新能源储能设计_储能变流器（PCS）_系统设计方案

电路拓扑及参数定义

2 参数定义

参数	典型值	设计依据
额定功率	1-20MW	根据储能系统规模确定
直流输入电压	400-1500V DC	匹配电池 / 光伏系统电压等级
交流输出电压	400V/10kV AC	并网电压等级
效率	≥98%（额定负载）	IEC 62109 标准
过载能力	120% 持续 1 分钟	满足电机启动等短时过载需求
防护等级	IP65（户外型）	适应风沙、雨雪等恶劣环

电气组成设计

1. 主电路设计

（1）IGBT 模块选型

• 选型公式：

  电压等级：Vigbt≥1.5×Vdc_max

  电流容量：Iigbt≥1.2×Irated

• 散热设计：

  损耗计算：Ploss=VCE_sat×Iavg×D（D 为占空比）

  散热器选型：热阻 Rth≤(Tj−Ta)/Ploss（目标结温≤125℃）

(2）电抗器设计

• 电感值计算：

• 磁芯选择：高频应用优先选纳米晶磁芯（损耗 < 500mW/cm³@100kHz）

（3）直流支撑电容

容量计算

2. 控制电路设计

（1）主控芯片选型

• 关键参数
  • 运算能力：≥150MHz 浮点运算
  • ADC 精度：16 位，采样率≥1MSPS
  • PWM 通道：≥6 路，死区时间可调

（2）驱动电路设计

• 隔离要求
  • 隔离电压≥5kV（根据电网电压等级）
  • 推荐器件：2SD315AI（集成过流保护）

3. 保护电路设计

（1）过压保护

• 动作阈值
  
  1.1 倍直流母线电压（750V 系统设为 825V）
• 吸收电路
  
  压敏电阻（MOV）+ TVS 管组合，能量吸收能力≥10kJ

（2）过流保护

• 传感器选择
  
  ：闭环霍尔传感器（精度 ±0.5%，响应时间≤1μs）
• 熔断特性
  
  ：快速熔断器（如 Bussmann 1008 系列），分断时间≤10ms

结构设计

1. 箱体布局

2. 散热系统

• 液冷方案：
  • 冷却液：50% 乙二醇水溶液（-30℃防冻）
  • 泵流量：≥10L/min，扬程≥5m
  • 散热器：板式换热器，换热面积≥2㎡
• 温度控制：
  • IGBT 结温≤125℃，散热器出水温度≤55℃
•  

  电磁兼容性（EMC）设计

1. EMI 抑制措施

干扰类型	抑制方法	标准要求
传导干扰	共模电感 + Y 电容（4.7nF）	EN 61000-3-2（谐波电流）
辐射干扰	金属屏蔽箱体（屏蔽效能≥60dB）	FCC Part 15 Class A
地环路干扰	单点接地 + 绝缘安装柱	IEC 61800-3（工业环境）

2. 滤波器设计

• LC 滤波器参数
  • 电感：3mH（差模）+ 10mH（共模）
  • 电容：40μF（差模）+ 10nF（共模）
• 截止频率
  
  2kHz（满足 THD≤3%）

器件选型清单

器件类型	选型型号	技术参数	数量
IGBT 模块	FF1200R12IP4	1200V/1200A，开关频率 15kHz	16
电抗器	定制纳米晶电抗器	5mH/1000A，温升≤45K	2
直流电容	江海 3mF/1000V	ESR≤5mΩ，寿命 10 万小时	48
滤波器	LC 滤波器（L=3mH, C=40μF）	截止频率 2kHz，THD≤3%	1
主控芯片	TMS320F28379D	300MHz 浮点 DSP，16 路 ADC	1
驱动电路	2SD315AI	5kV 隔离，IGBT 过流保护	16
快速熔断器	Bussmann 1008-1000A	分断能力 100kA，响应时间≤10ms	4
液冷系统	派克板式换热器	换热功率 50kW，工作压力 1.6MPa	1

测试与验证

1. 型式试验项目

试验项目	测试标准	合格指标
效率测试	IEC 62109	≥98%（额定负载）
谐波测试	IEEE 519	THD≤5%（并网电流）
防护等级测试	IEC 60529	IP65（喷水试验无渗漏）
振动测试	IEC 60068-2-6	10-500Hz，加速度≤5g

2. 现场调试步骤

1. 静态测试
   
   绝缘电阻≥100MΩ，直流母线耐压 1500V DC/1min
2. 空载运行
   
   不带负载启动，验证控制逻辑
3. 加载测试
   
   从 25%→50%→75%→100% 负载递增，记录温升曲线
4. 电网扰动测试
   
   模拟电压跌落（0.2 倍额定电压），验证 LVRT 能力

 

可靠性设计

1. 冗余设计

• 关键器件
  
  IGBT 模块采用 N+1 冗余
• 电源系统
  
  双路 AC/DC 输入

2. 环境适应性

• 温湿度范围
  
  -40℃~+55℃，湿度≤95%（无凝露）
• 防腐蚀处理
  
  盐雾试验 1000 小时（ASTM B117 标准）

本方案适用于光伏储能、电网调频、工业 UPS 等场景，可根据具体应用需求调整功率等级和防护配置。