光储充变流器PCS拓扑结构认识，储能变流器逻辑认识，单级双级 - Pcim展会

光储充一体化系统是一种集成了光伏发电、储能和充电功能的综合能源系统，它能够提高能源利用效率、平衡电网负荷，并应对电力突发需求。PCS（Power Conversion System，储能变流器）是该系统中的核心设备，负责将电池系统中的直流电转换为与电网或负荷兼容的交流电，或将交流电转换为直流电储存到电池中。

一、光储充储能变流器（PCS）概述

储能变流器(Power Conversion System，简称PCS)，在电化学储能系统中，是连接于电池系统与电网(和/或负荷)之间实现电能双向转换的装置，可控制蓄电池的充电和放电过程，进行交直流的变换，在无电网情况下可以直接为交流负荷供电。

PCS 由 DC/AC 双向变流器、控制单元等构成。PCS控制器通过通讯接收后台控制指令，根据功率指令的符号及大小控制变流器对电池进行充电或放电，实现对电网有功功率及无功功率的调节。同时PCS可通过CAN接口与BMS通讯、干接点传输等方式，获取电池组状态信息，可实现对电池的保护性充放电，确保电池运行安全。

二、储能变流器（PCS）拓扑结构

PCS的拓扑结构主要分为单级型结构和双级型结构

1、单级型结构：

单级型储能变流器的结构如图 3 所示

构成：仅由一个DC/AC环节（PWM变流器）构成。

工作原理：

储能电池组放电时，其存储的能量经过PWM逆变器进行DC/AC逆变，将直流电变换为交流电回馈电网。

储能电池组充电时，电网的交流电通过PWM变流器进行AC/DC整流，变换为直流电储存在储能电池组中。

优点：效率高、结构简单、损耗较小、控制简便。

缺点：储能系统的容量配置不够灵活，储能电池的电压工作范围较小。

2、双级型拓扑

构成：主要由DC/DC变换器与PWM变流器构成。

工作原理：

储能电池组放电时，储能电池组中的直流电经过DC/DC变换器升压后，供给PWM变流器，经过PWM变流器逆变为交流电后供给电网。

储能电池组充电时，电网的交流电经过PWM变流器的整流，变为直流电后进入DC/DC变换器，DC/DC变换器将直流电压降压后给储能电池组充电。

优点：可以接入多组电池，各电池组之间通过独立的DC/DC环节控制，实现对多组电池组的独立充/放电控制，电池组的电压工作范围宽，不存在电池组之间的环流，方便运行管理。

缺点：系统损耗增大，总的能量转换效率较低；DC/DC变换器数目多，系统较为复杂；两级变流器需要密切配合，增加了系统控制的难度并降低了运行可靠性。

对于电池单体串联和先并后串两种形式，采用单级型变流器较为合适。对于先串后并的电池成组方式，往往采用双级型的设计方式，使每组串联的电池分别通过 1个双向 DC/DC 变流器再连接到 DC/AC变流器的中间直流环节，然后再通过 DC/AC变流器与电网相连，如图 5所示。

三、PCS的电平数划分

PCS的拓扑还可以根据电平数划分为两电平电路拓扑和多电平电路拓扑。其中，两电平电路拓扑是经典的三相桥式结构，而三电平电路拓扑则在高压领域更为广泛应用，它通过增加中性点0电位，提高了电压利用率，降低了谐波含量，改善了电压质量，减小了滤波器体积，并降低了开关频率，从而提高了系统效率。

1、两电平电路-基本概念

两电平电路拓扑，顾名思义，是指在电力电子变换过程中，输出或输入电压只包含两个电平状态。在PCS中，这通常意味着DC/AC变流器（或逆变器）的输出电压波形在两个不同的电平之间切换，以实现电能的转换和控制。

1.1、两电平电路-结构特点：

简化设计：两电平电路拓扑结构相对简单，通常由一个或多个电力电子开关器件（如IGBT）组成，通过控制这些开关器件的通断状态，实现电压的变换。

高效性：在适当的设计和控制策略下，两电平电路拓扑可以实现较高的转换效率，适用于中低压领域的应用。

广泛应用：由于结构简单、成本低廉，两电平电路拓扑在电力电子变换器中得到了广泛应用，包括但不限于储能系统、光伏逆变器、电机驱动等领域。

1.2、两电平电路-工作原理

在PCS的两电平电路拓扑中，DC/AC变流器通过控制电力电子开关器件的通断状态，将直流电（DC）转换为交流电（AC），或反之。当开关器件导通时，输出电压达到一个较高的电平（如+Ud）；当开关器件关断时，输出电压降至一个较低的电平（如-Ud或0V，取决于电路的具体设计）。通过调整开关器件的通断频率和占空比，可以实现对输出电压和电流的控制。

