數(shù)字式通用型電池模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

謝俊文，陸繼明，毛承雄，王 丹

（華中科技大學(xué) 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

0 引言

近年來，隨著石油資源日益匱乏和環(huán)境問題日趨嚴(yán)峻，可再生能源發(fā)電技術(shù)得到了極大的發(fā)展。但是，可再生能源（如風(fēng)能、太陽能等）本身固有的間歇隨機(jī)和不可控的特點(diǎn)，決定了可再生能源發(fā)出的電力難以與電網(wǎng)的電力需求相平衡。目前，加快開發(fā)和推廣大容量儲(chǔ)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開發(fā)利用可再生能源的重要措施。在電力系統(tǒng)中配置大容量儲(chǔ)能電池，有利于平抑功率波動(dòng)、改善電網(wǎng)的穩(wěn)定性、提高供電質(zhì)量、發(fā)揮電力調(diào)峰作用等[1-4]。根據(jù)當(dāng)前研究情況，適用于電力系統(tǒng)的儲(chǔ)能技術(shù)有電化學(xué)儲(chǔ)能電池（燃料、液流、鈉硫、鋰電池等）、超級電容器、光伏電池等，種類繁多，各種電池都有各自的優(yōu)勢，并且新型儲(chǔ)能電池不斷涌現(xiàn)出來[5]。

然而在很多電力系統(tǒng)應(yīng)用場合，往往并不關(guān)心儲(chǔ)能體內(nèi)部機(jī)理及化學(xué)反應(yīng)，只關(guān)心其外特性，因而出現(xiàn)了各種電池模擬器。電池模擬器是一種專門用于模擬電池原型真實(shí)外特性的裝置，具有成本低、安全可靠、參數(shù)變更靈活等特點(diǎn)。目前已經(jīng)研制出光伏電池、燃料電池、鉛酸蓄電池模擬器等。從研究成果來看，存在模擬式和數(shù)字式2種類型的電池模擬器。其中數(shù)字式電池模擬器結(jié)合了電力電子技術(shù)和實(shí)時(shí)控制技術(shù)，具有功能強(qiáng)、功率大、容量大等特點(diǎn)，是模擬器的發(fā)展方向。文獻(xiàn)[6]提出一種燃料電池模擬器的設(shè)計(jì)方案，文獻(xiàn)[7-12]均研究了光伏電池模擬器的設(shè)計(jì)方案。

已有的電池模擬器大部分是以不控整流器+Buck變換器或者直流穩(wěn)壓電源+Buck變換器作為模擬器的主拓?fù)鋄6-12]。這些模擬器存在以下幾個(gè)問題：模擬對象單一，只能模擬一種特定的電池，如光伏電池模擬器只能模擬光伏電池外特性，無法模擬其他種類的電池；拓?fù)浯嬖诓蛔?，在不控整流?Buck變換器的拓?fù)湎履芰恐荒軉蜗蛄鲃?dòng)，無法雙向流動(dòng)，只能模擬電池放電工況，故無法模擬可充可放電池；電池種類過少，缺乏新型電池（如液流電池、鋰電池和鈉硫電池等）的模擬器，給新型大規(guī)模儲(chǔ)能電池的研究帶來困難。同時(shí)，如果使用新型電池原型進(jìn)行研究和試驗(yàn)，會(huì)帶來成本高、參數(shù)變更不靈活、存在損壞電池的危險(xiǎn)等問題，因此很有必要研究一種通用的電池模擬器。

本文提出一種基于新拓?fù)涞拇蠊β蚀笕萘客ㄓ眯碗姵啬M器的設(shè)計(jì)方案，該電池模擬器的提出可以有效解決上述幾點(diǎn)不足，可模擬鉛酸蓄電池、鋰電池、燃料電池、液流電池、光伏電池等多種新型電池外特性。隨后本文具體給出了模擬器的軟、硬件設(shè)計(jì)方案、模擬算法和控制算法等，最后仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

1 模擬器硬件設(shè)計(jì)

