适用于大容量储能系统的级联H桥和模块化多电平逆变器分析比较

适用于大容量储能系统的级联 H桥和模块化多电平逆变器分析比较曹炜 1， 徐永海 1， 李善颖 2， 吴涛 2（ 1. 新能源电力系统国家重点实验室 （ 华北电力大学 ） ， 北京 102206； 2. 华北电力科学研究院有限责任公司， 北京 100045）Analysis and Comparison of Cascaded H-Bridge and Modular Multi-LevelConverters Suitable for Large-Capacity Energy Storage SystemCAO Wei1， XU Yonghai1， LI Shanying2， WU Tao2（ 1. State Key Laboratory for Alternate Electric Power Systemwith RenewableEnergy Sources（ North China Electric PowerUniversity） ， Beijing 102206， China； 2. North China Electric Power ResearchInstitute， Beijing 100045， China）ABSTRACT Large-capacity energy storagesystem（ ESS） isnormally connected to the grid through the power conversionsystem（ PCS） . Currently， cascadedH-bridge converter（ CHC）and modular multilevel converter（ MMC） are two most advancedtopologies for PCS. In this paper， CHC and MMC invertersconnected with ESS are simulated and analyzed， and comparedin aspects of reliability ， output efficiency and cost. The resultsshow that while the two topologies have their own merits， theyalso have their shortcomings. Suggestions for the topologysuitable for large-capacity multilevel output are proposedin thepaper.KEY WORDS energy storage system； power conversionsystem； cascadedH-bridge ； modular multilevel摘要 大容量储能系统 （ energy storagesystem ，ESS） 一般需要通过功率转换系统 （ powerconversionsystem ，PCS） 并入电网中，目前大容量 PCS较为先进拓扑主要有级联 H桥结构和模块化多电平结构。对结合储能系统的级联 H桥逆变器和模块化多电平逆变器进行了仿真和分析， 将它们在可靠性、 输出效率、 经济性等多方面进行评估比较， 分析结果表明 2种拓扑各具特色的同时也不可避免的存在不足， 对此提出了适用于大容量储能系统输出拓扑的建议。关键词 储能系统； 功率转换系统； 级联 H桥； 模块化多电平随着经济社会不断发展， 风能、 太阳能等新能源发展迅速， 在电网中所占比例也越来越大。在新能源电力系统中采用储能技术能够有效地实现可再生能源的友好接入和协调控制 [1-2]。储能系统能够将电能转化为化学能、 势能、 电磁能等形态进行存储， 并在需要时重新转换为电能予以释放。