乾貨丨儲能變流器PCS概念原理與如何快速選型

電池儲能作為大規模儲能系統的重要形式之一，具有調峰、填谷、調頻、調相、事故備用等多種用途。與常規電源相比，大規模儲能電站能夠適應負荷的快速變化，對提高電力系統安全穩定運行水平、電網供電質量和可靠性起到了重要作用，同時還可以優化電源結構，實現綠色環保，達到電力系統的總體節能降耗，提高總體的經濟效益。

儲能變流器(Power Conversion  System，簡稱PCS)電化學儲能系統中，連接於電池系統與電網(和/或負荷)之間的實現電能雙向轉換的裝置，可控制蓄電池的充電和放電過程，進行交直流的變換，在無電網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  控制器通過通訊接收後臺控制指令，根據功率指令的符號及大小控制變流器對電池進行充電或放電，實現對電網有功功率及無功功率的調節。 同時PCS  可通過CAN接口與BMS通訊、幹接點傳輸等方式，獲取電池組狀態信息，可實現對電池的保護性充放電，確保電池運行安全。

《儲能變流器檢測技術規程》

《電池儲能系統儲能變流器技術規範》

GB/T 14549 電能質量 公用電網諧波

GB/T 15543 電能質量 三相電壓不平衡

GB/T 15945 電能質量 電力系統頻率偏差

GB/T 12325 電能質量 供電電壓偏差

儲能雙向變流器(PCS)是交/直流側可控的四象限運行的變流裝置，實現對電能的交直流雙向轉換。PCS可以實現電池儲能系統直流電池與交流電網之間的雙向能量傳遞，通過控制策略實現對電池系統的充放電管理、對網側負荷功率的跟蹤、對電池儲能系統充放電功率的控制、對離網運行方式下網側電壓的控制等。

圖2：儲能變流器系統拓撲

儲能變流器的主要功能是併網條件下，儲能系統根據微網監控指令進行恆功率或恆流控制，給電池充電或放電，同時平滑風電、太陽能等波動性電源的輸出;微網條件下，儲能系統作為主電源提供微網的電壓和頻率支撐(V/F控制),微網中負荷以此電壓和頻率為基準工作。PCS採用雙閉環控制和SPWM脈衝調製方法，能夠精確快速地調節輸出電壓、頻率、有功和無功功率。

圖3：儲能變流器外觀示意圖

併網恆功率充、放電控制

併網恆壓限流充電

離網 V/F 控制

無功調節控制

併網-離網平滑切換控制

防孤島保護功能及孤島檢測進行模式切換功能故障穿越控制功能

電池極性反接保護

直流過壓保護

直流過流保護

網側過/欠壓保護

網側過流保護

網側過/欠頻保護

IGBT 模塊過流保護

IGBT 模塊過溫保護

變壓器/電抗器過溫保護

防雷保護

非計劃性孤島保護

獨特的模式切換平滑控制技術，保證併網-離網兩種模式相互切換無衝擊，確保變流器可靠運行。保證變流器併網時按要求增減有功功率、無功功率;獨立運行時穩定負荷電壓、頻率。

充電、放電一體化設計，實現交流系統和直流系統的能量雙向流動;

高效的矢量控制算法，實現有功、無功的解耦控制;

功率因數任意可調，在容量範圍內可以全發無功，實現無功補償;

在MEMS(微網能量管理系統)的調度下，主動參與電網的調峰，有效緩解大電網的壓力;

支持併網運行、離網運行;並可以實現併網與離網的平滑無縫切換;

支持微網運行，可為微網提供穩定的電壓和頻率支撐;

主動式與被動式孤島檢測方法相結合，滿足 UL1741 標準;

完善的繼電保護功能，有效防止逆變器的異常損壞;

支持多種儲能電池，不同的型號僅控制器的軟體不同;

提供 CAN 、485，可與電池管理系統(BMS)、上層監控系統進行通訊;

多臺PCS可實現多機並聯運行;

支持交流側短時短路運行模式;

支持自同期功能;

高可靠性機櫃設計，滿足不同運行區域需要;

主功率迴路採用高可靠性功率模塊;

表2.1 技術參數

儲能變流器廣泛應用於電力系統、軌道交通、軍工、石油機械、新能源汽車、風力發電、太陽能光伏等領域，在電網削峰填谷、平滑新能源波動，能量回收利用等場合實現能量雙向流動，對電網電壓頻率主動支撐，提高供電電能質量。

圖2.4 儲能平滑光伏波動

圖2.5 儲能削峰填谷(利用峰谷電價錯峰用電)

圖2.6 儲能參與電網調頻

可用於風能、太陽能等分布式發電系統中，保證分布式電源供電的均衡性和連續性，有效地改善其電能輸出質量，提高接入電網的能力。

可用於電力系統穩定中，可以通過快速的電能存儲來響應負荷的波動，吸收多餘的能量或補充缺額的能量，實現大功率的動態調節，很好地適應頻率調節和電壓功率因數的校正，從而提高系統運行的穩定性。

可作為應急電源，在大電網或其他電源掉電期間向用戶提供電能，提高供電的可靠性。

可用於電網削峰填谷，可以緩解用戶側的供需矛盾，減少發電設備的投資，提高電力設備的使用率，減小線路損耗。

可用於微網中，作為主電源，提供微網的電壓和頻率支撐，使風電和光伏在微網中出力，給區域性負荷供電。

可用於各種類型的儲能元件，實現儲能與電網的柔性接口，能滿足獨立或併網運行的要求。

儲能變流器配置一般根據微網內實際負荷及分布式發電能源容量來定。負荷分為重要性負荷(機房、辦公、監控等負荷)、非重要性負荷(空調、照明、鍋爐、門崗等負荷)，負荷數據一般需要現場測量，一般測量工作日、節假日的分時數據，並節選四季典型時間的數據綜合分析。

儲能容量配置按負荷容量的1.2倍配置，如重要性負荷達200kW，則建議配置250kW的儲能變流器。其它負荷如需離網運行，則相應增加儲能功率配比。

儲能變流器變壓器變比由直流電壓輸入範圍而定(即電池電壓範圍)，計算方法如下：變壓器變比=Ul(電池最低電壓)/1.414。如選用鐵鋰電池的電壓範圍為360~480VDC，360/1.414=254，變壓器變比即可確定為200。

如選用的不帶變壓器的配置，則電池最低電壓需達到540V以上才可以接入400V電網。

自同期功能(S)：儲能變流器無需其它裝置可實現無縫並離網切換，在併網開關可以遠程控制的前提下，儲能變流器由併網轉離網運行時發出指令使併網開關分閘，由離網轉併網運行時發出指令使併網開關合閘(合閘條件由變流器判斷，不可人為合閘);

超級電容充電機功能(C)：儲能變流器在接超級電容產品時，可以由0電壓開始為超級電容充電，並在超級電容電壓達到運行電壓時進行充放電，取代傳統充電機作用。