1.1 模擬器工作原理

電池模擬器的實(shí)質(zhì)為一輸出電壓受控的直流穩(wěn)壓電源，其輸出電壓動(dòng)態(tài)變化，且變化規(guī)律與所要模擬的電池外特性一致。在本文中，要實(shí)現(xiàn)模擬電池原型的功能，此模擬器應(yīng)該具有極高的模擬精度和較小的控制誤差，否則將失去取代電池原型的意義；其次其在階躍、充／放電轉(zhuǎn)換等暫態(tài)過程中應(yīng)該具有快速響應(yīng)能力，并且重新穩(wěn)定和收斂于新的工作點(diǎn)。綜合上述要求本文選取三相電壓型PWM變換器（VSC）作為電池模擬器的主拓?fù)洹SC有2個(gè)最顯著的拓?fù)涮卣鱗13]：一是四象限運(yùn)行，能量可以雙向流動(dòng)；二是直流側(cè)采用電容進(jìn)行直流儲(chǔ)能，從而使VSC直流側(cè)呈低阻抗的電壓源特性。因此VSC相當(dāng)于一個(gè)受控電壓源，可以通過對功率開關(guān)器件的開斷控制使其按一定的特性輸出所需電壓。如果能夠獲得電池準(zhǔn)確的外特性數(shù)據(jù)，并且采取適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，則最終可以達(dá)到良好的模擬效果，最大限度地模擬電池原型。

該通用型電池模擬器具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：模擬對象多樣化，可以任意設(shè)定不同種類電池的不同外特性并進(jìn)行模擬，基本能夠模擬大部分電池；應(yīng)用電力電子技術(shù)，可使模擬器的功率和容量很大，滿足對大規(guī)模大功率儲(chǔ)能電池的研究需求；采用調(diào)壓器+VSC的電路結(jié)構(gòu)，能量可以雙向流動(dòng)，電壓輸出范圍廣，既可模擬充電也可模擬放電工況（當(dāng)模擬器模擬充電工況時(shí)，裝置處于逆變狀態(tài)，能量從直流側(cè)流向交流側(cè)；當(dāng)模擬放電工況時(shí)，裝置處于整流狀態(tài)，能量從交流側(cè)流向直流側(cè)）；裝置簡單可靠，使用范圍廣，信號(hào)處理能力強(qiáng)，模擬精度高，參數(shù)更改靈活，具有很高的實(shí)用性和工程應(yīng)用價(jià)值。

1.2 總體設(shè)計(jì)

圖1給出了通用型電池模擬器的總體設(shè)計(jì)方案圖。圖中端點(diǎn)P和N為模擬器的最終輸出接口，分別模擬電池的陽極和陰極。A、B、C連接到市電380 V，從而可以模擬大容量儲(chǔ)能電池，方便實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的連續(xù)模擬試驗(yàn)。根據(jù)各組成部分功能的不同，該設(shè)計(jì)電路可分為調(diào)壓器、隔離變壓器、交流接觸器、功率電路VSC及其驅(qū)動(dòng)電路、電壓／電流傳感器、測量／保護(hù)電路、DSP控制器、操作／顯示面板和上位機(jī)等幾個(gè)部分。

調(diào)壓器TU的作用是調(diào)節(jié)VSC的輸入電壓，由于VSC是升壓型整流電路，其輸出直流電壓可以從交流電壓峰值附近調(diào)高，如要調(diào)低就會(huì)使電路性能惡化[11]，故TU主要用于保持VSC的直流輸出電壓Udc與交流輸入電壓Uac的比例關(guān)系，同時(shí)拓寬直流電壓的模擬范圍。隔離變壓器TM用于隔離模擬器和電網(wǎng)，以保證設(shè)備和人身安全。交流接觸器KM用于控制裝置的啟停和并網(wǎng)，可通過控制器實(shí)施合閘、跳閘的操作。交流和直流側(cè)均設(shè)置有快速熔斷器FUSE，用于在發(fā)生短路故障時(shí)切斷回路，保護(hù)裝置安全。測量／保護(hù)電路將電壓、電流傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、濾波后變成AD芯片能夠處理的模擬信號(hào)，AD芯片對此模擬信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)后送到DSP控制器進(jìn)行處理，同時(shí)該電路具備過壓過流保護(hù)和閉鎖脈沖功能?？刂破鞯腃PU選擇TI公司的TMS320F28335芯片，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，滿足模擬器的各種復(fù)雜運(yùn)算與數(shù)據(jù)處理要求。操作／顯示面板集成按鍵、顯示和指示燈單元，用于實(shí)現(xiàn)參數(shù)管理、設(shè)置和查詢。上位機(jī)處理軟件為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、繪制、錄波等后期處理工作提供工具。本文主要介紹VSC的設(shè)計(jì)方法。

