電化學儲能系統中PCS 的拓撲結構對比分析

李建林，馬凌怡，肖 珩，曾 偉

(1. 儲能技術工程研究中心，北方工業大學，北京 100144；2. 上海電力大學電氣工程學院，上海 200090；3. 國網江西省電力有限公司電力科學研究院，南昌 330096)

0 引言

儲能技術具有提升電網靈活性和穩定性的優點，成為現今研究熱點。根據《儲能產業研究白皮書》所述，2021 年中國的電化學儲能市場保持快速發展，累計裝機容量約為5800 MW，復合增長率可達57.4%。中國電化學儲能累計裝機容量預測如圖1 所示。

圖1 中國電化學儲能累計裝機容量趨勢圖Fig. 1 Trend chart of cumulative installed capacity of electrochemical energy storage in China

電化學儲能產業鏈中，變流器(power conversion system，PCS)是儲能電池與電網之間功率交換的重要單元，實施有效和安全的儲電和放電管理，對促進能源消納具有重要意義，對加強先進儲能技術研發和智能制造升級具有推進作用[1]。近年來，國內外對電化學儲能系統中的PCS 不斷進行技術革新，促進了儲能用PCS 在電網的廣泛應用，全球對PCS 的需求加大，國外儲能市場快速崛起[2]，促使國內的部分生產商也在不斷擴大海外市場，對PCS 的研究也成為關注熱點。2020 年PCS 海外出貨量前5 位的國內生產商對比情況如圖2 所示。

圖2 2020 年PCS 海外出貨量前5 位的國內生產商對比情況Fig. 2 Comparison of top 5 domestic manufacturers in PCS overseas shipments in 2020

目前針對電化學儲能系統中PCS 拓撲結構的相關研究中，大多是基于其具體結構特點進行的分類。由于PCS 與光伏逆變器在產品結構上相似，因此，光伏逆變器的拓撲結構可以為電化學儲能系統中PCS 的拓撲結構提供參考[3]。文獻[4]針對大規模光伏發電系統中使用的逆變器串并聯拓撲結構進行了分類討論及研究；文獻[5]按照集中式并網和模塊化并網兩大類對PCS 拓撲結構進行了分析；文獻[6]將儲能電站的能量轉換系統分為PCS 和濾波器兩部分對其拓撲結構進行了分析。

以上文獻均是基于PCS 拓撲結構的部分具體結構特點進行的分析，隨著電化學儲能系統的PCS 拓撲結構不斷發展，一些新型拓撲結構也成為當前的研究熱點[7]。電化學儲能系統中PCS拓撲結構分類樹狀圖如圖3 所示。

圖3 電化學儲能系統中PCS 拓撲結構分類樹狀圖Fig. 3 Classification tree diagram of topology structure of PCS in electrochemical energy storage system

基于此，本文首先從基礎的兩電平、三電平拓撲結構出發，介紹了傳統的PCS 實現方式及其優、缺點；再對多電平拓撲結構展開了分類研究。通過查閱相關文獻，對基礎的兩電平、三電平拓撲結構的優、缺點進行整理并提出改進型拓撲結構方案。結合實際情況，對PCS 未來發展前景進行了展望，為電化學儲能系統在電力系統中的工程應用提供參考方案。

1 兩電平拓撲結構

基礎的兩電平PCS 拓撲結構通常被用于單級PCS 的儲能系統中，將電池組通過PCS 連接升壓變壓器后并入電網，PCS 輸出端連接升壓變壓器，使輸出電壓與電網相匹配，以達到并網目的。此類兩電平拓撲結構的優點是：能耗低、結構簡單、運行效率高、控制較為簡單。缺點是：此類PCS 的體積大；達不到交流側電壓等級，需要增加升壓變壓器，提高了成本。

1.1 單路全橋兩電平拓撲結構

中國現有的500 kW 等級電化學儲能工程中，現階段較為常見的單路全橋兩電平PCS 的拓撲結構如圖4 所示。PCS 多采用這種單路全橋兩電平拓撲方案，其運行效率超過98%。

