PEBB結構變流器在全釩液流電池中的應用

沈 璐 萬鸞飛

（蕪湖職業(yè)技術學院電氣工程學院 安徽蕪湖 241000）

PEBB結構變流器在全釩液流電池中的應用

沈 璐 萬鸞飛

（蕪湖職業(yè)技術學院電氣工程學院 安徽蕪湖 241000）

文章簡要介紹了變流器的相關背景、研制目的，設計基于三個模塊的全釩液流儲能變流器，克服了傳統(tǒng)變流器的一系列缺點。經(jīng)實驗證實，構建的儲能變流器在對全釩液流電池充放電時，能獲得較好的電流、電壓波形，也滿足電網(wǎng)諧波的要求，起到了平衡負荷作用。因此，變流器的系統(tǒng)測試結果滿足實際使用需求。

全釩液流電池；儲能；變流器；PEBB模塊

一、研究背景

當今社會，傳統(tǒng)的化石能源如石油、煤炭等將逐漸枯竭，而且此類能源造成的環(huán)境污染和地球溫室效應等問題顯得越來越突出，我們要想實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展，就必須解決環(huán)境保護和能源供給這二者之間的矛盾。清潔能源開發(fā)是克服矛盾的必由之路[1]。電能是人類掌握的比較成熟的可再生清潔能源，但儲能技術很大程度上限制了電能的廣泛應用。如能取得儲能技術的突破性進展可以極大地拓展電能的應用范圍（如電能汽車等），還可以有效緩解用電高峰期和低谷期的矛盾、提高供電的安全性和穩(wěn)定性。

目前我們廣泛使用電池作為儲存電能的載體，但傳統(tǒng)電池存在存儲能量低、污染嚴重等很多缺點。全釩液流電池作為一種新型儲能裝置，具有使用壽命長、循環(huán)效率高、支持快速和深度（（DOD〉80%）充放電等優(yōu)點[2]，非常適合應用于需要大規(guī)模電能儲存的場合，如，風力發(fā)電蓄電、光伏發(fā)電蓄電、電網(wǎng)高峰期的調(diào)節(jié)、分布電站、軍用領域蓄電、交通領域、通訊基站和UPS電源等廣闊領域[3]。

直流儲能設備和交流電網(wǎng)之間的能量轉換必須要使用電池儲能電流變換器，它最主要的功能是作為直流儲能設備的充電器和放電器[4]，完成這兩種功能所需控制的目標分別為電池陣列的充電電流和等效負載側電壓。本研究所設計的雙向變換器具備雙端分時穩(wěn)壓功能，而充放電時開關狀態(tài)及控制模型不同，所以分別設計控制器。

二、電池儲能系統(tǒng)變流器工作原理

電池儲能系統(tǒng)變流器(PCS)可以完成直流電與交流電之間的能量轉換。圖1給出了PCS的基本原理框圖,電壓源變流器是PCS的核心器件，儲能電池在變流器的左側，交流電網(wǎng)在變流器的右側，中間輔之以合適的阻抗R和感抗L構成整個系統(tǒng)[5]。

圖1 變流器的基本原理框圖

現(xiàn)階段應用的變流器一般采用集中式控制，能量只能單向流動，也就是說對儲能電池充電和電能回饋電網(wǎng)這兩種過程各自需要單獨的設備。由于變流器系統(tǒng)本身結構復雜，集中式控制的缺點就變得很突出，如，電路結構設計難度大，工作可靠性差和使用時可配置性差等。而且為確保時效性，上述兩種過程切換時需要用到昂貴的靜態(tài)開關，提高了系統(tǒng)的成本[6]。本研究將PEBB（power electronic buildingblock）模塊應用到變流器中，針對上述缺點進行改進，爭取從一定程度上提高變流器的性能指標

三、雙模式儲能變流器設計

（一）變流器設計。

圖2 系統(tǒng)拓撲結構圖

由圖中可以看出拓撲結構具有以下特點：雙向有源整流功能由三相電壓源整流器完成，Buck和Boost功能由雙向DC/DC的拓撲結構完成。全電路系統(tǒng)具備雙PWM控制功能，雙向有源整流部分主要由3個半橋PEBB模塊構成，交流濾波功能主要由外圍的電感和電容實現(xiàn)；3個半橋PEBB模塊還和外圍器件一起實現(xiàn)雙向的DC/DC功能，另外可以通過改變參數(shù)來選擇Buck或者Boost模式