1.3 VSC設(shè)計(jì)

VSC是電池模擬器的核心部分，如圖2所示。拓?fù)渲杏?個(gè)IGBT功率開關(guān)管、3個(gè)交流濾波電容Cac、3個(gè)直流電解電容Cdc和3個(gè)交流濾波電感L。圖中，Uac為交流輸入電壓，Udc為直流輸出電壓，Idc為直流側(cè)輸出電流。3個(gè)星形連接在交流側(cè)的交流濾波電容Cac主要用于在VSC工作在并網(wǎng)逆變狀態(tài)時(shí)濾除諧波，減少對電網(wǎng)的污染。

L為交流濾波電感，主要用以濾除網(wǎng)側(cè)電流諧波，設(shè)計(jì)原則主要有[13-15]：隔離電網(wǎng)電動(dòng)勢與VSC交流側(cè)電壓；電感上的壓降盡可能小，一般不大于交流電壓的30%；在1個(gè)開關(guān)周期內(nèi)交流電流的最大超調(diào)量盡可能小，一般應(yīng)小于交流額定電流的10%；交流電流諧波失真（THD）盡可能小，本文中THD上限為交流側(cè)額定電流的5%。L的實(shí)際取值應(yīng)適當(dāng)滿足上述條件的交集。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案Fig.1 Overall design scheme

圖2 VSC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 VSC topology

直流電解電容Cdc的主要作用是緩沖VSC交流側(cè)與直流負(fù)載間的能量交換，穩(wěn)定VSC直流側(cè)電壓，同時(shí)抑制直流側(cè)諧波電壓。設(shè)計(jì)時(shí)電容應(yīng)該盡可能大，以使直流電壓穩(wěn)態(tài)性能好、電壓電流紋波??；同時(shí)又不能過大，否則影響直流電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。文獻(xiàn)[15]以電容電壓波動(dòng)為出發(fā)點(diǎn)提出了一種設(shè)計(jì)方法，在本文中Cdc的取值將略小于理論計(jì)算值，保證模擬器在突加、突甩負(fù)載時(shí)仍然具有較快的階躍響應(yīng)速度。

上文從理論上分析了VSC的設(shè)計(jì)原理。但是在本文的應(yīng)用中，模擬的電池參數(shù)可任意整定，即Udc的變化范圍從幾十伏特到幾百伏特不等，Idc的變化范圍從幾安培到幾十安培不等，根據(jù)上述原則計(jì)算的L、Cdc取值在各種工況下也各不相同。為了體現(xiàn)模擬器的通用性，電感設(shè)計(jì)為帶多個(gè)抽頭形式，同時(shí)多個(gè)電容分別與切換片連接后并聯(lián)于直流側(cè)。將電感和電容設(shè)計(jì)成可調(diào)形式，可以方便在實(shí)際調(diào)試過程中進(jìn)行選擇和優(yōu)化，確保得到一個(gè)實(shí)現(xiàn)效果最優(yōu)的取值。L的最終取值為6 mH，并且有3個(gè)中間抽頭（1 mH、3 mH和5 mH）；3個(gè)直流電解電容Cdc的取值分別為1000 μF、2200 μF 和 4700 μF；交流濾波電容 Cac根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值為4.7 μF。IGBT單元采用富士公司的智能功率模塊（IPM），最大耐壓和耐流分別可達(dá)1200 V和300 A，滿足大功率大容量的需求，與其配套的驅(qū)動(dòng)電路采用光耦芯片HCPL4504進(jìn)行光電隔離。

2 模擬器軟件設(shè)計(jì)