储能电池一般通过功率转换系统并入电压等级较高的电网中 [3]， 传统的三相桥式逆变器所输出的电平数较低， 容量受限， 在大容量高电压的情况下采用开关器件的串并联来解决耐压问题， 有时会造成动静态均压问题， 而接入变压器又增大了成本和体积；中点箝位电路需要大量的二极管和电容，电路结构和控制策略非常复杂， 易产生中点漂移等问题； 而多电平逆变器能够将分散的电池构成大功率储能系统， 提高工作频率， 输出电压电流品质高。目前较为先进的大容量 PCS拓扑主要有级联 H桥结构 （ cascaded H-bridge converter， CHC） 和模块化多电平结构 （ modular multilevel converter， MMC） 。 针对这 2种拓扑， 已经有不少论文进行了相应的论述 [4-8] ，但是对于 2种先进拓扑的主电路结构分析和相互间的异同权衡， 目前国内外进行的研究较少 [9-11] 。文献 [9]介绍了传统逆变结构、 二极管钳位结构以及级联结构逆变器间的异同， 但并没有介绍目前先进的MMC结构； 文献 [10]对储能电池分散接入、 集中接入MMC以及分散接入 CHC结构进行了对比分析， 其结论表明分散接入 MMC的方式下损耗最小， 同时 MMC结构的冗余设计较为灵活； 文献 [11]对 CHC 结构和 基金项目 国家 863高技术基金项目 （ 2011AA05A113 。Supported by National 863 High Technology Fund Program（ 2011AA05A113 ） .第 32卷 第 4期2016 年 4月电网与清洁能源PowerSystemand Clean EnergyVol.32 No.4Apr. 2016文章编号 1674-3814（ 2016 ） 04-0030-08 中图分类号 TM46 文献标志码 A智能电网Smart Grid第 32 卷 第 4 期 电网与清洁能源MMC结构的器件数量以及输出效率进行了对比， 但是并没有涉及其他方面。本文在 PSCAD/EMTDC中搭建了 2种拓扑容量为20 MV A的 25电平仿真模型， 并进行了仿真分析， 在可靠性、输出效率和经济性等多方面对这 2种拓扑进行了分析， 给出了较为综合全面的评价， 提出了适用于大容量多电平输出拓扑的建议。1 2种功率转换系统拓扑及控制策略1.1 级联 H桥结构图 1给出了级联 H桥结构 PCS与储能系统结合的拓扑。储能电池接入 PCS主要通过 3种形式 直接并联、 通过非隔离式 DC/DC变换器以及通过隔离式 DC/DC变换器接入。采用直接并联的方式结构简单， 能耗较低， 但并联电池组之间容易产生充放电电流不均衡和环流等问题；采用隔离式 DC/DC变换器的方式能够实现电网和储能装置的隔离运行， 但开关器件较多， 控制电路和驱动电路较复杂， 高频变压器的存在也限制了电池容量的大小。综合考虑， 本文采用非隔离式 DC/DC变换器接入 PCS。图 1中储能系统采用磷酸铁锂电池模型，分多组通过非隔离式DC/DC变换器与逆变器每个级联模块直流侧电容并联， 每相经过连接电感 Ls接入电网中， 当电池充电与放电时变换器分别工作在 Buck模式和 Boost模式， 适合波动性比较大的电源并网补偿。非隔离式 DC/DC变换器实现变化的电压与级联模块电容电压动态匹配， 使电池侧与电网侧功率平衡， 共同维持直流侧电压的稳定。为了分析方便以及对输出功率进行更有效的控制，利用 Park变换将静止坐标系下的时变系数微分方程转换为同步旋转坐标系下常系数微分方程，同时结合直流侧以及交流侧的电路方程能够得出级联 PCS的数学模型ddti di qUdcRL ωkL cosδ- ω RL kL sin δ3k2C cosδ -3k2C sin δ 0idiqUdc- 1LU100（ 1）式中 ω 为 dq旋转坐标系下旋转角频率； U1为电网电压的瞬时值； Udc为逆变器直流侧电容电压； k为逆变器的调制比； δ 为逆变器和电网的相角差。在同步旋转坐标系中， 由于连接电抗导致有功和无功电流出现耦合， 可采取电流前馈解耦控制实现有功功率和无功功率的解耦。参考电流控制指令经过前馈解耦环节得到逆变器每相输出参考电压，经过 dq/abc反变换至静止坐标系下，作为调制波产生 CPS-PWM 信号， 级联型 PCS内环采用的是电流解耦控制， 而外环采用的是电压控制， 其主要目的是控制每个级联模块直流侧电压平衡 [12]。 