化學(xué)儲(chǔ)能功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的研究

吳國榮，李志強(qiáng)，王思耕，鹿懷驥

（北京華電天仁電力控制技術(shù)有限公司，北京 100039）

1 引言

當(dāng)前風(fēng)電、光伏等間歇式新能源的大規(guī)模并網(wǎng)給傳統(tǒng)的電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)帶來一定難度。采用儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑間歇式新能源功率波動(dòng)是解決上述問題的有效方法之一。研究表明，在風(fēng)電場(chǎng)側(cè)，集中配置一定比例的儲(chǔ)能單元，可有效平抑風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率的波動(dòng)，提供緊急暫態(tài)有功功率輸出和彌補(bǔ)風(fēng)功率預(yù)測(cè)的誤差，提高電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電等新能源的接納能力［1］。本文以國內(nèi)某儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)項(xiàng)目為背景，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)功率轉(zhuǎn)換單元開展深入研究，搭建了仿真平臺(tái)，并開發(fā)了一套1 MW級(jí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)變流器單元樣機(jī)。

2 原理與設(shè)計(jì)

2.1 PCS 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目經(jīng)過前期調(diào)研，能量轉(zhuǎn)換單元PCS采用圖1所示的DC－DC變換器與DC－AC逆變器雙級(jí)式主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。儲(chǔ)能電池直接接入前級(jí)直流側(cè)，前級(jí)直流側(cè)由18組雙向DC－DC變換器并聯(lián)升壓，后級(jí)由DC－AC網(wǎng)側(cè)全功率逆變器接入三相交流電網(wǎng)。18組雙向DC－DC分別接入18組鋰電池，避免了鋰電池整體并聯(lián)后的電池內(nèi)部環(huán)流問題。另外此種結(jié)構(gòu)，也方便電池管理單元對(duì)電池組長時(shí)間運(yùn)行后儲(chǔ)能電池SOC容量的離散性進(jìn)行差異化處理［1］。

圖1 1 MW儲(chǔ)能系統(tǒng)PCS原理結(jié)構(gòu)圖Fig.1 1 MW energy storage PCS topology

2.2 雙向DC－DC拓?fù)浼翱刂?/h3>

雙向DC－DC在分布式發(fā)電、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能系統(tǒng)和可再生能源發(fā)電領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景［2］。雙向DC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較多，為適合大功率等級(jí)，并考慮到系統(tǒng)可靠性和簡(jiǎn)潔性，采用非隔離型雙向BUCK/BOOST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。2

圖2 雙向BUCK/BOOST變換器拓?fù)銯ig.2 Bi-directional BUCK/BOOST converter topology

.2.1 雙向DC-DC電流閉環(huán)控制

對(duì)于DC-DC與DC-AC兩級(jí)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成的PCS結(jié)構(gòu)，需要總體考慮兩級(jí)變換器的協(xié)調(diào)控制策略［2］。對(duì)于并網(wǎng)型的PCS，由DC-AC并網(wǎng)逆變器控制穩(wěn)定的中間電容環(huán)節(jié)的直流母線電壓，雙向DC-DC采用電流環(huán)單環(huán)控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)有功功率的調(diào)度；對(duì)于離網(wǎng)型的PCS，適合于由雙向DC-DC控制穩(wěn)定的直流母線電壓，DC-AC變換器實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的調(diào)度。在采用PCS并網(wǎng)型控制策略時(shí)，DC-DC實(shí)現(xiàn)電流單環(huán)的閉環(huán)控制，如圖3所示。

圖3 雙向DC-DC的電流單閉環(huán)控制Fig.3 Single current closed loop control of bidirectional DC-DC converter

2.2.2 雙向DC-DC仿真模型

在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建如圖4所示的雙向DC-DC的仿真模型。

圖4 雙向DC-DC變換器的仿真模型Fig.4 Simulation model of bi-directional DC-DC converter

用于仿真中的雙向DC-DC變換器參數(shù)如下：額定功率80 kW；電池電壓768 V；電池規(guī)格180 A·h；額定電流（電池側(cè)）100 A；直流母線電壓850 V；直流側(cè)電感5 mH；電池側(cè)濾波電容50000μF。

仿真系統(tǒng)中設(shè)定的電池放電特性如圖5所示。

圖5 電池放電安時(shí)特性曲線Fig.5 Battery discharging amper-hour characteristic curves

下面是相應(yīng)的雙向DC-DC變換器電流單環(huán)控制的一些仿真結(jié)果。圖6中設(shè)定充電電流為50 A，直流電感電流為一脈動(dòng)的電流，紋波電流峰峰值16 A。

圖6 設(shè)定電流（50 A）和電感電流Fig.6 Setpoint current（50 A） and inductor current

仿真系統(tǒng)中電池側(cè)并有濾波電容，圖6中直流電感中含較大紋波的電流，經(jīng)過濾波電容后，得到圖7所示的脈動(dòng)較小的電池側(cè)電流，電池側(cè)電流平均值47 A，紋波電流峰峰值2 A。

圖7 電池充電電流（47 A）Fig.7 Battery charging current（47 A）

仿真中調(diào)整電池側(cè)濾波電容參數(shù)，設(shè)定其容量越大，電池電流所含紋波越小。

對(duì)于離網(wǎng)型的PCS，采用雙向DC-DC控制穩(wěn)定的直流母線電壓。在電流單閉環(huán)控制外，加入外環(huán)電壓環(huán)控制，即可實(shí)現(xiàn)雙向DC-DC維持直流母線電壓恒定。雙向DC-DC電壓、電流雙閉環(huán)控制模式如圖8所示。