2.1 模擬算法

基于數(shù)字式的模擬器，模擬算法主要有查表法和折線法[9]。查表法利用查表、插值的方法來獲得外特性，精度比較高但是數(shù)據(jù)量過大，擴(kuò)展性差，尤其不適用于本文所針對的通用型電池模擬器。折線法利用分段折線來擬合非線性曲線，計(jì)算簡單但是模擬精度低，且不同電池的擬合結(jié)果難以統(tǒng)一。因而上述2種方法都具有局限性，難以推廣到通用型電池模擬器的應(yīng)用場合。本文提出一種模型法，該方法基于3階電池動(dòng)態(tài)模型，適用于多種電池的建模[16-17]。傳統(tǒng)電池模型為一個(gè)理想電壓源與一個(gè)電阻串聯(lián)，只適用于線性模擬場合，相比于傳統(tǒng)模型，3階電池動(dòng)態(tài)模型具有更高的精度和更廣的通用性。圖3所示為本文采用的非線性3階電池動(dòng)態(tài)模型。

圖3 3階電池動(dòng)態(tài)模型Fig.3 3-order dynamic model of battery

圖3中，Ubat為電池電壓，Ibat為電池電流；SOC為荷電狀態(tài)，T為電池溫度；s為拉普拉斯算子，反映阻容特性。該模型的特點(diǎn)是將等效電路分為主反應(yīng)支路、寄生支路和固定損耗R0。主反應(yīng)支路包括電壓源Em和RC網(wǎng)絡(luò)Zm；寄生支路包括電壓源Ep、RC網(wǎng)絡(luò)Zp和二極管VD。電壓源的取值與溫度T和SOC相關(guān)，RC網(wǎng)絡(luò)的阻容特性取決于拉普拉斯算子s、溫度T和SOC，故此模型為高度非線性模型。事實(shí)證明，3階電池動(dòng)態(tài)模型考慮了電池電壓、電流和荷電狀態(tài)三者的動(dòng)態(tài)關(guān)系，具有極高的精度，其建模結(jié)果與實(shí)際電池充放電特性吻合程度高，非常適合用于工程應(yīng)用場合。

將3階電池動(dòng)態(tài)模擬器的理論研究成果應(yīng)用于通用型電池模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵在于模型中參數(shù)的確定方法。模型參數(shù)的確定主要有2個(gè)途徑：一是通過已有的文獻(xiàn)，不少關(guān)于電池的研究文獻(xiàn)以及報(bào)告均采用3階動(dòng)態(tài)模型對電池進(jìn)行建模，同時(shí)也提供了3階動(dòng)態(tài)模型的參數(shù)和數(shù)據(jù)；二是通過已有的電池特性數(shù)據(jù)推導(dǎo)出模型中的參數(shù)值，即非線性函數(shù)擬合過程。本文采用模型法作為模擬算法，控制器根據(jù)3階電池動(dòng)態(tài)模型中的參數(shù)，計(jì)算得到所需模擬的電池外特性方程；在工作過程中根據(jù)模擬器外部工況，推算出電池穩(wěn)定工作點(diǎn)，得到直流電壓給定值，并且通過電力電子技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)使得VSC輸出所需的工作點(diǎn)電壓。

2.2 控制策略

實(shí)現(xiàn)電池模擬器關(guān)鍵在于直流電壓的精確控制，既要保證直流電壓Udc對直流電壓給定值Uref的響應(yīng)跟蹤速度，也要兼顧直流電壓穩(wěn)定時(shí)的靜態(tài)誤差和紋波。為達(dá)到上述要求，本文采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)PI控制策略[13]。電壓外環(huán)的作用主要是控制VSC直流側(cè)電壓，而電流內(nèi)環(huán)的作用主要是按電壓外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行電流控制，如實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)正弦波電流控制?？刂瓶驁D如圖4所示。

