の電力変換システム(PCS) は、バッテリーと電力網または AC 負荷の間のインターフェースです。これは、バッテリーエネルギー貯蔵システムの出力の電力品質と動的特性を決定するだけでなく、バッテリーの安全性と寿命にも大きな影響を与えます。図に示すように、回路トポロジと変圧器構成に基づいて、PCS の基本タイプは電力-周波数昇圧-タイプと高電圧直接-接続タイプに分類できます。
現在、従来のバッテリークラスターの電圧レベルは1500Vを超えず、充電状態（SOC）に応じて一定の変動幅があります。したがって、さまざまな電力網や負荷の電圧要件に適応するために、多くの場合、PCS (電力変換システム) の AC 側に電力周波数変圧器が構成されます。これにより、AC 電圧の昇圧や調整が実現するだけでなく、オフグリッド システムで三相 4 線システムを構築して単相負荷に供給することも可能になります。{{3}さらに、エネルギー貯蔵システムの保護と電磁両立性の抑制が向上します。
電源周波数昇圧型 PCS は、段数に基づいて、シングル ステージ トポロジとダブル ステージ トポロジに分類できます。{0}{1}{2}
電力-周波数ステップアップ-シングルステージ PCS は、高効率とシンプルな構造を実現します。ただし、バッテリー容量が低く、電圧選択の柔軟性が限られているという欠点があります。さらに、PCS の DC 側で短絡障害が発生すると、バッテリ パックに大電流サージが容易に発生する可能性があり、重大なリスクが生じます。{4}}単段 PCS は、出力電圧レベルに基づいて 2{7}} レベル、3- レベル、またはマルチ- レベルのシステムに分類することもできます。図に示すように、レベルの数が増加すると、PCS の DC 電圧レベルと出力電力の品質がさらに向上します。
図 2-22 に示すように、電源-周波数ブースト-タイプの 2- 段 PCS は、バッテリ入力端子に双方向 DC/DC コンバータを備えて構成されており、バッテリ パックの容量を増加させ、電圧選択の柔軟性を高め、複数のバッテリ パックの独立した制御を実現できます。ただし、コストが高く、制御が比較的複雑で、効率も低いです。 DC/DC コンバータのさまざまな構造に基づいて、2 段 PCS は非絶縁型と絶縁型に分類できます。-絶縁型 2- ステージ PCS は、電圧変換比をさらに向上させ、幅広いバッテリ電圧適応性を備えていますが、大容量の絶縁型高昇圧比-双方向 DC/DC コンバータの設計には、重大な技術的課題が存在します。主な問題には、高電圧変圧器の設計、システム絶縁、位相シフトまたは直列共振ソフト スイッチング、高電力密度設計が含まれます。-
大容量エネルギー貯蔵システムで一般的に使用されるリチウム-イオン電池の場合、充電状態（SOC）が 15% ～ 85% の範囲内にある場合、出力電圧は大きく変化しません。-したがって、現在我が国で使用されている大容量エネルギー貯蔵システムのほとんどは、単段電力変換システム（PCS）-を採用しています。ただし、DC 電圧が 1500V に近づくと、3 レベルのトポロジ構造がますます採用されるようになります。- 1500V バッテリ エネルギー貯蔵システムは、必要な設置面積と、スイッチ ボックスや DC ケーブルなどの電気機器の使用を削減し、システム コストをある程度削減します。ただし、バッテリーと PCS 間の距離が短いため、大規模太陽光発電所で見られる DC 送電損失の大幅な削減は実現できません。-さらに、双方向 DC サーキット ブレーカーや双方向 DC コンタクタなどのコンポーネントには、より高いパフォーマンスが要求されます。 DC 回路の電気的安全性と保護設計は、このシステムの実装における中心的な課題です。
超-大規模-バッテリー エネルギー貯蔵発電所の適用を可能にし、あまりにも多くのバッテリー パックの並列接続を回避し、電源周波数変圧器によって引き起こされる損失を回避してコストを削減するため、モジュール式カスケード構造を備えた高-直接接続- PCS が主要な研究方向となっています。電力周波数昇圧 PCS と同様に、高電圧直接接続 PCS- も、電力変換段の数に応じて 1 段トポロジと 2 段トポロジに分けることができます。-
カスケード接続された単段 PCS は、電源周波数変圧器を使用せずに高電圧を出力でき、高電圧電力網に直接接続できるため、超-大規模-エネルギー貯蔵システムの構築に適しています。-カスケード構造によりマルチ-レベルの出力が実現され、個々のモジュールのスイッチング周波数が低くても出力電圧高調波が確実に低くなり、スイッチング損失が低減されます。ただし、カスケード接続された単段 PCS では、DC 側での相互絶縁が必要となるため、低出力電圧では高い絶縁ストレスが発生し、特別な設計が必要になります。各バッテリーパックとアースの間にはコモンモード電流経路があり、コモンモード電流を抑制するためのソリューションが必要です。-
バッテリー パックの充放電電流には第 2 高調波リップルが含まれており、これがバッテリーの電流経路に悪影響を及ぼし、コストを増加させます。{0}カスケード接続されたシングルステージ PCS は、図に示すように、主に H ブリッジ カスケード タイプとモジュラー マルチレベル コンバータ (MMC) カスケード タイプに分類できます。-
全体として、高電圧直接接続 PCS (電力変換システム) は、超大容量のエネルギー貯蔵システムによってもたらされる安全性と効率性の課題に対処するための重要なソリューションです。-ただし、バッテリ パックと絶縁型 DC/DC コンバータの両方に高い絶縁要件が課されるため、その広範な採用と用途が制限されます。さらに、超大容量バッテリー システムの集中積層、電気接続、安全設計にも課題があります。-