120 kW電池儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向DC/DC變換器的研究

易映萍，徐建烽，肖 飛，梁 燕

（1.上海理工大學(xué)，上海 200093；2.許繼集團(tuán)，河南 許昌 461000）

我國(guó)負(fù)荷峰谷差大，系統(tǒng)裝機(jī)容量難以滿足峰值負(fù)荷的需求，隨機(jī)性、間歇性清潔能源的大規(guī)模開發(fā)將增加系統(tǒng)的調(diào)峰壓力。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間快、不受地形及地理位置的約束，尤其適應(yīng)于城市電網(wǎng)的削峰填谷，并可以應(yīng)對(duì)電網(wǎng)中斷或大面積停電等突發(fā)事件，同時(shí)還能夠消除風(fēng)電、光伏發(fā)電的波動(dòng)，改善電力質(zhì)量，降低離網(wǎng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行成本和碳排放，是智能電網(wǎng)建設(shè)重要組成部分[1]。

功率轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)（PCS）是電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的“大動(dòng)脈”，負(fù)責(zé)電池和電網(wǎng)之間的能量雙向傳送，其好壞對(duì)接入電網(wǎng)電壓的質(zhì)量和電池的壽命有很大影響。相對(duì)以大容量電壓源逆變器為核心的單級(jí)PCS，引入BDC可避免電池組間環(huán)流，實(shí)現(xiàn)多路電池組的獨(dú)立控制和電池電壓的寬范圍輸入，便于系統(tǒng)擴(kuò)容。本文以120 kW磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)其雙向DC/DC變換器拓?fù)浼翱刂撇呗浴?/p>

1 主電路結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1 PCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

PCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，3路40 kW電池組通過BDC接入公用直流母線，避免電池組間環(huán)流；系統(tǒng)通過大容量逆變器接入電網(wǎng)，并為電動(dòng)車充電站等本地負(fù)荷提供能量。通過控制BDC濾波電感電流即可實(shí)現(xiàn)電池的充、放電恒流控制：充電狀態(tài)時(shí)，逆變器整流運(yùn)行，為DC/DC提供前級(jí)恒壓源，電池從電網(wǎng)抽取有功電流對(duì)電池進(jìn)行恒流充電；放電狀態(tài)時(shí)，電池通過逆變器將能量釋放到電網(wǎng)。

由于受隔離型BDC的體積、性價(jià)比和復(fù)雜控制方法的限制，其功率等級(jí)不能適用于本儲(chǔ)能系統(tǒng)峰值功率變換，而非隔離Buck/Boost型BDC在可靠性、體積和質(zhì)量以及轉(zhuǎn)換效率、并聯(lián)性能等方面優(yōu)于隔離式BDC和其他非隔離BDC拓?fù)洌m用于大功率變換的場(chǎng)合[2]，且本文研究對(duì)象只要求電流雙象限運(yùn)行，故采用非隔離Buck/Boost型BDC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 非隔離Buck/Boost型BDC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

直流母線存在較大的寄生電感，逆變器直流濾波電容不能直接利用，加入濾波電容組C1以穩(wěn)定BDC輸出電壓，IGBT半橋模塊上下橋臂互補(bǔ)導(dǎo)通。儲(chǔ)能電感工作在CCM模式，通過控制電感電流決定功率流向。常規(guī)單輸入電感拓?fù)錈o法滿足大功率場(chǎng)合電流紋波要求，且電感值和成本過高，本文將LCL濾波電路引入BDC，得到了理想的濾波效果。充電時(shí)，BDC工作在Buck模式；放電時(shí)，其將電池端電壓抬升至直流母線額定值，工作在Boost模式。三組BDC拓?fù)浼翱刂平Y(jié)構(gòu)相同。

2 BDC控制系統(tǒng)

獨(dú)立PWM控制需要利用狀態(tài)切換邏輯單元來實(shí)現(xiàn)Boost和Buck狀態(tài)的切換，相對(duì)而言，采用互補(bǔ)PWM控制策略更為方便有效，容易數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。

DC/DC變換器的控制主要有電壓模式和電流模式兩種。峰值電流模式控制由于電感電流的峰值與平均值之間的比例和電路占空比有關(guān)，占空比變換時(shí)電感電流會(huì)跟著變換，不能用于電流精確控制的場(chǎng)合。平均電流模式中由于電流反饋網(wǎng)絡(luò)積分環(huán)節(jié)的存在，可以控制電感電流平均值跟蹤給定，從而精確控制輸出電流，并且可以通過調(diào)整PI參數(shù)消除電流模式控制系統(tǒng)存在的分頻震蕩現(xiàn)象[3]。

為確保儲(chǔ)能電池組的安全，延長(zhǎng)其壽命，充電采用二階段模式[4]，當(dāng)電池組恒流充電至額定電壓后，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)為恒壓模式充電，當(dāng)充電電流衰減到預(yù)定值時(shí)，充電結(jié)束；放電過程為恒流放電，電池電壓至欠壓保護(hù)值時(shí)，放電過程結(jié)束。單組控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 半橋式BDC控制系統(tǒng)框圖