圖4 雙閉環(huán)控制策略示意圖Fig.4 Schematic diagram of double-loop control strategy

在電壓外環(huán)，Udc與Uref相比較，產(chǎn)生的誤差信號(hào)e作為外環(huán)PI控制器的輸入，輸出為內(nèi)環(huán)電流的有功分量指令值i*d，無功分量指令值i*q則設(shè)置為0，即保持電池模擬器工作在單位功率因數(shù)狀態(tài)。在電流內(nèi)環(huán)，利用狀態(tài)反饋解耦控制對有功（d軸）和無功（q軸）進(jìn)行前饋解耦，三相交流電流解耦為id和iq，（q軸）進(jìn)行前饋解耦，三相交流電流解耦為id和iq，三相交流電壓解耦為ud和uq，有利于控制器的設(shè)計(jì)。給定值i*d、i*q與解耦得到的 id、iq比較后將偏差 e*輸入到內(nèi)環(huán)PI控制器，其輸出取反后分別加上前饋量ud、iqωL和前饋量uq、idωL，結(jié)果經(jīng)過反變換后便可得到所需的正弦調(diào)制波，調(diào)制波與三角載波相比較就可以得到SPWM脈沖信號(hào)。此外，鎖相環(huán)（PLL）由同步信號(hào)電路構(gòu)成，通過檢測電網(wǎng)頻率，實(shí)時(shí)調(diào)整載波周期，保證調(diào)制波的頻率動(dòng)態(tài)跟蹤電網(wǎng)頻率微調(diào)。由于PI調(diào)節(jié)器能夠?qū)崿F(xiàn)無靜差，所以可以保證Udc與Uref之間的偏差幾乎為0；同時(shí)由于引入了電流閉環(huán)控制，直接對電流進(jìn)行控制，保證電池模擬器直流側(cè)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，采用此控制策略可充分保證Udc對Uref的逼近與跟蹤。內(nèi)環(huán)和外環(huán)PI控制參數(shù)可按文獻(xiàn)[13]介紹的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3 軟件流程設(shè)計(jì)

模擬器工作時(shí)輸入端直接與市電380 V相連，輸出端P和N之間可根據(jù)需要接入負(fù)載（電阻、充電器或者變流器等）。電池模擬器的實(shí)現(xiàn)需要首先設(shè)置兩部分參數(shù)：一是3階電池動(dòng)態(tài)模型的參數(shù)，即圖3模型中的 Em、Zm、Ep、Zp和 R0；二是設(shè)置電池工作參數(shù)，包括串聯(lián)級數(shù)、溫度T、容量、初始SOC等。此外對于不同的電池工作參數(shù)也不同，如模擬光伏電池還需設(shè)置光照強(qiáng)度信息等。

具體的程序設(shè)計(jì)可按圖5所示的流程圖進(jìn)行編寫，主程序采用無限循環(huán)體結(jié)構(gòu)，測控循環(huán)周期由定時(shí)中斷來精確控制。同時(shí)采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)，主程序由完成特定功能的子程序組合而成。中斷子程序有定時(shí)中斷、CAP中斷、PWM中斷，分別用于控制程序循環(huán)周期、測頻和產(chǎn)生SPWM脈沖信號(hào)。在一個(gè)測控循環(huán)中，程序先后完成了如下操作：根據(jù)電池信息和電池電流計(jì)算Uref；將偏差e輸入到雙環(huán)控制器；經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后，控制器輸出控制信號(hào)；根據(jù)相應(yīng)的控制信號(hào)產(chǎn)生SPWM脈沖信號(hào)；更新電池狀態(tài)參數(shù)（如SOC、溫度、光照等）；檢測模擬器的異常工作情況及報(bào)警；最后和上位機(jī)通過RS-232進(jìn)行通信。

圖5 軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.5 Flowchart of software design

3 模擬器仿真和實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真和實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖6 電池模擬器實(shí)驗(yàn)接線Fig.6 Experimental wiring of battery simulator

搭建電池模擬器實(shí)驗(yàn)柜，為了全面驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，分別對鉛酸蓄電池、鋰電池和液流電池的充／放電外特性進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)接線如圖6所示，電路參數(shù)的選擇如下：調(diào)壓器和隔離變壓器的變比分別為 380∶30 和 1∶1；交流側(cè)電感 L=1 mH，交流側(cè)濾波電容 Cac=4.7 μF，直流側(cè)電容 Cdc=2200 μF，IGBT開關(guān)模塊的開關(guān)頻率為5 kHz；充電電阻R1=2 Ω，額定功率為500 W；放電電阻 R2=6 Ω，額定功率為2 kW。同時(shí)利用上位機(jī)軟件對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄和繪圖。一般電池的正常SOC工作區(qū)間為5%～95%，為防止電池的過充和深放，在越限的情況下裝置會(huì)自動(dòng)報(bào)警并對Uref進(jìn)行限幅處理。

此外，還在MATLAB／Simulink仿真軟件中，按照電池模擬器的主電路拓?fù)浜涂刂撇呗源罱ǚ抡婺Ｐ瓦M(jìn)行仿真[18]，仿真參數(shù)和控制參數(shù)的設(shè)置與實(shí)驗(yàn)基本一致。

