储能系统中PCS的挑战与突破
储能变流器（Power Conversion Systems，简称PCS）是现代能源存储系统中的关键组成部分，它作为电池系统与电网或交流负荷之间的接口，扮演着至关重要的角色。PCS不仅决定了电池储能系统对外输出的电能质量和动态特性，而且极大地影响了电池的安全性和使用寿命。
根据电路拓扑与变压器配置方式，PCS主要分为工频升压型和高压直挂型两种基本类型。在当前的应用场景中，常规的电池簇电压等级通常不超过1500V，并随SOC（荷电状态）的变化存在一定的波动范围。为了适应不同电网或负荷供电的电压需求，PCS交流侧往往会配置工频变压器。这种配置一方面实现了交流电压的升压或整定，另一方面在离网系统中还能形成三相四线制，为单相负荷供电。此外，工频变压器还改善了储能系统的保护性能和电磁兼容性。
工频升压型单级PCS以其工作效率高和结构简单的优点被广泛应用。然而，它也存在局限性，如电池组容量低和电压选择灵活性差。此外，当PCS直流侧出现短路故障时，易导致电池组受到较大电流冲击，存在安全隐患。尽管如此，单级PCS仍可根据输出电压电平分为两电平、三电平或多电平。随着电平数的增加，可以进一步提高PCS的直流侧电压等级和输出电能质量。
相比之下，工频升压型双级PCS则通过在电池接入端配置双向DC/DC变换器，提高了电池组容量和增强了电压选择的灵活性。这种配置可以实现多组电池的分别独立控制，但成本相对较高，控制系统也更为复杂。根据DC/DC变换器的结构不同，双级PCS又可分为非隔离型与隔离型两种，其中隔离型双级PCS可以进一步提升电压变比，具有更宽的电池电压适应性。然而，大容量隔离型高升压比双向DC/DC变换器的设计难度大，主要难点包括高频变压器设计、系统绝缘、移相或串联谐振软开关、以及高功率密度设计等技术挑战。
对于大容量储能系统中常用的锂离子电池而言，其SOC在15%~85%的范围内时，输出电压变化不大。因此，我国现用的大容量储能系统大多采用单级PCS。随着直流电压趋近1500V，三电平拓扑结构的应用逐渐增多。这种结构减少了占地面积和电气设备如开关盒、直流线缆的使用，在一定程度上降低了系统成本。但是，由于电池与PCS间距离较短，并不能像大规模光伏电站那样带来明显的直流传输损耗减少。此外，对双向直流断路器、双向直流接触器等器件提出了更高的性能要求，直流回路的电气安全与保护设计成为实施这一系统的核心难点。