图 2示出的是级联结构 PCS控制框图。储能系统与电网交换的有功和无功功率可以表示为P 32（ udiduqi q）Q 32（ uqi d- udi q）圯P 32 udi dQ- 32 udiq圯圯 （ 2）1.2 模块化多电平结构模块化多电平 PCS与储能电池结合的拓扑如图3所示， O点表示零电位参考点。 一个换流器有 6个桥臂， 每个桥臂由一个电抗器 L0和 N个子模块 （ SM） 串联而成， 储能系统以分布式的方式与 SM并联。 上下2个桥臂构成一个相单元， 2个桥臂电抗器的连接点构成对应相的交流输出端。 单个并联储能系统的 SM结构如图 3中所示， T1T4代表 IGBT， D1D4代表反并联二极管， C0代表子模块的直流侧电容器； Uc为电容电压， uSM为子模块两端的电压。MMC结构控制框图如图 4所示。 MMC型 PCS具有多种调制方式，但是在大功率和高电平数的场合， 为了减少电力电子器件的开关损耗， 需要采用开关频率较低的调制方式， 因此在仿真模型中选用最近电平逼近调制 （ nearest level modulation， NLM）较为合适， 这也是在 MMC结构中应用较为广泛的一种调制方式。 MMC型 PCS采取的是电流前馈解耦控图 1 级联型 PCS拓扑Fig. 1 Topology of the cascaded PCS智能电网Smart Grid31制， 这和 CHC型 PCS所采用的控制策略是相同的， 但是逆变器每相输出参考电压经过 dq/abc反变换至静止坐标系下后采用的是 NLM 和子模块电容电压均衡控制， 从而得到子模块触发信号。2 仿真分析以电压等级 10 kV，容量为 20 MV A 的 PCS为例，在 PSCAD/EMTDC环境下搭建了 CHC型和 MMC型电池储能系统， 系统仿真参数如表 1所示。图 5给出了 CHC结构和 MMC结构四象限运行仿真特性波形， 开始给定输出有功、 无功功率 10 MW ，1.8 s时有功功率变为 -10 MW， 2.1 s时无功功率变为 -10 Mvar， 2.5 s时有功功率变为 10 MW。 在整个功图 4 模块化多电平型 PCS控制框图Fig. 4 Control block of modular multilevel PCS图 3 模块化多电平 PCS拓扑Fig. 3 Topology of the modular multilevel PCS图 2 级联型 PCS控制框图Fig. 2 Control block of the cascaded PCS曹炜， 等 适用于大容量储能系统的级联 H 桥和模块化多电平逆变器分析比较 Vol.32 No.4智能电网Smart Grid32第 32 卷 第 4 期 电网与清洁能源率调节过程系统能够较好的跟随指令发出有功、 无功功率， 实现了电池储能系统能量的双向流动和四象限运行。3 2种功率转换系统分析比较2种功率转换系统均能够实现有功、 无功功率的四象限运行， 但两者拓扑结构不同， 所采取的控制策略也有差异， 两者在工程应用中的可靠性、 输出效率以及经济性等方面有待进行深入探讨。3.1 可靠性比较可靠性问题是进行大容量 PCS主电路设计选用时首先考虑的问题， 可靠性模型是为了预估系统可靠性建立的数学模型。影响系统可靠性的核心问题是主电路拓扑以及所选用器件的可靠性， PCS器件主要由 IGBT、 二极管以及电容器组成 （为了简化计算， 相应的控制电路以及附属设备暂不考虑） 。 PCS每个模块包括逆变侧的器件以及直流侧 Buck-Boost电路所含有的器件，其可靠性由所含有的 IGBT、 二极管以及电容器共同决定 [13]。定义逆变侧 IGBT、 二极管和电容器的可靠性分别为 R1、 R2和 R5， 直流侧 IGBT、 二极管的可靠性分别为 R3、 R4， CHC结构每个模块逆变侧有 4个 IGBT及反并联二极管， 直流侧有 2个 IGBT及反并联二极管， 同时还有一个电容器，由此可以得到 CHC结构每个模块的可靠度RCR41R42R23R24R5 （ 3）同样可以得到 MMC结构每个模块的可靠度RMR21R22R23R24R5 （ 4）一般电力电子器件的寿命服从指数分布Ri（ t） e- λ it （ 5）式中 λ i为第 i个电力电子器件的失效率。