3.2 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

鉛酸蓄電池采用文獻(xiàn)[19]介紹的等效電路模型，本文模擬5節(jié)12 V鉛酸蓄電池串聯(lián)的工作外特性，電池容量設(shè)置為41.67 W·h，初始SOC設(shè)置為50%，并且調(diào)節(jié)圖6中的調(diào)壓器使得不控整流模塊的輸出直流電壓為90 V左右。在實(shí)驗(yàn)過程中，首先閉合S2、斷開S1，裝置處于空載狀態(tài)；接著將S1閉合，不控整流模塊對裝置進(jìn)行充電，此時(shí)模擬電池充電工況，裝置處于逆變狀態(tài)；SOC從50%上升到接近上限95%時(shí)，斷開S2，模擬電池放電工況直至SOC放電至下限5%。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。圖7（a）中，Uref為直流電壓參考值，Udc為實(shí)驗(yàn)波形，Ubat為仿真波形；圖 7（b）中，Idc為實(shí)驗(yàn)波形，Ibat為仿真波形；圖 7（c）中，SOC1為實(shí)驗(yàn)波形，SOC2為仿真波形；后同。

圖7 鉛酸蓄電池充／放電外特性仿真和實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 Simulative and experimental waveforms of charge／discharge exterior characteristics for lead-acid battery

從圖7可看出，仿真波形和實(shí)驗(yàn)波形基本吻合。0～40 s時(shí)間內(nèi)，電池為空載，Uref為恒值，SOC保持為50%；在40 s時(shí)，模擬器突加充電電流，Uref瞬間發(fā)生階躍變化；40～330 s時(shí)間內(nèi)，模擬器處于充電工況，即工作在逆變狀態(tài)，SOC從50%上升到94%，Uref、Udc也逐漸上升，符合電池的實(shí)際情況；在330 s時(shí)，直流側(cè)從電源負(fù)載切換為電阻負(fù)載，Uref再次發(fā)生階躍變化；330～560 s時(shí)間內(nèi)，模擬器處于放電工況，即工作在整流狀態(tài)，SOC從94%下降到下限5%，Uref、Udc也逐漸下降。此后模擬器發(fā)出越限報(bào)警信號(hào)，并且SOC和Uref均被限幅。值得注意的是，在330 s時(shí)，電池從充電狀態(tài)切換到放電狀態(tài)，裝置也自動(dòng)從逆變狀態(tài)迅速切換到整流狀態(tài)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，滿足設(shè)計(jì)要求。

鋰電池采用文獻(xiàn)[20]介紹的等效電路模型，本文模擬14個(gè)鋰電池單體串聯(lián)的工作外特性，電池容量設(shè)置為33.33 W·h，初始SOC設(shè)置為50%，并且調(diào)節(jié)圖6中的調(diào)壓器使得不控整流模塊的輸出直流電壓為80 V左右。實(shí)驗(yàn)步驟與鉛酸蓄電池基本一致，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 鋰電池充／放電外特性仿真和實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 Simulative and experimental waveforms of charge／discharge exterior characteristics for lithium battery

從圖8可看出，仿真波形和實(shí)驗(yàn)波形基本吻合。0～40 s時(shí)間內(nèi)，電池為空載，Uref為恒值，SOC保持為50%；在40 s時(shí)，模擬器突加充電電流，Uref瞬間發(fā)生階躍變化；40～300 s時(shí)間內(nèi)，模擬器處于充電工況，SOC從50%上升到94%；在300 s時(shí)，直流側(cè)從電源負(fù)載切換為電阻負(fù)載，Uref再次發(fā)生階躍變化；300～550 s時(shí)間內(nèi)，模擬器處于放電工況，SOC從94%下降到下限5%。此后模擬器越限報(bào)警，并且SOC和Uref均被限幅。在300 s時(shí)電池從充電狀態(tài)切換到放電狀態(tài)，裝置也從逆變狀態(tài)迅速切換到整流狀態(tài)。

