关键词：混合储能；超级电容；电池；调频等；

Design of modular multi-level hybrid energy storage system

Zhouxiaoliang

Liaoning Rongxin Power Electronics Technology Co., LTD

Abstract: This paper mainly introduces the key technologies and research progress of modular multi-level hybrid energy storage systems, proposing a supercapacitor energy storage system based on modular multi-level technology. It covers topics such as power/capacity optimization configuration for different types of energy storage, high-voltage cascading, application of modular multi-level (MMC) topologies, and control strategies for hybrid energy storage.

Keywrds: Hybrid energy storage; Supercapacitors; cell; frequency modulation;

1引言

随着风电、光伏发电容量在电力系统中所占比例的持续增加，大规模随机性和难预测性电力的集中接入使得电网在功率平衡和稳定控制等方面的问题日益复杂，电力系统的安全运行面临极大的挑战。而具有快速响应能力的储能技术的接入能够有效实现电力系统在各种工况下功率和能量的平衡，从而保障电网安全经济运行，提高风电、光伏发电等的利用效率。储能系统可在用电低谷时储存电能，在用电高峰时释放电能，有效平缓电网负荷曲线，优化电网的电量供需平衡，像抽水蓄能、液流电池储能等大容量储能方式在这方面发挥着重要作用。电网频率需要维持在一个稳定的标准值附近，当出现负荷变化等情况导致频率波动时，储能系统能够快速响应，在短时间内进行充放电，调整电网的有功功率，从而保障电网频率稳定。

2 储能系统装置及特点

储能系统接入电网的电压等级通常为6～35kV。因此，需要通过串并联的方式将几百上千的锂电池和超级电容单体电芯连接起来成组应用，储能形式采用级联型 储能系统通过多个小容量、分散式PCS单元（基于模块化Ｈ桥链式拓扑，每个PCS对应的储能单元侧并联一个抑制谐波电路）串联升压的方式直接升压到6～35kV 后不经升压变压器直接并网。

2.1 高压级联型储能系统架构

高压级联型储能系统没有电池簇的并联，也没有电流环流导致的容量及效率损耗，适用于中压和高压储能系统。级联型储能系统结构如图1所示。发现高压级联储能系统中不同Ｈ桥功率单元对应的电池簇数量及每相级联功率模块数下，高压级联储能系统的综合效率（电池簇能量利用率与PCS功率转换效率的乘积）在92.66%～92.84% 高压级联型储能系统的效率显著提高。

图1所示 高压级联型储能系统结构

高压级联结构的储能系统，具有综合效率高、协调控制能力强、响应时间短和可靠性高等优点，可应用于辅助火电机组参与电网调频领域。利用直流/直流（DC/DC）变换器可以抑制高压级联型储能系统中的直流侧二次谐波，避免电流二次谐波对储能电池寿命的影响。

2.2储能系统主要组成部分

装置主要包括MMC换流阀、桥臂电抗器、充放电装置、超级电容模组、锂电池组等，MMC换流阀包括6个桥臂，其内部主要有均压电阻R、直流电容C、4只IGBT（VT1~VT4）以及功率单元板组成。其中功率单元板为功率单元核心部分，完成主要的控制功能，包括直流电压采样、对外光纤通信接口等，功率单元板采用从直流侧取能方式，控制系统工作所需的取能电源集成于功率单元板上。

2.2.1锂电池功能及特点

锂电池具有响应速快、短时功率吞吐强、调节灵活等优势，可在毫秒至秒内实现满功率输出；利用锂电池储能系统来辅助火电机组参与调频，可有效提升机组调 频 能 力，缓解电网调频考核压力。时，利用锂电池储能系统辅助火电机组调频，可以避免火电机组频繁升降功率，使火电机组在经济工况附近稳定运行，达到节能减排的效果。

2.2.2超级电容功能及特点

超级电容具有功率密度大、循环寿命长、响应快速等优点，也可用于辅助新能源场站和火电机组参与电网调频。在电网的小幅度调频指令下，采用超级电容储能系统来辅助火电机组调频，可避免锂电池的频繁动作，从而大幅度延长锂电池的使用年限。

2.2.3 锂电池和超级电容混合使用的优势

将锂电池和超级电容按照一定的功率／容量比例组合形成混合储能系统，为了充分发挥混合储能系统的优势，需要根据应用需求和系统性能确定最佳的容量配比。一般而言，电池的容量占混合储能系统储能容量的70%~80%，超级电容的容量占20%~30%，这样能够保证系统在满足高功率输出的同时，也能够稳定地保存一定的电量。充分发挥２种不同类型储能各自的优点，用于辅助火电机组调频是一项极具发展潜力的技术。深入研究锂电池和超级电容混合储能辅助火电机组调频的关键技术，对于推动混合储能辅助调频的相关技术发展和项目落地具有重要意义。 

3  模块化多电平（ＭＭＣ）拓扑结构

  混合储能系统中锂电池储能系统和超级电容储能系统接入电网系统的方式为直流母线侧并联，如图2所 示。锂电池 储能系统和超级电容储能系统均接入直流母线，在直流母 线 侧 实 现 深 度 耦 合 后，再 通 过 １ 个 ＤＣ／ＡＣ变流器接入交流母线。