圖4 單路全橋兩電平拓撲結構Fig. 4 Two-level topology structure of single circuit full-bridge

該單路全橋兩電平拓撲結構在實際工程運用時，由于目前工程現場存在電池組最高直流電壓限制及其中開關器件因通態損耗造成的高成本，因此從成本和安全兩方面考慮，必須使用大容量工頻變壓器接入電網，但由此帶來了高成本及設計、制造困難等一系列問題。

1.2 多重化全橋兩電平拓撲結構

對于兩電平拓撲結構來說，由于串聯電池數量的限制，輸入一般為低壓，單機容量較小，大多數不會超過500 kW。在此背景下，可以利用多重化的拓撲結構來實現儲能系統中大容量電池的需求。以雙重三相電壓型的電路為例，該電路由2個單路全橋兩電平逆變電路組成，然后通過變壓器將二者串聯起來，具體拓撲結構如圖5 所示。該拓撲結構不僅可以增大輸入容量，也可以減少輸出電壓的諧波分量，使其更接近正弦波。但同時對控制要求也會更加復雜，多個單路全橋兩電平拓撲結構并聯使整體電路的不穩定性隱患增加。

圖5 雙重三相電壓型拓撲結構Fig. 5 Dual three-phase voltage topology structure

2 三電平拓撲結構

隨著市場對儲能設備單機容量和電能質量的要求提升，研究學者們將研究方向轉向三電平拓撲結構的PCS。常見的三電平拓撲結構主要有I型三電平拓撲結構和T型三電平拓撲結構這2種。相較于兩電平拓撲結構來說，三電平拓撲結構可以達到更大的容量和更高的輸出電壓。但由于新器件的應用使成本增加，導致其產品化應用受到限制。

2.1 I 型三電平拓撲結構

I 型三電平拓撲結構如圖6 所示，其是最早的三電平PCS 拓撲結構。圖中：Ua、Ub、Uc分別為交流測a、b、c 三相的相電壓；L1為濾波器中的電感；C為濾波器中的電容；ICa、ICb、ICc分別為交流測a、b、c 三相的相電流。該拓撲結構采用多只開關管組合開關的方式將直流母線斬波為“+”“0”“-”3 個電平，從而降低了開關管的損耗，并減小了濾波器的尺寸，最終達到了提升PCS 運行效率、降低PCS 體積及質量的目的。但由于I 型三電平拓撲結構的器件多、時序復雜，控制難度大，所以，其運用不夠廣泛。

圖6 I 型三電平拓撲結構Fig. 6 Type I three-level topology structure

2.2 T 型三電平拓撲結構

T 型三電平拓撲結構如圖7 所示。其工作原理與I 型三電平拓撲結構相似，但由于T 型三電平拓撲結構的器件組合結構不同，器件耐壓較高，因此不需要像I 型三電平拓撲結構一樣有嚴格的時序要求，控制難度大幅降低，可靠性也更高。

圖7 T 型三電平拓撲結構Fig. 7 Type T three-level topology structure

2.3 兩種三電平拓撲結構的性能對比

根據應用場合不同，I 型三電平拓撲結構和T 型三電平拓撲結構都會凸顯出各自的優勢，對二者性能進行對比分析，結果如表1 所示。表中：Ui為輸入電壓。

表1 2 種三電平拓撲結構的性能對比Table 1 Performance comparison of two three-level topology structure

從表1 可以看出：

1)在開關管應力方面，I 型三電平拓撲結構要低于T 型三電平拓撲結構，I 型三電平拓撲結構12 個開關管承受電壓均為輸入電壓的1/2，而T型三電平拓撲結構的開關管承受電壓為輸入電壓。

2)在結構方面，I 型三電平拓撲結構使用的二極管及驅動電路數量多，成本高且所占空間大，控制復雜。雖然T 型三電平拓撲結構減少了二極管的使用，但同時也存在靜態、動態均壓等一系列問題。

3)在控制時序方面，I 型三電平拓撲結構需保證先關斷外開關管，再關斷靠近中心的2 個開關管，以防止母線電壓直接加在外管上導致其損壞。而T 型三電平拓撲結構則無此要求。