1.3、两电平电路-优缺点

优点：结构简单，易于实现和控制。成本低廉，适用于大规模生产和应用。在中低压领域具有较高的转换效率和可靠性。

缺点：输出电压波形质量相对较差，谐波含量较高。需要较高的开关频率来改善波形质量，但会增加开关损耗和电磁干扰。在高压领域应用时，需要采用器件串并联的方法，增加了系统的复杂性和成本。

1.4、两电平电路拓扑

如图6 所示为经典的三相桥式两电平电路拓扑，这种 PWM 整流器已经在业中应用的相当广泛。通过控制电力电子器件IGBT 的导通与关断，交流相电压为+Ud、-Ud 两种电平状态。当然，这种两种状态的相电压波形质量并不好，必须提高开关器件的频率才能改善电压波形质量，但这又引起了开关器件损耗的增加，因而降低了变流器整体的效率。

2、三电平电路拓扑

在高压领域，多电平电路拓扑的应用更为广泛在，这其中又以三电平电路拓扑为主要代表，主要是因为其结构的简单，方便实用。与传统两电平电路相比，三电平电路多出了中性点 0 电位。

2.1三电平电路-基本概念

三电平电路拓扑是指在电力电子变换过程中，输出或输入电压包含三个电平状态。这种拓扑结构通过增加电平的数量，改善了输出电压的波形质量，降低了谐波含量，并提高了系统的稳定性和效率。

2.2、三电平电路-结构特点

多电平输出：三电平电路拓扑能够输出三个不同的电平，通常为正电平、零电平和负电平。这种多电平输出方式使得输出电压波形更接近正弦波，减少了谐波的产生。

高效性：三电平电路拓扑通过优化开关器件的通断状态，实现了较高的转换效率。相比于两电平电路拓扑，三电平电路在高压、大功率应用中具有更高的效率优势。

降低电磁干扰：三电平电路拓扑可以降低开关器件的开关频率，从而减小电磁干扰（EMI），提高系统的电磁兼容性（EMC）。

2.3、三电平电路-工作原理

在PCS的三电平电路拓扑中，直流电压被分成三个不同的电平，并通过PWM（脉冲宽度调制）波形调制在输出端实现连续可调的输出电压。具体来说，当开关器件处于不同状态时，输出电压会在这三个电平之间切换，从而实现对输出电压的精确控制。

2.4、三电平电路-组成部分

三电平拓扑的PCS主要由以下几个部分组成：

主功率部分：包括直流高压继电器、预充电路、直流侧熔丝、母线电容、IGBT功率开关模块、LC滤波器、交流侧熔丝、交流断路器等。这是PCS的主体部分，负责能量的流动和转换。

信号检测部分：用于实现电压、电流信号的高精度检测及信号处理功能，以及故障信号的检测功能。

控制部分：采用高性能的处理器为控制核心，实现信号的采样和计算、PCS控制、故障判断与保护以及与就地控制器的通信等功能。

驱动部分：选用IGBT专用驱动，确保IGBT工作于最优开关状态，并具备过流、过温等异常状态的检测功能。

监控显示部分：采用高清LCD液晶触摸屏作为输入输出接口，提供友好的人机交互界面和多种通信接口。

辅助电源部分：用于提供PCS控制系统的供电。

2.5、三电平电路-优缺点

三电平电路-优点：
低谐波失真：三电平拓扑可以有效减小输出电压的谐波含量，提高输出电压波形质量。

降低电磁干扰：相比传统的双电平逆变器，三电平拓扑可以降低开关频率，减小电磁干扰。

减小电压应力：降低开关器件的电压应力，延长器件使用寿命，提高系统可靠性。

适用于高功率应用：在高功率应用中能更好地控制开关器件的损耗，提高系统效率和稳定性。

三电平电路-缺点：

控制复杂：相比传统的双电平逆变器，三电平拓扑的控制策略更为复杂，需要更高的控制精度和计算能力。

成本较高：由于需要更多的开关器件和控制电路，三电平拓扑的硬件成本相对较高。

效率略低：在部分工况下，三电平拓扑的效率可能略低于双电平逆变器，特别是在低负载情况下。