多電池組儲能系統(tǒng)雙向DC

摘要：介紹了多電池組儲能系統(tǒng)中常用幾種電池充放電變換器的主電路拓撲和工作原理，并對與電池連接的雙向DC-DC 變換器的控制策略進行了研究。研制了一臺由3 路雙向DC-DC 變換器和1 路雙向PWM 變流器構(gòu)成的電池充放電系統(tǒng)，功率為120 kW,能滿足3 路電池的獨立充放電要求。在鋰電池儲能系統(tǒng)中的實驗結(jié)果表明，研制的雙向DC-DC 變換器，具有電池充電、電池放電、孤島運行和電池互充放電等多種功能，而且充電電流紋波電流小于0.5%,波形平滑，可適用于多組，寬范圍電壓的電池組的充放電要求。

0 引言

在當今全球綠色能源、節(jié)能減排戰(zhàn)略中，不僅把風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、生物發(fā)電和核能發(fā)電技術(shù)作為優(yōu)先發(fā)展和政策扶持的對象，而且將能量儲存技術(shù)也作為今后的研究方向，特別是電池儲能系統(tǒng)，它不僅猶如一家特殊"銀行",可以將夜間的"谷電"存起來白天用，或是將平日富余的電能存起來，到電力緊張甚至供電中斷時拿出來一解燃眉之急。

而且也是城市電網(wǎng)削峰填谷的"調(diào)度高手",更是風(fēng)光互補儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備不管是新能源的發(fā)展、還是智能電網(wǎng)的發(fā)展都離不開它。

在電池儲能系統(tǒng)有兩個重要的組成部分，第一就是號稱"心臟"的電池儲能系統(tǒng)中的電池，負責(zé)能量的存儲和釋放；第二個就是號稱"大動脈"的電池儲能系統(tǒng)中的充放電變換器，它是電池儲能系統(tǒng)能量傳遞的雙向高速通道。二者缺一不可，密不可分。

電池儲能系統(tǒng)中的電池不再單單采用傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池，鈉硫電池、釩電池、鋰電池和鎳氫電池等也紛紛在電池儲能系統(tǒng)中使用，因此電池儲能系統(tǒng)對充放電變化器的要求也越來越高，他不僅要求充放電變化器具有傳統(tǒng)的充放電功能，還需滿足電池電壓的寬范圍運行、快速充放運行、瞬時大功率輸出運行、無功補償運行、孤島運行及多組電池的充放電運行要求。

本文對多電池組儲能系統(tǒng)中電池充放電變換器的主電路拓撲和工作原理進行了分析，特別是與電池接口的雙向DC-DC 變換器進行了研究，在此基礎(chǔ)上，研制了一臺由"多路雙向DC-DC 變換器"和"雙向并網(wǎng)變流器"構(gòu)成的120 kW 電池儲能系統(tǒng)變換器。并在3 組鋰電池組構(gòu)成的電池儲能系統(tǒng)中進行了試驗驗證，為多電池組儲能系統(tǒng)各路電池獨立充放電提供了一個成熟的解決方案。

1 主電路拓撲和工作原理

在電池儲能系統(tǒng)中，如果是單組電池，則只需一個由三相IGBT 全橋電路構(gòu)成的雙向并網(wǎng)變換器（以下簡稱"PWM 雙向并網(wǎng)變換器"）就可以實現(xiàn)電池的充放電功能。

在多電池組儲能系統(tǒng)中，各電池不能并聯(lián)，需獨立充放電，僅一個PWM 雙向并網(wǎng)變換器滿足不了系統(tǒng)要求，雖然也可以每個電池組均配一個PWM 雙向并網(wǎng)變換器，但這樣的成本較高、體積較大，性價比低。對于多電池組儲能系統(tǒng)，采用圖1 所示主電路拓撲（多個"DC-DC 變換器"+ 1 個"PWM 雙向并網(wǎng)變流器"）結(jié)構(gòu)簡潔緊湊、性價比高，即在電網(wǎng)端配置一個PWM 雙向并網(wǎng)變流器，在電池端則根據(jù)電池組數(shù)量，配置相應(yīng)數(shù)量的DC-DC 變換器，如果將DC-DC 變換器和PWM 雙向并網(wǎng)變流器連接點電壓稱為直流母線電壓（Vdc），則當電池充放電時，DC-DC 變換器只需根據(jù)系統(tǒng)要求，往直流母線回饋或吸收能量，而PWM 雙向并網(wǎng)變流器則通過與電網(wǎng)能量的雙向流動，保證直流母線電壓（Vdc）的穩(wěn)定。

圖1 主電路拓撲

DC-DC 變換器拓撲也有多種類型，文獻[3]介紹了一種多重化雙向DC/DC 變換器，文獻[4]也介紹了圖2 所示雙向雙全控橋DC/DC 變換器，該變換器的特點是電池和直流母線隔離、兩邊均為單相全控橋變換器、可以工作在零電壓開關(guān)（ZVS）模式，但該變換器的缺點是開關(guān)器件多、驅(qū)動及控制電路復(fù)雜、受高頻變壓器的限制，其變換器容量不能做得太大，僅適用中小功率系統(tǒng)。