由此可以得到 CHC或者 MMC每个模块的可靠度 [14]RU（ t） ni 1仪 Ri（ t） e-ni1移λ i移 移te- λ Ut（ 6）式中 n为每个模块所含有的电力电子器件个数； λ i为第 i 个元器件的失效率； λ U为单个模块的总失效率， 等于所有元器件失效率之和。CHC和 MMC都是由多个模块构成， 每个模块相互独立并且采用服从相同寿命分布的电力电子器件。在实际的装置中， 需要设置一定的冗余模块， 以保证一个或若干个模块发生故障的情况下储能系统仍然能够正常工作， 因此整个装置的可靠性可以采图 5 2种拓扑运行四象限仿真结果Fig. 5 Simulation results of the two topologies in fourquadrant operation表 1 CHC 和 MMC 型 PCS仿真参数Tab. 1 Simulation parameters of CHC PCS andMMC PCS比较项目 CHC MMC额定线电压 UL.L_RMS/kV 10 10额定容量 S/（ MV A） 20 20输出电平数 N 25 25直流侧电容电压 Uc /kV 0.85 0.85DC/DC变换器电抗 Ld /H 0.02 0.02交流侧连接电抗 Ls /H 0.004 0.006直流侧电容值 C/μ F 40 000 20 000蓄电池额定电压 UBESS/kV 1 1电池侧开关频率 fc /Hz 200 400智能电网Smart Grid33用 k/n（ G） 可靠性模型进行分析。 k/n（ G） 可靠性模型指的是在组成系统的 n个单元中， 至少其中的 k个单元正常工作， 那么系统运行正常。若每相均含有 n-k个冗余模块， 运行中有模块发生故障时， 故障模块会被冗余备用的模块代替。在分析过程中， 每个模块的核心器件是 IGBT， 为了简化分析， 单个模块的总失效率可以近似用 IGBT 的失效率进行分析， 可取λ CHC0.049 2， λ MMC0.025 2。采用 k/n（ G） 模型可以得到 PCS系统的可靠度Rsystem（ t） nik移 CinRU（ t） i（ 1- RU（ t） ） n-移 移ipnik移 Cine- iλ Ut（ 1-e - λ Ut） n-移 移ip（ 7）式中 RU（ t） 为单个模块的可靠度； p为采用的链式个数， 其中 CHC为 3， MMC为 6。系统的平均无故障时间 θ 可以表示为θ ∞0乙 Rsystem（ t） dtnik移 1piλ （ 8）对于 CHC结构，每相由 12个模块组成；对于MMC结构， 每相由 24个模块组成， 6个桥臂。以每相2个冗余模块为例， CHC结构和 MMC结构的可靠度曲线如图 6所示。 CHC结构单相可靠度 θ ′ CHC4.71 a， 三相平均寿命 θ CHC1.57 a， MMC结构单相可靠度 θ ′ MMC4.77 a， 三相平均寿命 θ MMC0.8a 。由图 6可以看出， CHC结构的可靠性略高于 MMC结构，这是因为可靠性在一定程度上是由器件串联个数和模块数反映， MMC结构每个桥臂所串联的模块数多， 输出控制难度加大， 可靠性将会降低。 图 7给出了平均无故障时间同每相冗余个数以及输出电平数的曲线， 为简化分析， IGBT的失效率设为不变。由图 7中可以看出， 随着电平数的增多， 系统的可靠度逐渐下降，而增加冗余个数能够增加 PCS系统的可靠性。若以我国主要输变电设施可靠寿命指标作参考 [15]， 选取 2个冗余模块时， 本文中采用的 2种拓扑单相可靠性大致与 220 kV 变压器相当，三相可靠性水平均优于架空线平均水平。 若需要更高的可靠性，可以选用可靠性更高的 IGCT等器件或者增加冗余个数即可。3.2 输出效率比较器件的损耗对系统设计、器件参数以及散热器的选择相当重要。 PCS的损耗主要包括静态损耗和开关损耗。 