摘要 大规模储能系统已经成为保证电力系统可靠供电的一个重要手段，其中电化学储能系统因其独特的性能已成为优先发展方向之一。储能功率变换器（PCS）是电池储能系统重要组成部分，在电池组和电网之间起到接口的作用，实现能量在2者之间的双向交换，因此研究一种大功率、高可靠性、高效率的储能功率变换器在储能领域至关重要。全面总结归纳了储能功率变换器的拓扑结构与控制策略及其应用，并对大规模储能功率变换器存在的难点与关键技术、技术发展方向和后续发展趋势进行了探讨和展望。
关键词 大规模储能 功率变换器 拓扑 控制策略
0 引言
储能技术［1，2］是智能电网、可再生能源接入、分布式发电、微网系统及电动汽车发展必不可少的支撑技术。储能系统具备实时吸收和释放能量的特点，能够很好地补偿可再生能源发电的随机性、波动性等，达到削峰填谷，提高电能质量，延缓输电配阻塞，延缓输配电扩容，降低用户购电成本。储能技术已从小容量小规模的研究和应用发展为大容量与规模化储能系统的研究和应用。根据国标GB 51048-2014电化学储能电站设计规范，功率为30MW且容量为30MW·h及以上为大型电化学储能电站。随着智能电网的构建和电动汽车的大力推进，世界各国对储能技术的研究越发重视，PCS［3，4］越来越凸显其重要作用。
PCS是实现电池与外界接口（电网或者用电设备）能量交互的关键设备，它控制着能量在电池与外界接口之间按照技术标准双向流动以控制电池能量的存储和释放，因此高效可靠、适用性强的PCS系统在储能领域具有重要作用。随着储能技术的快速发展，电化学储能规模的扩大，对PCS提出了更高的要求。要实现大容量、高电压的储能，一个很关键的指标就是PCS应具有良好的可扩展性，以满足扩容和扩压要求。
1 拓扑
PCS根据其拓扑结构，可以分为单级型和多级型2类。单级型储能功率变换器仅由1个DC-AC环节构成，可以工作于整流与逆变2种工作模式，实现功率的双向流动。双级型拓扑与单级型拓扑相比多了1个前级DC-DC，实现直流侧电压宽范围变化。
1.1 单级型拓扑
单级型拓扑普遍使用的多为桥式拓扑结构，根据桥臂电平数可以分为2电平与多电平桥式拓扑。单相桥式结构是最为多见的双向DC-AC结构。半桥拓扑广泛应用于低压输入场合，其结构简单，系统体积小，具有较低的开关损耗和导通损耗，然而由于半桥结构直流侧存在2个大电容，电容均压以及直流母线电压利用率低的问题限制了该结构的应用范围。全桥电路结构简单，易于实现控制，适用于中小功率场合，很受各工业领域青睐，其工作于AC-DC模式时为PWM整流器，它与传统整流桥结构相比减少了2个二极管的损耗，可获得较高的系统效率。
2电平单元拓扑，根据实际应用是否含有中线又可分为三相三线制、三相四线电容中点式以及四桥臂结构3种具体形式。二极管箝位型3电平拓扑［5］（Three-level Neutral Point Clamped Converter，3L-NPC）己基本被淘汰。T型3电平拓扑［6］（T-type Three.1evel Neutral Point Clamped Converter，3LTNPC）与3L-NPC拓扑相比较，3L-TNPC每个桥臂减少了2个箝位二极管，因此其导通损耗更小。增强型T型3电平［7］拓扑（Advanced T-type Three.1evel Neutral Point Clamped Converter，3L-ATNPC）可以进一步减小损耗，在3L-TNPC拓扑的基础上继续减少2个二极管，进一步减小开关管导通损耗。当每个H桥单元的直流侧模块成组时，就形成了H桥级联型储能 PCS拓扑，适合大容量、高接入电压储能系统的实现，单个H桥单元电压电流应力低，较多的级联电平数保证了PCS在低开关频率下取得较好的波形质量，但结构较为复杂，功率开关器件较多，损耗也较大，可靠性低，较多的开关管也使得整体的控制策略较为复杂，仍须进一步的研究。
