儲能變流器（Power Control System——PCS）設計原理

儲能變流器（Power Control System——PCS）可控制蓄電池的充電和放電過(guò)程，進(jìn)行交直流的變換，在無(wú)電網(wǎng)情況下可以直接為交流負荷供電。PCS 由 DC/AC 雙向變流器、控制單元等構成。PCS 控制器通過(guò)通訊接收后臺控制指令，根據功率指令的符號及大小控制變流器對電池進(jìn)行充電或放電，實(shí)現對電網(wǎng)有功功率及無(wú)功功率的調節。 PCS 控制器通過(guò) CAN 接口與 BMS 通訊，獲取電池組狀態(tài)信息，可實(shí)現對電池的保護性充放電，確保電池運行安全。

　　儲能變流器（PCS）可控制蓄電池的充電和放電過(guò)程，進(jìn)行交直流的變換，在無(wú)電網(wǎng)情況下可以直接為交流負荷供電。PCS 由 DC/AC 雙向變流器、控制單元等構成。PCS 控制器通過(guò)通訊接收后臺控制指令，根據功率指令的符號及大小控制變流器對電池進(jìn)行充電或放電，實(shí)現對電網(wǎng)有功功率及無(wú)功功率的調節。 PCS 控制器通過(guò) CAN 接口與 BMS 通訊，獲取電池組狀態(tài)信息，可實(shí)現對電池的保護性充放電，確保電池運行安全。

儲能雙向變流器工作原理

　　主電路拓撲

　　儲能雙向變流器主電路結構有兩種類(lèi)型：一是采用三相全橋電路的一級變換拓撲結構;二是采用兩級變換拓撲結構，即前級采用三相全橋電路，后級采用DCDC斬波電路。一級變換拓撲結構成本較低、效率高、控制策略簡(jiǎn)單，多臺變流器離網(wǎng)并聯(lián)運行更容易實(shí)現，本文在三柑全橋電路直流側增加CIL濾波器，叮以有效降低電池側紋被要求。

　　主電路采用三相全橋電路，交流側設置LCL濾波器、主接觸器、EMI濾波器、預充電電路、主斷路器，直流側設置CL濾波器、直流輸出元（含EMI濾波器、預充電電路、直流斷路器）。交流側可通過(guò)隔離變壓器接人低壓或中壓配電網(wǎng)，直流側連接多組電池組。

絕緣柵雙極型品體管（IGBT）變流器模塊可四象限運行，當電池充電時(shí)，將網(wǎng)側交流電整流成直流電給蓄電池充電;當電池放電時(shí)，將直流電逆變成交流回饋到電網(wǎng)，充電和放電之間的轉換可在200 ms 內實(shí)現。

　　交流輸人采用L.CI.型（或T型）濾波，可將變流器開(kāi)關(guān)頻率成分的高頻諧波濾除，直流側采用CL濾波器濾除高頻成分的電流電壓諧波，抑制高頻紋波。

主電路參數

　　LCL濾波器參數設計

　　主電路濾波器在并網(wǎng)變流器中起著(zhù)重要的作用，可將逆變器橋中產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)脈沖電壓、電流轉變成連續的模擬量。并網(wǎng)變流器的濾波器包括交流側和直流側兩部分。交流側LCI.濾波器具有比單電感濾波器更好的性能，能夠兼顧低頻段增益和高頻段衰減，作為三階對象，LCL濾波器需要確定兩個(gè)電感量、一個(gè)電容量，這增加了設計難度。

　　在濾波器的設計過(guò)程中，除了考慮高頻開(kāi)關(guān)紋波電流的濾波效果，濾波電感不僅造成電壓損失，而且對濾波器的體積、重量具有決定性影響，要對電感量進(jìn)行嚴格控制。LCL濾波器的基本原理是濾波電容和網(wǎng)側電感對高頻電流進(jìn)行分流，因此必須保證分流效果習。

　　LCL.濾波器設計原則如下。

　?。?） 總電感（L1+L2）：總電感要考慮直流電壓和逆變交流電壓關(guān)系，并需要考慮傳遞函數中，開(kāi)關(guān)頻率附近的衰減;一般開(kāi)關(guān)頻率附件衰減應不大于一10 dB。

　?。?） 網(wǎng)側電感（L2）：在總電感量不變情況下，通過(guò)理論分析得到，當網(wǎng)側電感和逆變器電感比例為1:1時(shí)濾波效果最好，網(wǎng)側電感增大，則變流器電壓損失增大、降低濾波器的低頻段增益，并且增加體積、重量和成本。一般選取網(wǎng)側電感為逆變器電感的1/3左右。

　?。?） 濾波電容（C）：考慮到網(wǎng)側電感與濾波電容的分流效果，一般選取濾波電容阻抗小于20%網(wǎng)側電感阻抗;另外考慮到功率因數問(wèn)題，濾波電容的功率小于系統額定功率的5%;

　?。?） 為了避免LCL諧振峰問(wèn)題，應該大于電網(wǎng)頻率的10倍，小于開(kāi)VL//L2.C關(guān)頻率的一半。

　　直流側電感參數設計

　　直流側電感的設計原則主要考慮以下兩方面。

　?。?） 根據充放電轉換時(shí)間，由于交流側電流環(huán)動(dòng)態(tài)特性遠大于直流側CL動(dòng)態(tài)響應時(shí)間，因此充放電轉換時(shí)間主要取決于直流側CL濾波器的時(shí)間常數。

　?。?） 直流母線(xiàn)電壓波動(dòng)產(chǎn)生直流電流的波動(dòng)，根據紋波要求可以計算出直流電感值。根據以上計算原則，可以得出直流側電感的參數，考慮直流側存在的3次、5 次、7次諧波，因此將CL 諧振峰設計到70 HZ 左右。

　　應用：儲能裝置數學(xué)模型

　　基于I.CI 濾波器的PCS主電路拓撲結構如

　　Ug、Ub、Uc 為三相橋臂輸出電壓為逆變橋側濾波電感電流，為交流濾波電容電壓;為交流濾波電容電流;為電網(wǎng)電壓為網(wǎng)側濾波電感電流;U為直流母線(xiàn)電壓;Is為直流母線(xiàn)電流;Iu為直流電池側輸人/輸出電流;Q.為電網(wǎng)中點(diǎn);Qc 為交流電容中點(diǎn);P、N為直流母線(xiàn)正、負極。

　　儲能雙向變流器主電路參數及應用

　　開(kāi)關(guān)元件視為理想元件。Sg、Sa、Sb。為三相橋臂開(kāi)關(guān)函數，1代表上管開(kāi)通，下管關(guān)斷，0代表上管關(guān)斷、下管開(kāi)通。如果忽略電阻R1 和R2，根據基爾霍夫電壓、電流定律可以得到如下方程，逆變橋側電感L1通過(guò)的電流L1 滿(mǎn)足：

　　儲能雙向變流器主電路參數及應用

　　由于在三相三線(xiàn)系統中，三相電壓、電流并不是獨立變量，難以直接控制，故可以采用兩相同步旋轉dq坐標系對系統進(jìn)行描述，以簡(jiǎn)化并網(wǎng)變流器模型。從ABC坐標系到dq 坐標系的變換

　　矩陣為：

　　儲能雙向變流器主電路參數及應用

儲能雙向變流器主電路參數及應用

　　將式（6）（7）（8）和（9）進(jìn)行普拉斯變換，可得基于LCL的PCS主電路在dq坐標下的s域數學(xué)模型框圖。