電流傳感器置于BDC側(cè)，對(duì)主開關(guān)管進(jìn)行過流保護(hù)，電壓傳感器置于電容端，穩(wěn)定直流電壓。恒流階段采用平均電流模式控制，充放電給定電流Iref與單開關(guān)周期內(nèi)電感L檢測(cè)平均電流iL相比較，差值信號(hào)經(jīng)PI校正后送入PWM控制器，生成互補(bǔ)PWM信號(hào)，控制IGBT的通斷，使實(shí)際的充放電電流快速準(zhǔn)確地跟蹤給定值，從而達(dá)到恒流運(yùn)行的目的。恒壓模式采用雙閉環(huán)控制策略，當(dāng)電池電壓高于設(shè)定值時(shí)，恒流控制轉(zhuǎn)為恒壓控制，給定電壓Uref（其值等于電池組額定電壓）與電池端電壓Ub比較，誤差信號(hào)經(jīng)電壓外環(huán)PI校正輸出電流內(nèi)環(huán)指令信號(hào)，電流內(nèi)環(huán)快速響應(yīng)使系統(tǒng)具備限流能力。

3 仿真研究

為驗(yàn)證主電路及其控制策略的合理性，對(duì)本文設(shè)計(jì)的BDC及控制器進(jìn)行仿真研究。

在MATLAB/Simulink環(huán)境下，使用SimPowerSystem工具箱建立三組電池并聯(lián)的BDC仿真模型，如圖4所示。

圖4 三電池組并聯(lián)BDC仿真模型

三組模塊直流母線負(fù)極公用，電流信號(hào)和電池組電壓信號(hào)經(jīng)控制模塊control block生成IGBT控制信號(hào)。

設(shè)置主電路參數(shù)如下：直流母線電壓V1=500 V，直流等效電阻R s=2.1 Ω，開關(guān)頻率3 kHz，直流母線電容10 mF，變流器側(cè)電感L1=1 mH，電池側(cè)電感L2=0.5 mH，濾波電容C2=2 mF。電池參數(shù)：額定電壓400 V，額定容量7 Ah，額定放電電流100 A，其他默認(rèn)。仿真參數(shù)：采樣時(shí)間5×10－6s，仿真算法ode23tb。

(1)放電過程仿真

初始放電電流設(shè)定為50 A，0.5 s時(shí)刻階躍至100 A，單組放電電流波形如圖5（a）所示。電流測(cè)量模塊檢測(cè)電流以流向電池為正。電池電流響應(yīng)速度毫秒級(jí)，輸出紋波電流小于1%。

(2)充電過程仿真

恒流階段，初始充電電流設(shè)定為100 A，1 s時(shí)刻階躍降至50 A，單組充電電流波形如圖5（b）所示。電流測(cè)量模塊檢測(cè)電流以流向電池為正。電池電流響應(yīng)速度同樣為毫秒級(jí)，輸入電池紋波電流小于1%；穩(wěn)壓階段，0.5-1S電源電壓加入擾動(dòng)20 V，驗(yàn)證電壓環(huán)抗擾性能。從圖5（c）可見充電電壓幾乎不發(fā)生改變，電壓紋波小于1 V。

圖5 充放電單組電池仿真波形

由仿真結(jié)果可知，比之單電感濾波，LCL濾波器濾波效果有明顯改善，同時(shí)保證了電池電流的響應(yīng)速度。

4 結(jié)論

本文以120 kW磷酸鐵鋰儲(chǔ)能系統(tǒng)項(xiàng)目為例分析了PCS后級(jí)BDC電路結(jié)構(gòu)及工作原理，并對(duì)其控制策略進(jìn)行了介紹。階段式運(yùn)行模式為儲(chǔ)能電池組提供了安全、靈活、便捷的充放電解決方案。平均電流控制方法保證了充放電電流的準(zhǔn)確跟蹤，電壓外環(huán)則保證了充電第二階段的電壓穩(wěn)定，LCL濾波電路的引入有效解決了單電感拓?fù)渲须娏黜憫?yīng)速度和紋波大小的矛盾。通過MATLAB仿真證明其電路參數(shù)和控制策略的有效性和正確性，對(duì)大功率儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

[1]程時(shí)杰，文勁宇，孫海順，等.儲(chǔ)能技術(shù)及其在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣應(yīng)用，2005，24(4)：1-8,19.

[2]童亦斌，吳峂，金新民，等.雙向DC/DC變換器的拓?fù)溲芯縖J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(13)：82-86.

[3]張方華.雙向DC-DC變換器的研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2004.

[4]胡恒生，王慧，趙徐成，等.蓄電池充電方法的分析和探討[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2009，12(8)：1-4.