第三届电力电子科普作品创作大赛-入围奖

中国科学技术馆 王文渊

现代电力系统中存在两种不同的“电流语言”。一种是家用电器及电网使用的交流电，其电流大小和方向随时间周期性变化；另一种是光伏组件、电池等产生或储存的直流电，其电流像一条单行道，方向恒定不变。电能的“直流语言”和“交流语言”进行顺畅地转换，就需要一个重要的“翻译官”，即：PCS（Power Conversion System，储能变流器），它在整个储能系统中有着十分重要的作用。

一、PCS的电能“翻译官”能力

PCS核心功能是实现直流电和交流电的高效双向转换。人们可能会好奇，PCS是如何完成这种神奇的电流转换的呢？它的“翻译官”能力体现在以下两个方面。

（1）整流模式（AC/DC转换）。当电网供电充足或能源发电过剩时，PCS将电网的交流电转换为稳定的直流电，这就是储能系统的充电过程。

（2）逆变模式（DC/AC转换）。当用电高峰或电网供电中断时，PCS将储能系统储存的直流电巧妙地“加工”成与电网同频、同相以及同幅的交流电，供电力负载使用或回馈电网。放电过程需要精确控制输出的交流电频率、相位以及幅值，保持与电网同步。

图1 储能系统充放电过程

作为储能介质和电网间的枢纽，PCS的直流与交流间“翻译官”能力使其成为储能系统的重要设备，也是储能系统能够灵活应对负荷密集接入、大容量直流馈入、大规模新能源汇集等关键所在。

二、PCS的组成和工作模式

PCS主要由双向变流器、控制单元等部分组成，还包括保护单元、通讯接口等部件。双向变流器负责直流电与交流电的转换，控制单元通过先进算法实现电能转换过程的精确调控。

PCS常见的拓扑结构分为单级型和双级型结构。单级型结构仅由一个DC/AC环节构成，储能系统放电时，存储的能量经过逆变器进行DC/AC逆变，将直流电变换为交流电回馈电网；充电时，电网的交流电通过变流器进行AC/DC整流，变换为直流电储存在储能系统中。单级型结构简单、效率高、控制方便，但系统的容量和电压工作范围受限。双级型拓扑结构主要由独立的整流和逆变模块组成，具有较宽的电压工作范围，但结构较复杂、损耗较大、总能量转换效率较低。

PCS常见的工作模式分为并网模式、离网模式和并/离网混合模式。

并网模式。PCS与电网直接相连，以电流源特性运行，能够实现储能系统与电网之间的双向能量转换的功能。并网模式可以实现充放电功能，通过精确控制策略，PCS使储能系统的充电和放电过程与电网同步，还可以根据负载需要及时调整充放电功率，满足电网需求。

离网模式。PCS与电网断开连接，独立为负载供电，以电压源特性运行。这种模式下，PCS扮演“微电网”管理者的角色，确保在电网断开供电的情况下，为负载提供稳定的电力。在储能系统放电时，PCS会根据负载的需求调整输出功率；在储能系统充电时，PCS会利用太阳能、风能等可再生能源为储能系统充电。

并/离网混合模式。PCS能根据电网和负载的使用情况，动态调整工作模式以保障电力系统稳定运行。当电网稳定时，PCS可以优先使用电网电能供电，同时把多余的电能储存到储能系统中；当电网不稳定或需求波动较大时，PCS可以切换到离网模式，独立为电力负载供电。

三、储能系统中PCS的应用场景

PCS的应用场景非常广泛，几乎涵盖了所有需要储能的领域。新能源发电场景中，风电和太阳能“看天发电”的间歇性与波动性特点导致发电功率忽高忽低。PCS可以指挥储能系统，在风光发电过多时快速充电，在风光发电不足时快速放电，将不稳定的电能输出变成平滑稳定的电能。这就相当于为波动的新能源配上了一块电能“海绵”，吸收溢出和补充不足。城市用电场景中，白天、深夜用电波动大的特点使的“削峰填谷”很有意义。PCS可以让储能系统在电价低的夜间用电低谷期充电，在电价高的白天用电高峰期放电。这样既为用户节省了电费，也减轻了电网在高峰时段的压力，更高效地利用电能。电源应急场景中，当电网突然故障停电时，PCS可以在毫秒级别内切换到独立运行模式，利用储能系统中储存的电能，继续为家庭、工业、医院等重要负荷供电，保障生产和生活的正常运行。

图2 储能展品模型（抽水蓄能与飞轮储能）

从工业大型储能电站到家用储能系统，都能看到PCS的身影。PCS的技术特性为现代电力系统带来了诸多价值，其“电力稳定器”的作用助力稳定局部电网电压，提升了供电和用电质量。

四、结语

2025年政府工作报告强调了新型储能在新兴产业中的快速发展地位。国家发展改革委、国家能源局联合印发的《新型储能规模化建设行动方案（2025—2027年）》提出“锂离子电池储能实现规模化应用，压缩空气储能、液流电池储能、钠离子电池储能、飞轮储能等进一步商业化发展”等目标。面对电力系统调峰、保供不断增大的压力，新型储能成为构建新型电力系统的重要组成部分。PCS作为储能系统中直流与交流间的“翻译官”，在直流与交流电力世界里架起了一座高效的沟通桥梁，其重要性日益凸显。PCS技术的成熟和发展不仅实现了能量的高效转换与灵活调度，更是构建新型储能系统的重要技术。未来PCS技术在提高功率密度、转换效率、可靠性、智慧化管理等方面的创新突破，其应用场景也会不断拓展。

（王文渊，中国科学技术馆）