3 多電平拓撲結構

對于大功率的PCS 拓撲結構應用主要集中在兩電平拓撲結構，近幾年開始出現上述I 型三電平拓撲結構。然而要滿足高電壓大功率場合，普通的兩電平、三電平PCS 已經難以滿足儲能系統對電力電子器件的耐壓等級和功率的需求。

在此背景下，多電平PCS 更適合這種高電壓大功率場合。多電平PCS 起源于1981 年，最早由日本長岡科技大學的Nablae 等提出，思路是將幾個電平方波臺階合成階梯型，以逐漸接近正弦波輸出。作為一種新型的高電壓大功率多電平PCS，研究時可以從電路拓撲結構出發，不僅可得到高質量輸出波形，而且也解決了兩電平PCS 的諸多問題。

在現今市場中，多電平拓撲結構主要有以下3 種：二極管鉗位型多電平拓撲結構、飛跨電容型多電平拓撲結構和模塊化PCS 串并聯型多電平拓撲結構。

以上3 種傳統的多電平PCS 也存在一定缺點，限制了其在特定場合的應用，具體存在以下幾種問題：

1)隨著電平數的增加，所使用的器件數量也在增長，從而出現成本高、PCS 體積大、控制復雜等問題。

2)對于二極管鉗位型多電平拓撲結構，會出現二極管承受反壓不同、越靠近內側開關管導通時間越長的問題。

3)對于飛跨電容型多電平拓撲結構，會有大量的開關管直接串聯在電源兩端造成直通的問題；同時，該拓撲結構也存在因懸浮電容過多而出現電壓不均衡的問題。

4)傳統的多電平PCS 都只能實現升壓或者降壓的逆變，不能實現同時的升降壓逆變。

3.1 二極管鉗位型多電平拓撲結構

文獻[8]介紹了一種二極管鉗位型五電平拓撲結構，如圖8 所示。此拓撲結構在直流側串聯4 個電容，每個電容均分電池的1/4 電壓；可通過開關管的變化來使輸出電壓產生不同的大小。

圖8 二極管鉗位型五電平拓撲結構Fig. 8 Diode-clamped five-level topology structure

二極管鉗位型多電平拓撲結構的優點有：器件耐壓較低、開關頻率低；交流側減少了隔離變壓器，成本低。該拓撲結構的缺點有：器件數量龐大，不容易控制。

3.2 飛跨電容型多電平拓撲結構

常見的飛跨電容型多電平拓撲結構如圖9 所示。該拓撲結構中，每相橋臂的結構相同；在每橋上分布相同數量且相互獨立的內環電容，使其輸出多電平；其工作原理與二極管鉗位型多電平拓撲結構相似。

圖9 飛跨電容型多電平拓撲結構Fig. 9 Flying capacitor multi-level topology structure

飛跨電容型多電平拓撲結構輸出電平的靈活度高于二極管鉗位型多電平拓撲結構。該拓撲結構的優點是：開關方式靈活，對功率器件的保護能力強；缺點是：需要大量的存儲電容，難以控制電容的充放電平衡。

以上2 種多電平拓撲結構都具有高電壓大功率場合適用的特點，但在實際使用中需要考慮PCS 體積大小、拓撲結構復雜度、成本高低，以及控制的難易性等多方面因素。目前，很多學者基于傳統的3 種多電平電路進行了研究，并提出了幾種具有針對性的改進拓撲方案。通過查閱這些文獻，總結出4 種改進型多電平拓撲結構進行分析研究，分別為：以二極管鉗位型多電平拓撲結構為基礎的改進型多電平拓撲結構；以飛跨電容型多電平拓撲結構為基礎的改進型多電平拓撲結構；減少使用器件的改進型多電平拓撲結構；實現同時升降壓的改進型多電平拓撲結構。

3.3 4 種改進型多電平拓撲結構

3.3.1 以二極管鉗位型多電平拓撲結構為基礎的改進型多電平拓撲結構

對于二極管鉗位型多電平拓撲結構中出現的二極管承受反壓不同的問題，文獻[9]提出了一種新型的二極管鉗位型五電平拓撲結構，如圖10 所示。圖中：Uo為交流測輸出電壓。