1.2 多级型拓扑
多级型拓扑与单级型拓扑相比多了前级DC-DC［8-12］，根据DC-DC变换器拓扑类型，又可以分为非隔离型拓扑和隔离型拓扑结构2大类。非隔离型双向DC/DC拓扑电路使用的开关功率器件比较少，通常结构较为简单。目前广泛应用的拓扑结构为双向Buck/Boost电路，在该拓扑结构组成的储能系统中，给电池充电时其双向DC-DC电路工作在Buck状态，电池放电时其双向DC/DC电路工作在Boost状态。由于该变流器开关管承受的电压比较高，同时电路中电流脉动比较大，很容易产生电磁干扰，所以此拓扑电路通常只适用于小功率场合。隔离型拓扑中含有高频变压器，DC/DC变换器通过变压器进行升压，同时可以实现电池组和电网之间的电气隔离，但是由于引入了高频变压器降低了能量转换的效率，同时增加了变换器的设计成本。
1.3 PCS应用
（1）隔离方式比较。PCS采取隔离与非隔离要根据实际的应用情况而定，采取隔离式可以减小电磁噪声，提高电磁兼容性。用在变压器副边浮地，与大地物理隔离，安全性高；还可以去掉输出部分的直流分量，提高电能质量。但加入变压器后，PCS的体积增大，成本增高。所谓非隔离型逆变器就是省掉了笨重的工频隔离变压器或者高频变压器，相对隔离型逆变器具有变换效率高，体积小、重量轻、成本低等优势，尤其是在大规模储能应用场合更为合适。
实际应用中PCS非隔离又可以分为2种情况：①要经过升压变压器才能接到10～35kV电网或更高电压等级；②不需要经过升压便可以直接接到10～35kV电网；广州智光有限公司的PCS产品采用级联H桥拓扑结构可以实现无变压器高压直挂10～35kV电网，目前是唯一一套实际运行中的高压直挂式大容量储能系统，获得过国际领先的科技鉴定成果。
（2）PCS产品比较。表1列出了厦门科华恒盛、广州智光、长园深瑞继保自动化等公司的PCS产品，目前市场上PCS的交流侧额定功率有50kW/100kW/250kW/500kW/630kW/1MW等一些等级，应用于大规模储能的PCS产品主要为500kW/630kW/1MW，应用于储能额定功率超过500kW场合主要选用非隔离型。
表1 摇PCS产品比较
2 控制策略
对于PCS而言，其存在并网模式与离网模式，不同的工作模式对PCS的性能要求也不尽相同。当变流器工作在并网模式时，PCS的并网点电压由大电网决定，此时PCS相当于一个可控电流源，其相对电网而言既可以是用电单元（储能）也可以是发电单元（释能），因此对PCS而言重点关注的是其并网电流质量；而在大电网因故障停电的情况下，在有些应用场合需要将PCS作为应急电源，但与并网模式不同的是，离网模式下PCS相当于一个可控的电压源，并且对其关注的重点是其所能为负载提供的电压质量，而PCS的输出电流此时由负载决定。因此根据PCS不同工作模式，对PCS的控制策略也各不相同。现有对数字控制算法的研究主要有：
（1）PI或多零极点控制。基于平均电感电流控制的PI控制器已经有着广泛的应用，既可以在数字控制器上，也可以在模拟芯片上实现。其算法设计思路简单可靠，参数调试有着大量工程经验借鉴。但对于交流系统，PI控制有较大的滞后性，输出仍有静差，文献［13］针对传统PI控制器对Boost变换器右半平面零点补偿效果不佳问题，采用双极点-双零点控制器，以满足系统稳态误差需要。文献［14］在电流环利用3极点3零点调节器使得网侧电流快速跟踪电压外环产生的电流基准，但多极点零点参数设计较为复杂。除此之后，文献［15］引入准PR控制器改善逆变器外特性，但PR控制器参数不好调节。