圖2 雙向雙全控橋DC/DC 變換器。

文獻[5]詳細介紹了雙極性控制的全橋SPWM雙向變流器的系統(tǒng)構(gòu)成及原理，采用單相拓撲，并研制了一臺1 kW 樣機進行測試，其特點是開關(guān)頻率高，對電網(wǎng)污染小。文獻[3-5]共同特點是幾十千瓦以下的中小功率變換器，針對的也是一組電池的充放電。對于100 kW 以上的大功率和多組電池的充放電還需采用更加適用的變換器。

圖3 所示另一種雙向DC-DC 變換器，當電池放電時，變換器以Boost 模式工作；當電池充電時，變換器以Buck 模式工作。該變換器的特點是結(jié)構(gòu)簡單、開關(guān)器件數(shù)量少、損耗小、驅(qū)動和控制電路簡單、電池側(cè)輸出采用LCL 濾波，能有效地減小電池端的紋波電壓和紋波電流，該變換器的不足是電池和直流母線不隔離，共地。

圖3 雙向DC-DC 變換器。

本文研制的120 kW 鋰電池儲能系統(tǒng)雙向DC-DC 變換器則采用圖3 所示拓撲。該系統(tǒng)有3 組獨立電池，每組電池和變換器直流母線電壓參數(shù)如下：

單組電池額定電壓：DC400 V;

單組電池電壓范圍：DC330~DC460 V;

單組電池最大充電電流：110 A;

單組電池最大放電電流：110 A;

變換器直流母線額定電壓Vdc:DC500 V

為了與其他產(chǎn)品兼容，本文研制的120 kW 雙向DC-DC 變換器采用2 個三相IGBT 全橋電路（PWM1 和PWM2）構(gòu)成，圖4 所示，兩個半橋輸出并聯(lián)作為1 路DC-DC 變換器，采用該拓撲還有一個最大的優(yōu)點是雙向DC-DC變換器與PWM雙向并網(wǎng)變換器均是采用的三相IGBT 全橋電路，因此二者的IGBT 功率模塊（IGBT、散熱器、電容）IGBT的驅(qū)動及控制電路均可以借用，減少了開發(fā)時間、維護也比較方便。

圖4 3 組電池儲能系統(tǒng)雙向DC-DC 變換器。

本文研制的120 kW 鋰電池儲能系統(tǒng)雙向DC-DC 變換器，在電網(wǎng)斷電時，還能作為電壓源輸出，即以Boost 模式工作，輸出電壓Vdc 穩(wěn)定，后級PWM 雙向并網(wǎng)變流器則做孤島運行，斷開KM1、閉合KM2,保證關(guān)鍵負荷供電。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

本文研制的雙向DC-DC 變換器，其基本工作原理為Buck 和Boost 變換，當電池放電時，DC-DC變換器以Boost 工作模式運行，在電池充電時，DC-DC 變換器以Buck 工作模式運行，本文不再對對Buck 和Boost 工作模式的常規(guī)控制策略進行累述，僅對電池儲能系統(tǒng)中雙向DC-DC 控制器設(shè)計時需要注意的幾個方面進行了分析。

2.1 均流控制

根據(jù)戴維寧等效電路，圖4 所示電路單組電池可做如圖5 等效。

圖5 DC-DC 變換器等效電路。

其中V1、V2 分別為兩個并聯(lián)模塊對應(yīng)的開路電壓（橋臂輸出），Z1、Z2 為兩個模塊等效阻抗，Z3為并聯(lián)接點到電池的阻抗，由于各并聯(lián)模塊銅排的布局、驅(qū)動的死區(qū)、以及IGBT 的開通延時和上升沿等的不同，導(dǎo)致輸出V1≠V2,同理每個并聯(lián)模塊輸出電纜長度和電抗器阻抗不同，一般Z1≠Z2,如果不采用均流控制策略，將導(dǎo)致兩個模塊輸出電流不一致，且產(chǎn)生環(huán)流，環(huán)流大小為I=（V1-V2）/（Z1+Z2）。

環(huán)流的存在不僅導(dǎo)致流過IGBT 的電流增大，同時也影響系統(tǒng)效率，為有效抑制環(huán)流，實現(xiàn)兩組變換器均等的輸出電流，必須采用均流控制策略，即是每個并聯(lián)模塊采用獨立的反饋控制，以實現(xiàn)兩并聯(lián)模塊電流相等，實現(xiàn)均流。當采用均流控制后兩個變換器可等效為圖6 所示兩個并聯(lián)的電流源，通過控制，當I1=I2 時，即可避免環(huán)流的產(chǎn)生。

圖6 采用均流控制后等效電路。

兩并聯(lián)模塊的均流控制框圖見圖7 所示，I_ref為電池給定充放電電流，兩路模塊并聯(lián)時，每個模塊的電流指令為I_ref 的一半，分別與對應(yīng)模塊的電流反饋（I1_f 或I2_f）形成閉環(huán)，采用該控制策略能使兩路輸出電流完全相等。