圖10 新型二極管鉗位型五電平拓撲結構Fig. 10 New diode-clamped five-level topology structure

該電路共使用8 個開關管和12 個二極管鉗位，使用的數量和傳統的二極管鉗位型多電平拓撲結構相同。器件的位置分布構成了金字塔結構，且該金字塔結構可擴展到更高級別，N級變流器需要N-1 個電容、2(N-1)個開關及(N-1)(N-2)個二極管鉗位。該結構可以解決二極管鉗位承受反壓不均的問題。

3.3.2以飛跨電容型多電平拓撲結構為基礎的改進型多電平拓撲結構

針對飛跨電容型多電平拓撲結構存在大量開關管直接串聯在電源兩端造成直通的問題，文獻[10]綜合利用飛跨電容型PCS 和雙Buck 電路的優點，以雙Buck 電路為基本單元構建多電平PCS，提出一種新穎的飛跨電容型雙降壓五電平PCS，其拓撲結構如圖11 所示。

圖11 飛跨電容型雙降壓五電平拓撲結構Fig. 11 Flying capacitor dual buck five-level topology structure

該拓撲結構由兩橋臂組成，中間開通降壓斬波電路分支。工作原理分為2 種降壓斬波電路，每種電路分為7 個模態，實現周期平分對稱。

此拓撲結構在實現飛跨電容兩端均壓及五電平輸出的基礎上，具備了無橋臂直通、無二極管反向恢復電流，以及電流半周期工作模式的優點。

除此以外，文獻[11]在基于現有PCS 多電平拓撲結構的基礎上，結合Zeta PCS 的特點，提出了一種基于Zeta 的新型飛跨電容型多電平PCS，其拓撲結構如圖12 所示。該拓撲結構的基本單元實現輸入側并聯電池組、輸出側串聯濾波器組合。

圖12 一種新型飛跨電容型Zeta 多電平拓撲結構Fig. 12 A novel flying capacitor Zeta multi-level topology structure

新型飛跨電容型Zeta 多電平拓撲結構采用復用原則的中間電容器與輸出濾波器，以此減少無源器件的個數，從而實現單級升降壓逆變；同時，也使該電路具有擴展能力強、電容兩端均壓的優點。

對于飛跨電容型多電平拓撲結構存在的電容兩端電壓不均衡的問題，文獻[12]提出了一種新型的高壓拓撲結構，如圖13 所示。

圖13 新型高壓拓撲結構Fig. 13 New high-voltage topology structure

將二極管鉗位型多電平拓撲結構與飛跨電容型多電平拓撲結構相結合，在電容兩端添加二極管鉗位結構，使其中性點電壓波動變小，實現了電壓自均衡。

3.3.3 減少使用器件的改進型多電平拓撲結構

針對使用器件繁多的問題，文獻[13]提出了一種混合鉗位四電平拓撲結構及其擴展五電平拓撲結構，圖14 為混合鉗位型四電平拓撲結構。

圖14 混合鉗位型四電平拓撲結構Fig. 14 Hybrid clamp four-level topology structure

該拓撲結構提高了傳統二極管鉗位和飛跨電容多電平PCS 的電平數，減少了二極管鉗位的數量，避免二極管鉗位五電平拓撲結構中開關器件的直接串聯，與二極管鉗位型四電平拓撲結構相比，此拓撲結構省去了6 個二極管鉗位，使用的鉗位器件數量大幅減少。

對于減少飛跨電容型多電平拓撲結構的開關管，文獻[14]介紹了一種雙重飛跨電容型九電平PCS，其拓撲結構如圖15 所示。圖中：E為輸入電壓。

圖15 雙重飛跨電容型九電平拓撲結構Fig. 15 Dual flying capacitor nine-level topology structure

該拓撲結構添加的最左端2 個開關管的通斷決定了輸出電平的正負。與傳統的飛跨電容型多電平拓撲結構進行對比，雙重飛跨電容型九電平拓撲結構的開關管和懸浮電容的數量均減少一半，同時電平數的增多也減少了輸出電壓的諧振分量。