静态损耗主要包括 IGBT和反并联二极管的通态损耗， 开关损耗主要考虑 IGBT的开通关断过程中的损耗。 在进行损耗计算之前， 首先需要对 IGBT进行选型。考虑工程实际以及 2倍电流裕量， CHC结构 PCS逆变侧采用 Infineon 公司的 FZ3600R17HP4 型号 （ 1.7 kV/3.6 kA） ， 直流侧 Buck-Boost 变换器采用FZ1600R17HP4 型号 （ 1.7 kV/1.4 kA） 。 MMC结构 PCS逆 变 侧 采 用 Infineon 公 司 的 FZ2400R17HP4 型 号（ 1.7 kV/2.4 kA） ，直流侧 Buck-Boost 变换器采用FZ400R17KE4 型号 （ 1.7 kV/400 A） 。表 2示出的是所选用器件的基本参数。对于通态损耗， 可以用饱和压降， 内部电阻来进行计算。 IGBT及二极管的通态损耗为PcondUCE.satI avgRonI 2rms （ 9）式中 UCE.sat为 IGBT 的饱和压降； Ron为 IGBT 的内部电阻； Iavg为流过器件的平均电流； Irms为流过电流的有效值。对于器件的开关损耗， 在精确度要求不高的情图 6 2种拓扑 k/n（ G） 模型可靠度曲线Fig. 6 Reliability curve of k/n（ G） model of the twotopologies图 7 2种拓扑平均无故障时间曲线Fig. 7 MTTF curve of the two topologies表 2 所选用器件的参数Tab. 2 Parameters of the selected device参数类型 FZ3600R17HP4FZ2400R17HP4FZ1400R17IP4FZ400R17KE4饱和压降 UCE.sat/V 0.95 0.90 0.85 0.95内部阻抗 Ron/mΩ 0.36 0.56 0.9 3.3拟合系数 c 5.47 10-5 6.85 10-5 1.44 10-4 -2.03 10-4拟合系数 b 0.308 0.316 0.439 0.623拟合系数 a 407.98 140.27 124.46 3.17曹炜， 等 适用于大容量储能系统的级联 H 桥和模块化多电平逆变器分析比较 Vol.32 No.4智能电网Smart Grid34第 32 卷 第 4 期 电网与清洁能源况下，反并联二极管的开关损耗可以忽略不计， 只考虑 IGBT的开关损耗。在特定条件下， IGBT的开关损耗曲线可以从器件制造商的数据表中得到。实际情况中开关损耗还与结温以及电压有关， 因此加入结温系数 ρ（ Tj） ， 可以由数据表计算得到。器件的开关能量可以用二次函数进行拟合EswEonEoffρ（ Tj） RdcUdcref（ abiavgci 2avg） （ 10）式中 Eon为每个脉冲对应的 IGBT开通能量； Eoff为 IGBT关断能量； a， b， c为拟合系数； ρ（ Tj） 为结温系数； Udc为直流侧电压； Udcref为特定条件下的直流电压。器件的开关损耗为Psw 1TcNi 1移 （ Esw（ i） ） 1TcNi1移 （ Eon（ i） Eoff（ i） ） （ 11）式中 Tc为基波周期； N为一个周期内的开通次数。对于 CHC结构，在计算时其逆变侧载波频率设为 800 Hz，直流侧 Buck-Boost 电路开关频率设为200 Hz； 对于 MMC结构， 文献 [16]总结了采用 NLM 对应的等效开关频率， 一般可以设为 400 Hz甚至更少，直流侧电路开关频率设为 200 Hz。图 8所示的是不同输出功率下 2种拓扑输出效率。由图 8可以看出， 在不同输出功率情况下， MMC结构输出效率较 CHC结构要高， 虽然 MMC结构有更多的模块和电力电子器件，但是相对来说， MMC具有更低的等效开关频率和更高的效率。3.3 经济性比较经济性是工程应用中必须要考虑的问题，科学选择主电路拓扑是降低成本的重要内容。在目前以及可预见的将来，大容量功率开关器件仍将占据硬件成本的主要地位。因此对于 CHC和 MMC结构， 最重要的就是对开关器件进行选型比较。