级联电池储能系统控制电源方案及其可靠性

陈满， 李勇琦， 彭鹏， 凌志斌

(1.南方电网调峰调频发电有限公司技术中心，广东 广州 510630; 2.南方电网先进储能联合实验室，广东 广州 510630；3.上海交通大学 电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海 200240)

0 引 言

级联电池储能系统(cascaded h bridge battery energy storage system,CHB-BESS)具有单机容量大和高效率的优势，在电网中具有广泛的应用前景[1-2]。典型的星型接线的CHB-BESS拓扑结构如图1所示，与无功发生器、高压变频器和柔性直流输电装置等大容量模块化电力电子装置类似。CHB-BESS的各个储能单元处于不同的电位，各个储能单元内控制电路的工作需要独立、相互隔离的控制电源[3]。控制电源需要在对地高电位下工作，要求对地隔离度高。此外,还要求各个控制电源之间的隔离电容低,以满足大容量电力电子装置工作过程中电位瞬变的需求[4]。

图1 级联电池储能系统典型拓扑

考虑到安装、成本和散热等因素，希望控制电源能做到简单化、高频化和小型化。

控制电源正常是CHB-BESS系统功率模块工作的前提。控制电源失效将导致被供电的功率模块驱动控制电路失能，进而导致CHB-BESS停机。因此模块化电力电子装置对控制电源的可靠性要求非常高。

1 模块化电力电子装置控制电源类型

模块化电力电子装置控制电源要求的功率不大，一般介于几瓦至几十瓦之间。其类型有多种，电能来源、体积和隔离度等各不相同。

1.1 高隔离AC220 V工频变压器取电

由AC220 V经过隔离变压器供电是最简单的控制电源方式。由于CHB-BESS各个储能单元的对地电位不同，越靠近并网点对地电位越高，有时可达到甚至超过电网对地电位。因此从AC220 V取电的变压器需要具有与电网电压等级相同的绝缘等级[4]。

图2(a)为某10 kV并网CHB-BESS工程中采用的220 V/24 V/30 W控制电源变压器实物。图2(b)为该方式控制电源的示意图。

图2 高隔离AC220 V工频变压器取电

该方案只要AC220 V正常即可提供稳定可靠的控制电源，结构简单、可靠性高。隔离变压器二次侧电压根据后级DC/DC电源的输入电压范围和所需功率选择。但隔离变压器为工频变压器，且绝缘要求高，故相较于常规工频控制变压器，其绝缘距离大、磁路长、体积大、效率略低。

1.2 DC/DC电源模块直流侧取电

CHB-BESS开机后，储能单元直流侧电容与储能电池簇并联，储能单元直流侧是较为可靠的控制电源的能量来源。此时又可分为从电容端取电和从电池端取电两种情况。从直流侧电容端取电如图3所示。

图3 控制电源从直流侧电容取电

该方案中直流侧电压通常较高，达到500～800 VDC，超过通用DC/DC开关电源的输入范围，需要选择一些特定的DC/DC电源型号。

图3方案也存在一定的不足：在CHB-BESS预充电之前、储能电池簇完全失电以及预充电电路故障三种情况下，电池簇均无法给直流侧电容充电，故无法为储能单元的控制电路提供足够的电能。

从直流侧电池端取电如图4所示。

图4 控制电源从直流侧电池取电

直接从电池取电消除了CHB-BESS预充电和预充电电路故障对取电的影响，但无法克服储能电池簇完全失电引起的问题。另外，由于DC/DC电源一直与电池簇连接，即使CHB-BESS处于停机状态，DC/DC电源也会持续消耗电池簇电能，长期停机时可能反而造成电池过放电。

1.3 AC/DC电源模块交流侧取电

CHB-BESS运行时，储能模块交流侧输出为正弦脉宽调制波(sinusoidal pulse width modulation,SPWM)，可以将其作为控制电源的能量来源。该方案如图5所示。

图5 控制电源交流侧取电

由于交流侧输出为SPWM波，电压幅值为直流侧电压，达到500～800 VDC，超过通用开关电源的输入范围，可经变压器降压再滤波后，再选配合适的开关电源为控制电路供电。此时选用通用AC/DC开关电源即可满足要求。

该方案在需要直流侧电压和H桥主电路工作均正常后方可提供电能。而H桥主电路正常工作的前提是控制电源正常，如此就陷入了逻辑循环的悖论。因此该方案不能作为控制电源的主取电方式，只能为相邻的储能单元提供冗余的控制电源。