圖7 電流控制框圖。

圖8 為采用均流前后的穩(wěn)態(tài)仿真波形（本文電流波形以充電電流為負方向，放電電流為正方向），圖8（a）為兩并聯(lián)橋臂為同一個脈沖，僅L1 電流為閉環(huán)控制，因此由于輸出阻抗（設(shè)定L1 橋臂5mΩ，L2 橋臂8 mΩ）不同，L2 電流與L1 差5 A 左右，輸出總電流也差5 A,而圖8（b）波形為兩并聯(lián)橋臂獨立控制，均流度較好，兩橋臂電流波形重合，達到了均流目的。

在本文研制的120 kW 雙向DC-DC 變換器中，交錯并聯(lián)的兩組變換器即采用相同的電流指令（總電流的一半），經(jīng)閉環(huán)控制后即可實現(xiàn)均流輸出。當系統(tǒng)運行于充、放電狀態(tài)時，兩組變換器電流給定值相同；當工作于恒壓浮充狀態(tài)時，電流指令由電池電壓環(huán)決定，電壓環(huán)調(diào)節(jié)器輸出一分為二作為兩組變換器電流環(huán)指令；當系統(tǒng)運行于孤島模式時，電流指令由直流母線電壓環(huán)決定，同樣將電壓環(huán)調(diào)節(jié)器輸出一分為二作為兩組變換器的電流指令以實現(xiàn)均流控制。

圖8 采用均流控制措施前后的波形對比。

2.2 Boost 空載穩(wěn)壓控制

在本文研制的電池儲能系統(tǒng)中，要求在電網(wǎng)斷電時，圖1 所示變換器能做孤島運行，向關(guān)鍵負荷供電，即雙向DC-DC 做Boost 模式運行，維持直流母線電壓的恒定，而后級PWM 雙向并網(wǎng)變換器則做逆變器運行，向關(guān)鍵負荷供電，通常Boost 變換器是不能空載運行的，這主要是因為其升壓電感在開關(guān)管導(dǎo)通過程中的儲能沒有釋放路徑，直流母線端相當于開路，電壓將逐漸上升。

對本文研制的雙向DC-DC 而言，兩個源之間的能量交換是自由的，空載穩(wěn)壓運行時，由于Boost輸出電壓受控，故可等效為一個電壓源，這樣電感電流可實現(xiàn)雙向流動，不存在傳統(tǒng)Boost 變換器空載條件下電感儲能沒有路徑釋放的問題。而傳統(tǒng)采用二極管自然整流輸出作為源也不能實現(xiàn)空載穩(wěn)壓運行。圖9 為空載穩(wěn)壓運行時的穩(wěn)態(tài)仿真波形，波形顯示在直流母線電壓穩(wěn)壓500 V 運行中，電感L1電流是雙向流動的。

圖9 直流母線電壓Vdc 和L1 電流波形。

2.3 兩組電池互充放電控制

在本文研制的雙向DC-DC 還可以實現(xiàn)兩組電池的相互充放電功能，既當電網(wǎng)斷電時，其中一組電池Boost 模式運行，實現(xiàn)直流母線的穩(wěn)壓功能，另一路電池則可從直流母線取電給自身進行充電，該功能在其中一組電池急需充電，而其他電池組還能滿足放電時就可以采用本文介紹的功能，圖10為仿真波形，圖4 所示電池1 進行穩(wěn)壓（指令電壓為500 V），電池組2 充電（充電電流指令為-100 A），仿真結(jié)果顯示直流母線電壓穩(wěn)定，充電電流平滑。

圖10 兩組電池相互充放電波形。

3 實驗結(jié)果

以下實驗波形為圖4 所示電池組1（鋰電池）的實驗波形，圖11 為恒流充電波形，電池充電電流為86 A,L1 電流為充電電流的一半，充電時，電池電流紋波電流小于0.5%;圖12 為恒流放電波形，放電時，電池紋波電流小于0.5%;圖13 為電池放電和充電在線轉(zhuǎn)換波形，充放模式轉(zhuǎn)換無需停機，且轉(zhuǎn)換過程中波形平滑。

圖11 恒流充電波形

圖12 恒流放電波形。

圖13 放電與充電之間轉(zhuǎn)換波形

4 結(jié)論

本文對多電池組儲能系統(tǒng)電池充放電變換器拓撲和原理進行了介紹，對DC-DC 變換器的控制器設(shè)計進行了分析，并給出了雙向DC-DC 變換器的仿真結(jié)果和在鋰電池組上的實驗波形，仿真和實驗結(jié)果表明，本文研制的雙向DC-DC 變換器，具有電池充電、電池放電、孤島運行和電池互充放電等多種功能，而且充電電流紋波電流小于0.5%,波形平滑，可適用于多組，寬范圍電池的充放電要求，為多電池組儲能系統(tǒng)電池充放電提供了一個很好的解決方案。

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