图2所示 直流母线侧并联

3.1  MMC储能系统整体构成

该系统以MMC拓扑结构作为主电路,通过将超级电容储能单元分散接入MMC子模块中,提高系统的控制灵活性与容错性,详细分析其a相桥臂电路工作原理,总结出每个储能子模块的一般工作模式.针对该储能系统主电路结构,提出采用综合控制策略,通过控制超级电容储能单元的充放电状态来实现能量在城轨列车,直流牵引网,超级电容储能系统三者之间流动，从而实现其储能在各方面的发展及应用。

3.2 MMC储能电源组成部分

装置主要包括：变压器、二极管整流桥、IGBT调压、滤波器、监控系统、保护系统、散热系统、配电系统等。主电路采用若干个低压功率单元串联叠加方式实现高压输出。

MMC储能电源装置包括每组变流器由8级功率单元串联，每个功率单元的额定电压为750V，直流侧实现电压0－6000V（峰值）连续输出。再将4组变流器输出侧并联达到3000A电流输出。图3所示为单元拓扑结构

图3 单元拓扑结构图

3.3 控制、保护和监控系统

3.3.1  控制器的基本功能

控制系统应可根据系统输出电压的变化情况，实现脉冲发生和分配功能，自动调节装置输出电压；具有供值班员使用的参数设置功能，所有设置的内容不受停电和干扰信号的影响；

3.3.2  控制器的组建构成

控制器是全数字信号处理装置，内置总线板、CPU板、数字板、模拟板、电源板、PWM 板、PWM 扩展板、通讯板。控制器采用高速DSP+FPGA的架构及高速大容量FPGA的架构，核心芯片位宽为32位，主频高达400MHz，控制器实现对电源装置的输出电压闭环控制、快速保护等功能。

3.3.3  控制器的通信方式

控制器与单元控制器之间采用点对点光纤通信方式进行信息交互，光纤通信具有高可靠性、低延时（小于5us）、抗干扰性强的优势，从而可保证模块输出电压、电流一致性（微秒级差异）。基于高速光纤通信系统，各功率单元载波可实现同步和移相控制，可有效降低输出电压、电流纹波。如图4所示

图4  控制通信原理图

控制器通过通讯接口与监控系统软件连接，可实现本地/远程数据查看、操作、参数设定等功能；方便运维人员操作。

3.3.4  控制器的保护功能

交直流叠加电源装置采用了综合保护技术，以提高装置可靠性，保护功能如下：

电压保护是指装置对电网接入点的电压、输出电压进行监视，在电压异常的情况下对装置进行保护的策略。主要为过电压保护、欠电压保护、电压不平衡保护、频率越限保护。

电流保护是指对装置输入及输出电流进行检测，在电流异常时对装置进行保护的策略。通常使用霍尔传感器对输出电流进行采集。

功率模块保护包括直流电压过压、欠压；功率模块过流、短路保护；功率模块及功率器件超温保护；交流绝缘异常保护；光纤通信异常保护。

其它保护，断路器工作异常保护、变压器过流保护及非电量保护。 

4  模块化多电平混合储能系统的实际应用

目前，国内调频电源主要为火电机组，其在调频过程中普遍存在响应时滞长、调节精度差、调节反向等问题，很难满足电网调频需求。同时，火电机组在参与调频的过程中频繁升降负荷会加剧设备的疲劳和磨损。

从电源侧来看，是指储能装置接入在电源厂站内部或汇集站侧的新型储能系统，其主要功能为联合可再生能源发电并网运行、联合火电机组调峰调频、独立调峰调频等。配置在新能源电站的储能系统，平滑新能源出力，同时实现暂态有功出力响应、暂态电压紧急支撑等，配置在火电厂的储能系统，如图5所示，通过将火电机组和储能设施进行联合调频，从而提升火电机组的调频性能指标。 

图5  储能系统应用在火电机组图

5 总结

模块化多电平混合储能系统为现代电力系统技术提供了新的思路，其应用领域主要体现在风力发电、光伏发电、交通运输领域等，凭借其多样化的功能特点，在众多领域都有着不可或缺的应用，并且随着技术的不断发展，其应用范围还在持续拓展。

参考文献

[1] 刘振亚．中国特高压交流输电技术创新[J]．电网技术，2013，37(3)： 1-8．

Liu Zhenya．Innovation of UHVAC transmission technology in China [J]．Power System Technology，2013，37(3)：1-8(in Chinese)．

[2]董霞，刘志珍．三相变压器直流偏磁仿真分析[J]．电力自动化设 备，2013，33(7)：121-125． Dong Xia ， Liu Zhizhen ． Simulative analysis of three-phase transformer with DC bias [J]．Electric Power Automation Equipment， 2013，33(7)：121-125 (in Chinese)．

作者简介

周晓亮（2007-）  男  工程师  就职于辽宁荣信电力电子技术有限公司。

韩亮 （2008-）  男  工程师  就职于辽宁荣信电力电子技术有限公司。

陈东铂 (2019-)      男  工程师  就职于辽宁荣信电力电子技术有限公司。

杜鸣 (2022-)      男  工程师  就职于辽宁荣信电力电子技术有限公司。