1.4 电流源型并联高隔离电源

电流源型并联高隔离电源方案较早期在高压变频器和无功发生器(SVG)中普遍采用，图6为结构框图[5]。

图6 电流源型并联高隔离电源方案结构框图

该方案将AC220 V整流后，通过逆变和谐振网络将前端直流输出转换成高频电流母线。其中，高频逆变和谐振网络的控制和设计最为关键。高频电流母线通过高绝缘线输出实现高隔离，高频磁环及绕制于磁环上的二次线圈构成高压隔离电流变压器，将高频电流转化成直流输出。在高频电流母线上套多个高压隔离电流变压器即可实现高压隔离和多路输出。高压隔离电流变压器原边匝数仅为一匝，难以传输大的功率。

2 CHB-BESS系统的可靠性

CHB-BESS单机容量大，故障影响大，其可靠性备受关注。CHB-BESS可看作由主电路、控制电路和辅助的控制电源系统三部分组成的电气系统。从整机可靠性的角度，三个部分为串联关系。因此CHB-BESS的可靠性R可以表示为：

R=Rmc·Rc·Rps

(1)

式中:Rmc为主电路可靠性；Rc为控制系统可靠性；Rps为控制电源系统可靠性。以往对电力电子系统可靠性的研究多关注于主电路的可靠性[6]和控制系统可靠性。主电路的可靠性可通过冗余设计来提升，根据不同的可靠性需求，可冗余1个储能单元、2个储能单元，甚至更多储能单元。但冗余设计增加了控制的复杂性，又一定程度降低了控制系统可靠性。

控制系统可靠性的提升还可通过双机热备，或三选二逻辑表决的方式进行。该方法同样设计复杂，在现实中较少采用。

从电力电子功能电路的角度，电源模块的拓扑复杂度和模块化电力电子装置主电路中的单个模块类似，其内部器件承受的应力的裕度也与主电路中功率器件相近。在具有相同的设计裕度和温度应力的情况下，电源模块和主电路模块的可靠性处于同一量级。控制电源可靠是冗余控制功能能够发挥作用的前提，因此控制电源应该具有比主电路模块更高的可靠性。遗憾的是，实际中，控制电源系统的可靠性未受到特别的关注。

3 CHB-BESS控制电源系统的可靠性

3.1 无冗余时控制电源系统的可靠性

假设每个储能单元的控制电源的可靠性均为Rx，控制电源系统由3N个独立工作的控制电源构成，任何一个控制电源的失效均会造成其整体失效。控制电源系统总的可靠性Rc为：

Rc=(Rx)3N

(2)

式中:N为CHB-BESS系统每一相的功率单元数量。1.4节控制电源本身即为一个复杂的整机系统，其可靠性Rc为：

Rc=Rx

(3)

该方案元件多、控制复杂、效率较低、调试难度高、品质不易控制以及实际可靠性不高，已很少采用。

3.2 有冗余时控制电源系统的可靠性

各种控制电源取电方式各有不足，同时采用两种或以上的电源方案可取长补短，且达到冗余的效果。

控制电源冗余设计多在1.1～1.3节的三种方案中选择两种进行组合。由于交流侧取电方式不适用于给本储能单元内的控制电路供电，因此两两组合产生的冗余方案如图7(a)～图7(c)所示。

图7 控制电源冗余方案

图7(a)为AC220 V工频隔离取电和直流侧取电的组合，可靠性最高；图7(b)为AC220 V工频隔离取电和交流侧取电的组合，可靠性低些，但选型方便；图7(c)为直流侧取电和交流侧取电的组合，可靠性最低。

电源冗余后，同一个储能单元的两种取电方式同时失效才会对CHB-BESS的运行造成影响。假设两种控制电源取电方案的可靠性分别为Rx和Ry，则采用冗余后控制电源系统的可靠性Rc为：

Rc=[1-(1-Rx)(1-Ry) ]3N=(Rx+Ry-Rx·Ry)3N

(4)

由0Rx，Rc>Ry。即，冗余方案可靠性比无冗余方案高。

4 结束语

本文分析了用于模块化电力电子装置的不同控制电源方案的特点。工频变压器隔离取电是优选的控制电源取电方式。直流侧取电受电池簇可用状态的影响，而交流侧取电方式不适用于给本储能单元内的控制电路供电。对控制电源冗余设计方案进行了分析。针对有冗余和无冗余两种情况，建立了控制电源系统的可靠性模型。分析表明，冗余设计可以有效提高控制电源系统的可靠性。其中，工频变压器隔离取电和直流侧取电组合的可靠性最优。