3.3.4 實現同時升降壓的改進型多電平拓撲結構

文獻[15]提出了一種Z 源型單相全橋中點鉗位PCS，為可實現同時升降壓的改進型多電平拓撲結構，如圖16 所示。

圖16 Z 源型單相全橋中點鉗位拓撲結構Fig. 16 Z-source single-phase full-bridge midpoint clamp topology structure

該拓撲結構在直流電池側引入分裂電容，然后連接Z 源網絡與全橋連接，以此實現升降壓變換。相較于傳統Z 源網絡電路，該Z 源型單相全橋中點鉗位拓撲結構不改變無源器件種類，但二極管數目變為2 個，位于電池側的2 個二極管在直通狀態下起到反向阻斷的作用。該拓撲結構共有3 種工作狀態，分別為非直通狀態、上直通狀態和下直通狀態。通過分析發現，可將這3種狀態的工作原理類比升降壓斬波電路的工作原理，可實現同時升降壓逆變的需求。

該拓撲結構在單相全橋中點鉗位電路中加入2 種直通的工作狀態，并且在合理控制直通時間的基礎上可實現升降壓逆變。但此拓撲結構不僅使用了參數較大的電感、電容等無源器件，而且因所需要的鉗位器件數量較多，使拓撲結構變得更為復雜。

文獻[16]提出了一種單級非隔離型雙Cuk多電平PCS，其拓撲結構如圖17 所示。

圖17 一種新型單級非隔離型雙Cuk 多電平拓撲結構Fig. 17 A new single-stage non-isolated dual Cuk multi-level topology structure

該雙Cuk 電路由2 個直流Cuk 電路通過輸入串聯、輸出并聯的方式構成，該PCS 結構具有Cuk 電路的所有優點，可同時實現升降壓逆變，電流連續，適用于直流輸入電壓寬范圍變化的可再生能源發電系統。但是該拓撲結構中無源器件較多，可靠性不高。

3.4 模塊化PCS 串并聯型多電平拓撲結構

儲能電池在儲能單元應用中，在低壓場合通常利用PCS 模塊化技術；在高壓場合，通常利用級聯型多電平拓撲結構，通過僅增加PCS 拓撲結構單元數，可改變多個儲能電池的串聯結構。而對于級聯的多電平拓撲結構PCS，現有較多的研究集中于以H 橋作為單元的級聯型，稱為H橋級聯型變流器(cascaded H-bridge converter，CHC)。除此以外，模塊化多電平變流器(modular multilevel converter，MMC)拓撲結構也經常作為研究對象。

儲能系統在實際應用中往往包含儲能單元的串聯與并聯，以此來實現高電壓和大電流轉換，同時也有利于提高其電流等級和整體運行的穩定性，方便其合理擴容與故障維修。

3.4.1 低壓小功率分布式升壓并網拓撲結構

針對低壓小功率分布式升壓并網儲能系統的PCS 拓撲結構如圖18 所示。每個模塊化的儲能單元接入PCS 將直流電轉換為交流電，每個模塊再通過并聯到變壓器后接入電網。此類拓撲結構應用于儲能系統的功率從幾千瓦至幾兆瓦不等。圖中：D 為接地點。

圖18 低壓小功率分布式儲能系統的PCS 拓撲結構Fig. 18 Topology structure of PCS of low-voltage and low-power distributed energy storage system

此類PCS 拓撲結構主要應用于低壓小功率的分布式儲能系統，其優點有：模塊化儲能單元分散接入，可便于添加電池管理系統；同時，對儲能系統的整體容量來說，也便于拓展，容易實現故障冗余功能；與此同時，對于單個儲能單元中的開關器件的耐壓要求降低。該拓撲結構也存在一些問題：各個儲能單元添加的控制系統需要協同，較難保證精度。在大規模并網時，多并聯結構也存在穩定性問題。

3.4.2 低壓大功率集中式升壓并網拓撲結構

針對低壓大功率集中式儲能系統，其PCS的拓撲結構如圖19 所示。在此類儲能系統中，由于要滿足功率和能量的需求，電池側通常要求多個電池組串或并聯連接來達到要求。在整個儲能系統中，電池組經過PCS 進行交直流轉換后，經變壓器完成并網，實現整體功能，其功率從數兆瓦到數百兆瓦不等，可在大規模新能源電站應用。