CHC每相模块数为 12个， 逆变侧所采用的 IGBT为 144个， 直流侧采用的 IGBT为 72个， MMC共有 6个桥臂，每个桥臂模块数为 24个，逆变侧共有 288个IGBT， 同时直流侧所需要的 IGBT数量也为 288个， 虽然同样容量下 MMC所用的 IGBT规格小于 CHC结构，但是 MMC所需要的 IGBT 数量超过 MMC 2倍， 高压大电流等级下的 IGBT价格较高， 这样 CHC的价格优势就显现出来了。由于 MMC每增加一个电平， 就需要在上下桥臂同时增加一个子模块输出单元，因此在高电平条件下， MMC所需要的模块数远高于 CHC。此外， MMC所需要连接电抗以及电容值同样高于CHC， 在这里不再赘述。同时， 由于 MMC存在公共直流母线， 正负母线发生短路故障的时候有可能烧坏 IGBT反并联二极管，因此需要在模块中额外并联通流能力更强的晶闸管加以保护， 但是 CHC结构并不需要 [17]。由于功率开关器件、电容等器件在装置成本中占有很大比重， 同时也是决定装置体积的主要因素，因此从经济性上来说， CHC结构要优于 MMC结构。3.4 其他评价对于 MMC结构， CPS-PWM 和 NLM 都是常用的调制方法。 CHC结构所采用的 CPS-PWM调制相对于NLM来说具有较小的低次谐波分量， THD更低。 但是在高电平场合，电平数增多会导致载波之间的移相角很小， 载波角物理实现所需要的精度较高， 同时需要复杂的角度计算和存储， 而 NLM 物理实现简单， 占用的硬件资源较少。 从输出效率上来说， 在高电平场合采用 NLM调制能够明显降低开关损耗， 这在 3.2节中已有体现。两者的综合比较还要考虑到各自所具有的特点， CHC结构在对不平衡电流的补偿所采用的控制策略比 MMC略复杂 [17]； MMC结构有公共直流母线，易于拓展， 因而具有较高的灵活性， 可以加以利用构成新的拓扑结构 [18]， 同时在冗余设计上比 CHC结构灵活 [10]， 但 MMC结构同样也有显而易见的缺点， 即内部存在环流 [19-20] ， 这样容易使桥臂电流出现畸变， 同时增加了对内部开关器件额定电流的要求，使得损耗增大。4 结论本文对适用于大容量储能系统的 CHC和 MMC结构 PCS进行了仿真分析， 在可靠性、 输出效率及经济性等方面进行了比较和评价， 得出以下结论1） 2种拓扑均能够达到有功、 无功调节的目的，在相同电平数下， CHC结构可靠性略高于 MMC结图 8 2种拓扑效率比较Fig. 8 Comparison of efficiency between the two topologies智能电网Smart Grid35构， 在设计过程中， 可以考虑选用可靠性高的开关器件或者增加冗余度的方法来增加可靠性。2）从性能方面考虑， MMC的输出效率略高， 高电平输出采用 NLM 调制能够明显降低损耗， 物理实现简单， MMC结构具有较高的灵活性，容易加以利用构成新的拓扑，但 MMC具有环流问题， CHC结构的输出效率略低于 MMC， 控制策略较 MMC略复杂。3）从经济性上来看， 实现高电平输出所需要的模块数， 以及所用 IGBT的规格， 都能够在一定程度上体现成本的高低， CHC结构具有较小的体积和较高的经济性。总的来说， 2种结构均适用于大容量储能系统中，在突出各自优点的同时也不可避免的存在弊端，高电平输出情况下 CHC结构可靠性、经济性较好， 但 MMC结构输出效率高， NLM 物理实现简单， 易于拓展，侧重不同的要求可以选择不同的拓扑， 在实际应用中应根据电网的具体要求和各自的优势进行综合考虑选择或者合理综合配置。随着电力电子器件成本的降低、围绕两者的改进拓扑的提出，以及新的控制策略的应用， 两者的技术经济性能将进一步提高， 将在大容量储能系统以及更多领域发挥越来越重要的作用。参考文献[1] 骆妮， 李建林 . 储能技术在电力系统中的研究进展 [J].电网与清洁能源， 2012， 28（ 2） 71-79.LUO Ni， LI Jianlin. 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