圖8 雙向DC-DC的電壓、電流雙閉環(huán)控制Fig.8 Double voltage and current closed loop control of bi-directional DC-DC converter

圖9所示為雙向DC-DC電壓、電流雙閉環(huán)控制的仿真結(jié)果，設(shè)定直流母線電壓為850 V，電容初始電壓560 V，反饋直流母線電壓存在20 V的超調(diào)，啟動(dòng)時(shí)直流母線電壓迅速跟隨設(shè)定的電壓，穩(wěn)態(tài)基本無靜差。

圖9 雙向DC-DC變換器的直流母線電壓控制效果Fig.9 DC bus voltage control result of bidirectional DC-DC converter

2.3 三相DC-AC拓?fù)浼翱刂?/h3>

三相DC-AC并網(wǎng)逆變器，采用如圖10所示的經(jīng)典的三相半橋式結(jié)構(gòu)。

圖10 DC-AC并網(wǎng)逆變器拓?fù)銯ig.10 DC-AC grid connected invertertopology

2.3.1 三相DC-AC控制策略

采用如圖11所示的并網(wǎng)PCS控制策略，DCAC變換器控制恒定的直流母線電壓，同時(shí)設(shè)定無功功率為0的控制目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)較高的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。

圖11 DC-AC并網(wǎng)逆變器控制框圖Fig.11 DC-AC grid connected inverter control block diagram

2.3.2 三相DC-AC仿真模型

在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建如圖12所示的三相DC-AC并網(wǎng)逆變器的仿真模型。三相DC-AC并網(wǎng)逆變器參數(shù)如下：額定功率1 MW；網(wǎng)側(cè)交流線電壓380 V；網(wǎng)側(cè)電感0.1 mH；直流母線電壓850 V；負(fù)載722 kW。

以下為DC-AC并網(wǎng)逆變器的仿真結(jié)果，圖13設(shè)定直流母線電壓為850 V，初始時(shí)刻直流母線電容電壓560 V，反饋母線電壓在0.07 s內(nèi)上升至設(shè)定值，啟動(dòng)階段無超調(diào)，穩(wěn)態(tài)控制無靜差。

圖12 三相DC-AC變換器的仿真模型Fig.12 Simulation model of three phase DC-AC converter

圖14對(duì)應(yīng)于啟動(dòng)階段的網(wǎng)側(cè)三相電流波形，所接負(fù)載為722 kW，啟動(dòng)階段三相電流幅值抑制在2500 A以內(nèi)。

圖13 直流母線電壓控制效果Fig.13 DC-bus voltage control effect

圖14 三相電流波形Fig.14 Three phase current ware forms

3 實(shí)驗(yàn)

以搭建的雙向DC-DC和DC-AC并網(wǎng)逆變器仿真系統(tǒng)為依托，以PCS樣機(jī)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開展了大量的鋰電池充、放電和DC-AC并網(wǎng)逆變器實(shí)驗(yàn)研究，現(xiàn)將部分實(shí)驗(yàn)波形羅列如下。圖15a所示為電池充電電流波形，其中設(shè)定充電電流為50 A，實(shí)驗(yàn)測(cè)得充電電流51.2 A，電池側(cè)紋波1.37 A。

圖15b所示為電池放電電流波形，其中設(shè)定放電電流為50 A，實(shí)驗(yàn)測(cè)得放電電流51.2 A，電池側(cè)紋波0.3 A。

圖15 電池設(shè)定50 A時(shí)的充、放電電流Fig.15 50 A setpoint battery charging curren and discharging current

圖16中曲線1為設(shè)定的放電電流50 A，曲線2為反饋的電感電流，其紋波電流峰峰值30 A，曲線3為雙向DC-DC的上橋臂IGBT功率器件的導(dǎo)通、關(guān)斷信號(hào)，其開關(guān)周期3.79 kHz。

圖16 設(shè)定50 A放電電流時(shí)的電感電流Fig.16 Inductor current of 50 A setpoint battery discharging current

從以上實(shí)驗(yàn)波形可明顯看出，大部分高頻紋波電流經(jīng)電池側(cè)濾波電容濾除，電池電流較平滑，紋波較小，這點(diǎn)由仿真模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷玫搅讼嗤慕Y(jié)論。且在相同幅值的充、放電電流時(shí)，放電時(shí)刻電池電流紋波要小于充電時(shí)，這是由于放電時(shí)功率管開關(guān)頻率高造成的。

圖17是DC-AC并網(wǎng)逆變器的背靠背環(huán)流測(cè)試的電流波形，相電流有效值983 A，環(huán)流功率達(dá)680 kW。

圖17 DC-AC背靠背環(huán)流測(cè)試電流Fig.17 DC-AC back to back test current

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩級(jí)式PCS樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略，DC-AC并網(wǎng)逆變器維持恒定的直流母線電壓，并經(jīng)受68%大功率負(fù)荷運(yùn)行，雙向DC-DC實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的儲(chǔ)能電池充、放電，紋波電流控制在1%左右，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)核心的功率轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行了深入的仿真研究和實(shí)驗(yàn)研究，開發(fā)的樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了基于DC-DC和DC-AC兩級(jí)式PCS并網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略，完成了PCS的工廠級(jí)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。雙向DC-DC實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的化學(xué)儲(chǔ)能電池充、放電功能，同時(shí)DC-AC并網(wǎng)逆變器經(jīng)受了大功率負(fù)載運(yùn)行的考驗(yàn)，為下一步現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試提供了很好的基礎(chǔ)平臺(tái)。

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