液流電池采用文獻(xiàn)[20]介紹的等效電路模型，本文模擬串聯(lián)級數(shù)為39的液流電池的工作外特性，電池容量設(shè)置為33.33 W·h，初始SOC設(shè)置為50%，并且調(diào)節(jié)圖6中的調(diào)壓器使得不控整流模塊的輸出直流電壓為80 V左右。實(shí)驗(yàn)步驟與鉛酸蓄電池基本一致，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 液流電池充／放電外特性仿真和實(shí)驗(yàn)波形Fig.9 Simulative and experimental waveforms of charge／discharge exterior characteristics for Vanadium redox flow battery

從圖9可以看出，仿真波形和實(shí)驗(yàn)波形基本吻合。0～40 s時(shí)間內(nèi)，電池為空載，Uref為一恒值，SOC保持為50%；在40 s時(shí)，模擬器突加充電電流，Uref瞬間發(fā)生階躍變化；40～350 s時(shí)間內(nèi)，模擬器處于充電工況，SOC從50%上升到95%；在350 s時(shí)，直流側(cè)從電源負(fù)載切換為電阻負(fù)載，Uref再次發(fā)生階躍變化；350～585 s時(shí)間內(nèi)，模擬器處于放電工況，SOC從95%下降到下限5%。此后模擬器越限報(bào)警，并且SOC和Uref均被限幅。350 s時(shí)刻為狀態(tài)切換點(diǎn)。

3.3 結(jié)果分析

從圖7—9的波形可知，在分別模擬3種不同的電池的情況下，仿真波形和實(shí)驗(yàn)波形基本重合，但可看出有一些微小的偏差。存在微小偏差的原因主要是在仿真中電阻阻值和不控整流模塊的輸出是理想的，而在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中電阻受到溫度影響因而阻值有偏差，同時(shí)不控整流模塊的實(shí)際輸出和帶載能力都與仿真有區(qū)別。但是仿真和實(shí)驗(yàn)波形仍比較吻合，足以反映出電池模擬器設(shè)計(jì)的可行性。此外，衡量模擬器實(shí)現(xiàn)效果的一個(gè)重要指標(biāo)是直流電壓的模擬精度，圖 7（a）、8（a）和 9（a）反映出實(shí)驗(yàn)波形Udc、直流電壓給定值波形Uref和仿真波形Ubat高度重合，表明模擬器具有極高的模擬和逼近精度。

同時(shí)圖10分別記錄了3次實(shí)驗(yàn)下的電壓控制偏差e（e=Uref-Udc）波形。e越小控制效果越好，實(shí)際的U-I特性與所要模擬電池的U-I特性越接近。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，e的波動(dòng)范圍為在±0.2 V以內(nèi)，模擬精度約為 0.4%（即 0.2／50×100%），模擬精度高，同時(shí)電壓紋波小，控制效果理想。

圖11給出了在電池電壓給定值Uref發(fā)生階躍變化情況下的實(shí)際電壓Udc的動(dòng)態(tài)響應(yīng)示波器波形，由圖可知響應(yīng)時(shí)間控制在20 ms左右。該模擬器的設(shè)計(jì)基本滿足設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，直流電壓Udc對給定值Uref的跟蹤速度快、誤差小，能夠很好地模擬所設(shè)定的電池外特性。

圖10 電壓控制偏差e實(shí)驗(yàn)波形Fig.10 Experimental curves of e

圖11 電池模擬器動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形Fig.11 Dynamic response curve of battery simulator

4 結(jié)論

為了滿足電力系統(tǒng)試驗(yàn)與研究中對不同儲(chǔ)能電池的研究需要，本文設(shè)計(jì)了一種基于電力電子技術(shù)和DSP的大功率大容量數(shù)字式通用型電池模擬器，通過物理的方法來模擬和獲取電池外特性。該模擬器采用VSC作為主拓?fù)洌?階電池動(dòng)態(tài)模型為模擬算法生成電壓控制指令，通過電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制算法產(chǎn)生SPWM波，驅(qū)動(dòng)VSC輸出和跟蹤電壓參考值。對3種不同電池的外特性模擬仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性和效果的良好。該裝置簡單可靠，避免了使用電池原型帶來的不便和代價(jià)，能夠方便地模擬不同種類、不同參數(shù)的電池，并且可以擴(kuò)展到電動(dòng)汽車、智能電網(wǎng)等應(yīng)用領(lǐng)域。