收稿日期:2022-01-18大学生创新创业训练计划项目;国网江西省电力有限公司科技项目(K ,男,博士、教授,主要是做大规模储能技术方面的研究。**************

  Fig. 10 New diode-clamped five-level topology structure 该电路共使用8个开关管和12个二极管钳位,使用的数量和传统的二极管钳位型多电平拓扑结构相同。器件的位置分布构成了金字塔结构,且该金字塔结构可扩展到更高级别,N级变流器需要N–1个电容、2(N–1)个开关及(N–1)(N–2)个二极管钳位。该结构能解决二极管钳位承受反压不均的问题。

  文献[15]提出了一种Z源型单相全桥中点钳位PCS,为可实现同时升降压的改进型多电平拓扑结构,如图16所示。

  新型飞跨电容型Zeta多电平拓扑结构采用复用原则的中间电容器与输出滤波器,以此减少无源器件的个数,以此来实现单级升降压逆变;同时,也使该电路具有扩展能力强、电容两端均压的优点。

  对于飞跨电容型多电平拓扑结构存在的电容两端电压不均衡的问题,文献[12]提出了一种新型的高压拓扑结构,如图13所示。

  该单路全桥两电平拓扑结构在实际工程运用时,由于目前工程现场存在电池组最高直流电压限制及其中开关器件因通态损耗造成的高成本,因此从成本和安全两方面考虑,一定要使用大容量工频变压器接入电网,但由此带来了高成本及设计、制造困难等一系列问题。

  度高于二极管钳位型多电平拓扑结构。该拓扑结构的优点是:开关方式灵活,对功率器件的保护能力强;缺点是:需要大量的存储电容,难以控制电容的充放电平衡。

  以上2种多电平拓扑结构都具有高电压大功率场合适用的特点,但在实际使用中需要仔细考虑PCS体积大小、拓扑结构复杂度、成本高低,和控制的难易性等多方面因素。目前,很多学者基于传统的3种多电平电路进行了研究,并提出了几种具有针对性的改进拓扑方案。通过查阅这些文献,总结出4种改进型多电平拓扑结构可以进行分析研究,分别为:以二极管钳位型多电平拓扑结构为基础的改进型多电平拓扑结构;以飞跨电容型多电平拓扑结构为基础的改进型多电平拓扑结构;减少使用器件的改进型多电平拓扑结构;实现同时升降压的改进型多电平拓扑结构。

  此类PCS 拓扑结构主要使用在于低压小功率的分布式储能系统,其优点有:模块化储能单元分散接入,可便于添加电池管理系统;同时,对储能系统的整体容量来说,也便于拓展,容易实现故障冗余功能;与此同时,对于单个储能单元中的开关器件的耐压要求降低。该拓扑结构也存在一些问题:各个储能单元添加的控制管理系统需要协同,较难保证精度。在大规模并网时,多并联结构也存在稳定性问题。

  T型三电平拓扑结构如图7所示。其工作原理与I型三电平拓扑结构相似,但由于T型三电平拓扑结构的器件组合结构不同,器件耐压较高,因此不需要像I型三电平拓扑结构一样有严格的时序要求,控制难度大幅度降低,可靠性也更高。

  将二极管钳位型多电平拓扑结构与飞跨电容型多电平拓扑结构相结合,在电容两端添加二极管钳位结构,使其中性点电压波动变小,实现了电压自均衡。

  对于减少飞跨电容型多电平拓扑结构的开关管,文献[14]介绍了一种双重飞跨电容型九电平PCS,其拓扑结构如图15所示。图中:E为输入电压。

  针对低压大功率集中式储能系统,其PCS 的拓扑结构如图19所示。在此类储能系统中,由于要满足功率和能量的需求,电池侧通常要求多个电池组串或并联连接来达到一定的要求。在整个储能系统中,电池组经过PCS 进行交直流转换后,经变压器完成并网,实现整体功能,其功率从数兆瓦到数百兆瓦不等,可在大规模新能源电站应用。