圖19 低壓大功率集中式儲能系統的PCS 的拓撲結構Fig. 19 Topology structure of PCS of low-voltage high-power centralized energy storage system

這種PCS 拓撲結構的優點是：結構簡單、容易調節控制，存在的開關器件較少，已成為現今常規的集中式升壓并網儲能系統采用的拓撲結構，技術成熟。缺點是：受限于開關器件的耐受電壓限制，輸出的電壓等級較低，增加升壓變壓器的同時會增加整體系統成本，也降低了效率；對于電池管理系統來說，不易進行均衡控制，從而造成整體儲能系統輸出能力下降，更容易出現安全性問題。

3.4.3 智能組串式并網拓撲結構

基于集中式升壓并網儲能系統中PCS 的拓撲結構，有研究人員提出了智能組串式并網儲能系統的PCS 拓撲結構。在逆變器直流側和電池組端添加電池儲能系統，可增加整體儲能單元模塊的穩定性，成為可靠的優化手段。

3.4.4 高壓大功率級聯式拓撲結構

高壓大功率級聯式儲能系統的PCS 的拓撲結構，如圖20 所示。圖中：SM 為模塊。將儲能單元模塊接入三相形成交流側的串聯型PCS 拓撲結構，對每個PCS 模塊進行級聯，從而實現逆變后接入電網。此拓撲結構的提出為百兆瓦級電池儲能站的設計、建設和運行提供了強有力的技術支撐。

圖20 高壓大功率級聯式儲能系統的PCS 的拓撲結構Fig. 20 Topology structure of PCS of high-voltage high-power cascaded energy storage system

該拓撲結構的優點是：儲能電池單元可靈活地調節控制，很大程度上提高了電池組的能量管理效率，也減小了電池管理系統的工作負擔。但該拓撲結構中使用了較多的開關器件和電容器，增加了制作成本。

3.4.5 采用不同模塊化PCS 串并聯多電平拓撲結構的儲能系統的性能分析

在高壓大容量的儲能背景下，儲能系統采用模塊化的PCS 拓撲結構的優點包括：靈活接入、成本低，可用來接入更高的電壓等級，具有更大的容量，可提升轉換效率，有更安全的電池管理系統，適合于當前大規模并網應用。采用不同PCS拓撲結構的儲能系統的性能對比如表2所示。

表2 采用不同PCS 拓撲結構的儲能系統的性能對比Table 2 Perfamance comparison of energy storage systems with different PCS topology structures

1)低壓小功率分布式升壓并網拓撲結構具有穩定的直流母線電壓，但模塊與模塊之間存在環流；解決辦法是利用隔離型DC/DC 變換器，但與此同時會增大消耗，運行效率得不到保證。

2)對于低壓大功率集中式升壓并網拓撲結構來說，結構更加簡單，成本更低，但對于電池管理系統控制更加繁瑣。

3)高壓大功率級聯式拓撲結構以其調節靈活、運行效率高的特點成為目前研究和應用的主流方向。但是其成本相較于以上2 種結構來說很高，更適用于大規模并網且用地有限的項目。

4 結論

本文基于電化學儲能系統中的PCS 拓撲結構特點，將其分為兩電平、三電平及多電平拓撲結構三大類，對不同拓撲結構的結構特點、優勢及存在的問題進行了分析與總結；介紹了基礎的幾種兩電平、三電平拓撲結構，然后從二極管鉗位型和飛跨電容型多電平拓撲結構出發，總結了常見的幾種多電平拓撲結構，重點分析了優缺點，并介紹了幾種改進型多電平拓撲結構；最后指出了儲能系統實際應用中的幾種模塊化PCS 多電平拓撲結構。了解不同功率等級的電化學儲能系統PCS 拓撲結構的應用過程，為電站規模進一步提升至吉瓦級進程提供了理論指導，加快吉瓦級電化學儲能電站的建設，推動新型電化學儲能的發展[17]，期望通過本文的分析為今后的研究提供方向。