[实用新型]模块化变流储能系统和能量转换系统PCS模块

说明书

技术领域

本实用新型涉及电力存储技术领域，具体而言，涉及一种模块化变流储能系统和能量转换系统PCS模块。

背景技术

1.储能技术的定义

储能特指通过机械的、电磁的、电化学等方法，将能量存储起来，在需要的时候，再通过机械的、电磁的、电化学的方法转变为电能，为用电设备提供电能的技术。

2.储能技术分类

储能技术有物理储能、电磁储能、电化学储能和相变储能等4类。物理储能主要有飞轮储能、抽水蓄能和压缩空气储能方式；电磁储能主要有超导储能方式；电化学储能主要有蓄电池储能、超级电容器储能；相变储能主要有冰蓄冷储能等。

在各类储能技术中，电化学储能项目数量最多。电化学储能中，锂离子电池的项目数占比、装机容量占比最大，其增长幅度也最快，已成为发展最快的电化学储能技术。

根据中关村储能联盟(CNESA)项目数据库不完全统计，到2015年底，中国化学储能项目装机106MW，占全球化学储能项目装机总容量的 12％。近五年，中国电化学储能市场增速明显高于全球市场，年复合增长率(2010-2015)为110％，是全球的6倍。其中锂离子电池储能技术占主要地位。

3.储能系统的应用

储能技术在电网的发电、输电、配电和用电等各个环节中都有响应的应用场景。

4.储能变流器的现状

在上述电化学储能技术中，存储的电能以直流电形式释放，而电网需要交流电和部分直流电，因此需要电网接入系统。电网接入系统包括电力开关、变压器、电能转换变流器、保护设备等，其中电能转换变流器PCS (简称PCS)是电网接入系统的核心器件。储能PCS的种类较多，生产厂家通常具有电源类产品开发经验，或者具有光伏、变频器等电力电子产品开发经验，但受限于电池容量、电压、功率等级等因素，各家储能PCS 的技术参数相对比较统一。

4.1储能PCS的分类

储能PCS的分类按照用户类型分，可以分为三类，即户用型、工商业用户型、电网应用型。户用型储能PCS通常指户用光伏储能一体机，即具有储能功能的户用光伏逆变器，其功率通常为3kW，6kW和10kW，单相供电。工商业用户型储能PCS通常为三相电源双向变流器，既可以充放电，也可以具有离网运行的功能。功率从20kW～500kW不等。电网应用型储能PCS功率通常比较大，从250kW到几兆瓦都有，与工商业用户型储能 PCS不同，电网应用向储能PCS通常要满足电网的并网准则，并且可靠性要求较高。

储能PCS的拓扑结构分类方式较多，从变流次数来分，可以有单级式 (AC/DC双向变流)和双级式(AC/DC+DC/DC两级双向变流)；

从机械结构来分，可以分为模块化PCS和非模块化PCS；

从模块连接方式来分，可以分为模块并联方式和模块串联方式(级联)；

从半导体电平数量来分，又可以分为两电平和三电平等。

4.2储能PCS拓扑结构

4.2.1单级变换PCS

单级变换PCS的拓扑图如图1所示。单级变换PCS结构简单，变换效率通常可以达到97％以上。PCS的直流电压范围通常为550V～820V之间，当电池电压低于这个范围时，通常系统需要降容运行并且在交流并网侧需要增加并网变压器。

单级变换PCS并联运行，可以支持更大容量储能系统能量转换。如图 2所示。这种结构，不增加单组电池系统功率，电池系统可以做成模块化产品，便于扩展，冗余性高。但是如果并联PCS数量太多，在交流并网侧 PCS之间可能会存在环流、谐波增加、甚至系统谐振。

4.2.2双级变换PCS

双级变换PCS的拓扑图如图3所示。双级变换PCS结构需要DC/DC 和AC/DC两级变换，系统相对复杂，变换效率通常可以为95％左右。这种结构允许电池电压范围比较宽，由于有公共直流母线，AC/DC并网控制只需要关注电网并网功能，而无需考虑太多电池系统因素。同时，DC/DC 变换器，只关注电池系统因素，控制目标是位置直流母线电压稳定。

双级变换PCS可以在直流母线并联也可以在交流母线并联，从而可以实现不同的功能。如图4和图5所示。

交流母线并联方案与单级变换PCS原理类似，不同之处是，对于 380VAC电压等级，这种结构可以不用增加变压器。在采用交流母线并联时，但是如果并联PCS数量太多，在交流并网侧PCS之间可能会存在环流、谐波增加、甚至系统谐振。