  件耐压较低、开关频率低;交流侧减少了隔离变压器,成本低。该拓扑结构的缺点有:器件数量庞大,不容易控制。

  对于两电平拓扑结构来说,由于串联电池数量的限制,输入一般为低压,单机容量较小,大多数不会超过500 kW。在此背景下,可通过多重化的拓扑结构来实现储能系统中大容量电池的需求。以双重三相电压型的电路为例,该电路由个单路全桥两电平逆变电路组成,然后通过变压器将二者串联起来,具体拓扑结构如图5所示。

  常见的飞跨电容型多电平拓扑结构如图9所示。该拓扑结构中,每相桥臂的结构相同;在每桥上分布相同数量且相互独立的内环电容,使其输出多电平;其工作原理与二极管钳位型多电平

  电化学储能产业链中,变流器conversion system ,PCS)是储能电池与电网之间功率交换的重要单元,实施有效和安全的储电

  I型三电平拓扑结构如图6所示,其是最早的三电平PCS拓扑结构。图中:U a、U b、U c分别为交流测a、b、c三相的相电压;L1为滤波器中的电感;C为滤波器中的电容;I Ca、I Cb、I Cc分

  针对飞跨电容型多电平拓扑结构存在大量开关管直接串联在电源两端造成直通的问题,文献[10]综合利用飞跨电容型PCS和双Buck电路的优点,以双Buck电路为基本单元构建多电平PCS,提出一种新颖的飞跨电容型双降压五电平PCS,其拓扑结构如图11所示。

  该双Cuk电路由2个直流Cuk电路通过输入串联、输出并联的方式构成,该PCS结构具有Cuk电路的所有优点,可同时实现升降压逆变,电流连续,适用于直流输入电压宽范围变化的可再次生产的能源发电系统。但是该拓扑结构中无源器件较多,可靠性不高。

  根据应用场合不同,I型三电平拓扑结构和T型三电平拓扑结构都会凸显出各自的优势,对二者性能作对比分析,结果如表1所示。表中: U i为输入电压。

  随着市场对储能设备单机容量和电能质量的要求提升,研究学者们将研究方向转向三电平拓扑结构的PCS。常见的三电平拓扑结构主要有I 型三电平拓扑结构和T型三电平拓扑结构这2种。相较于两电平拓扑结构来说,三电平拓扑结构能够达到更大的容量和更高的输出电压。但由于新器件的应用使成本增加,导致其产品化应用受到限制。

  了一种混合钳位四电平拓扑结构及其扩展五电平拓扑结构,图14为混合钳位型四电平拓扑结构。

  该拓扑结构提高了传统二极管钳位和飞跨电容多电平PCS的电平数,减少了二极管钳位的数量,避免二极管钳位五电平拓扑结构中开关器件的直接串联,与二极管钳位型四电平拓扑结构相比,此拓扑结构省去了6个二极管钳位,使用的钳位器件数量大幅减少。

  该拓扑结构在直流电池侧引入分裂电容,然后连接Z源网络与全桥连接,以此实现升降压变换。相较于传统Z源网络电路,该Z源型单相全桥中点钳位拓扑结构不改变无源器件种类,但二极管数目变为2个,位于电池侧的2个二极管在直通状态下起到反向阻断的作用。该拓扑结构共有3种工作状态,分别为非直通状态、上直通状态和下直通状态。通过一系列分析发现,可将这3种状态的工作原理类比升降压斩波电路的工作原理,可实现同时升降压逆变的需求。

  储能电池在储能单元应用中,在低压场合通常利用PCS模块化技术;在高压场合,通常利用级联型多电平拓扑结构,通过仅增加PCS拓扑结构单元数,可改变多个储能电池的串联结构。而对于级联的多电平拓扑结构PCS,现有较多的研究集中于以H桥作为单元的级联型,称为H 桥级联型变流器(cascaded H-bridge converter,