（2）滑模控制。滑模控制［16］主要针对非线性系统和时滞系统，通过滑模变结构的选取将上述系统转化成线性模型，之后对系统进行线性控制。滑模控制具有很强的鲁棒性，它对系统参数的变化或大、小信号的扰动敏感较小。但滑模变结构选取及控制器设计较为困难。
（3）预测电流控制。 预测控制［18，19］是通过数学模型推导得出的算法，其实现基于电路系统的已知约束及电路数学模型。算法根据理论计算上的误差而不是实际采样得到的误差达到预测控制效果，因此算法本身接近开环控制，对系统模型不准确和系统参数变化较大的电路将产生很大的影响。
（4）模型预测控制。模型预测［20］控制的实现同样根据电路准确的数学模型，通过目标函数的约束条件关系对系统的模态进行切换，以达到目标函数最优。其算法简单实用，广泛应用在电力电子领域。不过其开关频率较低，难以实现高频化，通常需要较大的滤波器件。
（5）自适应控制。针对电力电子变换器这一类结构非线性时变系统，可以采用滑模控制、自适应控制等非线性控制方案。自适应控制［21-27］技术的提出通常是为了解决受控系统参数的不确定性带来的问题，如模型参考自适应控制根据自适应律对控制器参数进行动态调节，使受控系统的动、静态性能逼近给定的参考模型，在电机、电力系统上得到实际应用。
3 难点与关键技术
具体而言，随着大规模储能技术的快速发展，储能PCS研究关键技术与难点如下：
（1）多台PCS并机运行时的环流现象。环流包括以下2种：低频环流：1台向另外1台的充放电现象。开机瞬态，可负载瞬投、瞬卸过程，正常控制策略是不允许这种情况的出现，可通过多机DSP快速通信及控制策略解决；高频环流：2台间的输出滤波器间环流现象，可通过采用载波同步策略，进行PWM同步控制解决。
（2）多电平PCS的中点电位不平衡的问题。3电平电路结构，最主要的问题在于如何解决其中点电位存在的不平衡，通常所选用的简单有效的策略就是，在空间矢量调制算法下，合理选择冗余小矢量的顺序及作用时间，来实现中点电位的平衡。
（3）储能技术已从小容量小规模的研究和应用发展为大容量与规模化储能系统的研究和应用，对储能元件与功率器件有了更高的要求。
对储能蓄电池组的充放电倍率、循环次数、可靠安全性、环境污染、成本等多目标的指标要求，以及对功率器件的开关损耗、耐压、散热等有了新的要求。
4 总结
模块化多电平换 流器 ［28-29］（Modular Multilevel Converter，MMC）的拓扑结构在高压直流输电领域得到广泛研究与应用，MMC具有模块化程度高、谐波畸变小、开关损耗低、成本低、适合高电压大功率场合的应用特点。若能将储能电池分置于MMC的各个子模块中，则可在保有良好输出特性的同时，利用相间环流对各个电池组进行灵活调控，实现多种控制目标。
实际系统中，蓄电池组模块中的单体电池存在故障则会影响蓄电池组的电压值，而且储能变流器的系统参数会随环境的变化而发生变化，为减少这些变化带来的影响，自适应控制策略能够根据系统参数的变化或外界的扰动依靠自适应律对控制器进行调节，使得被控对象的动态、静态性能逼近所设定的参考模型，能够自适应进行调整，具有较强的鲁棒性。
综上所述，模块化多电平换流器在储能领域越来越凸显其重要作用，在高压与大功率场合具有广泛的发展前景；自适应控制策略具有较强的鲁棒性，该控制策略不仅能够有效地控制纹波，而且电压响应时间较短、超调量较小、THD也较低，对进一步研究PCS提供一定的借鉴。
