，宜采用高功率密度、模块化的设计原则。

1.1 模块结构设计

构成模块化储能变流器的标准功率模块共两种规格，分别为DC/DC[4]与DC/AC[5]，容量均为50 kW，机箱高度均为5U标准尺寸，在结构设计层面使储能变流器的设计达到统一，实现储能变流器的高功率密度设计。

图1所示为DC/DC标准功率模块与DC/AC标准功率模块，两者在结构尺寸以及安装方式方面完全一致，可根据工程需求构成储能直流变流器、储能交流变流器、单级式与双级式储能变流器。

图1 标准功率模块

功率模块内部分为上下两层，其中下层为集中发热元件、滤波电感和散热器，其冷却方式为强迫风冷，冷风经功率模块前方进，依次经过散热器，滤波电感，散热风机，从后风道排出；上层为功率电路板、驱动板、控制板与电源板等，依次在一个平面上铺开，各层电气连接均采用导电铜排硬连接，可保证内部布局更加紧凑，提高有限空间利用率，功率模块整体功率密度可达：

=1.204 W/cm3

1.2 屏柜结构设计

以单级式储能交流变流器为例，如图2所示，柜体含五个抽屉空间，每个抽屉可容纳一个50 kW标准功率模块，整柜最大容量可扩容至250 kW，每个抽屉空间采用推拉式设计，由导轨保证功率模块插入与抽出时的快速与无损，并设计有锁扣机构，当功率模块推入相应抽屉底部时将自动上锁，可有效防止功率模块滑脱与晃动，保证机械与电气连接的可靠性。

图2 单级式储能交流变流器(正面)

模块化储能变流器的结构设计取消了所有导线连接，完全由屏柜一体化替代，可有效避免软体导线的不安全性与不可靠性，真正实现标准功率模块的即插即用。

如图3所示，屏柜背部利用一体化导流铜排实现功率流的即插即用，当功率模块推入后可与锁扣机构配合完成固定与电气连接。铜排分为直流铜排与交流铜排。当某个抽屉空缺时不影响其他部分的电气连接；屏柜内部利用通信导管实现信息流的即插即用，可与功率模块背部的通信连接器紧密结合，保证系统通信的电气连接。

2 多机并联设计

模块化储能变流器将传统的单台大容量装置分为若干个同等规格的标准功率模块[6]，对于不同容量要求的储能系统，只需并联相应数量的标准功率模块即可达到容量要求，既能简化生产设计，又能提高生产效率。

但是多功率模块并联若不能实现能量的平均控制，将导致单台功率模块所通过的能量过大，造成损坏，继而产生恶性循环损坏其他功率模块，严重时会导

图3 单级式储能交流变流器(背面)

致并联系统的崩溃[7,8]。所以模块化储能变流器的多机并联控制技术十分重要，因此要保证整个并联系统的稳定运行,必须在多个功率模块之间找到合适的控制方法，保持各功率模块之间能量分配的一致性与高效性，从而提高系统的稳定性。

2.1 DC/DC并联

DC/DC主拓扑结构如图4所示，桥臂采用Ⅰ字形双并联三电平结构，可完成不同电压等级直流电能之间的相互转换，实现能量的单/双向流动[4]。

图4 DC/DC模块拓扑图

基于上述主拓扑，针对储能系统中存在的DC/DC多机并联时由于出力分配不合理导致的输出电流性能下降，从而降低系统总体工作效率，甚至缩短蓄电池寿命以及DC/DC使用年限的问题[9,10]，提出一种DC/DC并联运行自寻优动态出力调节控制技术，可对DC/DC并联系统中的各个DC/DC输出电流纹波以及系统总输出电流纹波进行检测，根据纹波实际值向控制系统进行反馈，然后由控制系统对各个DC/DC的出力进行调整，使其输出电流纹波满足系统接入条件，并通过自寻优找到DC/DC的最佳出力状态，发挥出最大的性能，提高DC/DC并联的工作效率。

DC/DC并联运行自寻优动态出力调节控制技术原理如图5所示。

首先，进行DC/DC的初次出力分配，该分配方案可以为随机的，但必须为合理的，例如不能使DC/DC过载运行；然后，根据检测到的DC/DC输出电流纹波与系统总电流纹波，判断其是否超过标准规定。如果超标则重新分配各个DC/DC的出力，再检测，再分配，直至纹波满足标准规定；最后，虽然此时整个并联系统的运行状态是满足标准要求的，却不一定为最优状态，因此系统将进入自动寻优环节，即在纹波不超标的分配方案基础上再次进行DC/DC的出力分配，然后将输出结果与上次结果进行比较，如果结果得到优化则继续寻找最优方案，否则以上次分配方案作为最佳方案。

图5 DC/DC并联运行自寻优动态出力调节控制技术原理

2.2 DC/AC并联

DC/AC主拓扑如图6所示，桥臂采用T型二极管钳位三电平结构，输出回路采用LCL滤波电路，可有效降低输出电流谐波含量，完成直流电能与交流电能之间的相互转换，实现能量的双向流动[5]。

图6 DC/AC模块拓扑图

基于上述主电路拓扑，针对DC/AC并联运行的实际需求，提出一种基于功率扰动的DC/AC并联动态出力分配控制方法。该方法可以解决DC/AC并联运行出力的动态分配问题[11,12]，并可在一定程度上降低并联系统交流侧并网点的THD，改善其交流侧的外特性[13,14]。在保证各个DC/AC的输出功率、并网系统总输出功率、并网点THD不超标的前提下，改变并联系统中某个DC/AC的输出功率，在系统稳定后，测量并联系统交流侧并网点的THD，将并联系统交流侧并网点的THD最小时的输出功率设定为该DC/AC的输出功率。然后按照上述步骤调整其他DC/AC的输出功率，从而迅速找出使得并联系统并网点THD最小的功率分配组合，为DC/AC的并联运行提供技术保障[15]。

DC/AC并联运行动态出力分配控制方法原理如图7所示。

图7 DC/AC并联运行动态出力分配控制方法原理

首先根据系统需求，调整并联系统输出的总功率，并对各个DC/AC进行功率分配，之后判断各个DC/AC的输出功率是否在其额定功率内，如果某一DC/AC的输出功率大于自身额定功率，则降低其输出功率。调整完毕之后，记录此时交流侧并网点的THD；然后，选择并联系统中的某个DC/AC，在使得并联系统正常运行以及并联系统总的输出功率、各个DC/AC的输出功率、交流侧并网点THD不超标的前提下，对该DC/AC的输出功率进行调节，使得并联系统交流侧并网点THD最小，此时该DC/AC输出的功率值即为使得THD最小时的输出功率，其他DC/AC可以此类推。

在实际操作过程中，如果出现各DC/AC功率分配不同但交流侧并网点THD都很小的情况，则考虑各个DC/AC输出侧的THD，选取让各个DC/AC的THD大小较为接近的功率分配组合。