按照儲能變流器150kW的功率進行計算[7]。

（1）電壓基值

（二）主電路設計。本研究采用賽米控的軟件[8]計算出B1、B2、B3模塊可以選用1200V/600A的IGBT模塊，同樣使用賽米控的軟件計算 B4模塊參數(shù)，結果顯示選擇1200V/2400A的模塊可以滿足設計的要求。

（三）交流側電感設計。

交流電抗器取0.2*pu值

其中L1:L2=1:5,則：

濾波電容?。?/p>

（四）直流母線電容值的選取。

（五）交流側電感設計。

交流電抗器取0.2*pu值

其中L1:L2=1:5,得到

（六）直流母線電容值的選取。

直流電容取3*pu值

（七）儲能電池側電感參數(shù)設計?？紤]Boost電路的效率，兩端的電壓值不要超過3倍[9]。直流母線電壓采用700V的工作電壓，則電池電壓工作范圍可以在340V-620V。電感L2工作在電流連續(xù)模式下，流過的最大電流和最小分別為：

考慮電流連續(xù)狀態(tài)，10%的紋波電流系數(shù)，3.2k開關頻率

直流電感取最大值1.2mH[10]。

全釩液流儲能變流器充放電的控制過程如下：母線上的電流為定時檢測的對象，并將檢測值與設定值進行比較，如小于設定值時，變流器控制電網(wǎng)向蓄電池充電；如大于設定值時，變流器控制蓄電池將儲備的電能回饋電網(wǎng)[11]。

三、全釩液流電池充放電實驗

變流器輸出的電壓和電流是否符合要求最終還是要通過實驗來驗證，綜合考慮本研究的適用范圍，將主要目標定為驗證變流器系統(tǒng)在全釩液流電池大電流充放電狀態(tài)下的動態(tài)響應能力。

（一）大電流充電實驗。考慮系統(tǒng)和實用的因素[12]，本系統(tǒng)對電池充電設定條件為：恒定電流100A，電壓截止條件為310V。變流器直流輸出端電流波形如圖3所示。

圖3 充電時電池端的充電電流波形

變流器交流端電流、電壓波形及諧波波形如圖4所示。

圖4 全釩液流電池充電諧波記錄

（二）大電流電網(wǎng)回饋實驗。同樣考慮系統(tǒng)和實用的因素，設定電流電網(wǎng)回饋實驗的實驗條件：放電電流為50A恒定電流，放電電壓截止條件為200V。在變流器直流端所測到的電流波形、網(wǎng)側電壓、網(wǎng)側電流波形如圖5所示。

圖5 電網(wǎng)回饋時實驗電流電壓波形

此時變流器交流端的電流、電壓波形及諧波如圖6所示。

圖 6電網(wǎng)回饋實驗諧波記錄

從圖5、6中可以得出結論，當蓄電池進行大電流電能回饋電網(wǎng)時，放電電流比較穩(wěn)定，但精度不是很高，網(wǎng)側電流電壓穩(wěn)定。雖然開始階段電壓和電流還存在較大的諧波，但隨著電流的增大，情況得到了好轉。綜合觀察整個電能回饋電網(wǎng)的過程運行穩(wěn)定，完全滿足實際需求。

結語

從以上實驗可以看出，引入標準化、通用性的PEBB模塊構建的儲能變流器適合大規(guī)模大電流的全釩液流電池，充放電時電池側和網(wǎng)側的電流、電壓均達到實際使用要求而且實現(xiàn)了平滑負荷功能。該變流器系統(tǒng)的充放電紋波電流小，具有很好的推廣價值。

[1]劉素琴,黃可龍,劉又年,等.儲能釩液流電池研發(fā)熱點及前景[J].電池，2005（5）.

[2]張文亮,丘明,來小康.儲能技術在電力系統(tǒng)中的應用[J].電網(wǎng)技術,2008，32(7).

[3]程時杰，文勁宇，孫海順.儲能技術及其在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的應用[J].電氣應用，2005，24(4).

[4]宋文濤.基于電力電子結構塊和USB技術的三相電壓源逆變器設計[D].浙江:浙江大學,2006.

[5]寧改娣，楊旭.新一代PEBB控制系統(tǒng)軟硬件結構[J].西安科技大學學報,2005，25(1).

[6]趙平,張華民,周漢濤,等.我國液流儲能電池研究概況[J].電池工業(yè)，2005（2）.

[7]彭聲謙,蔡世明,許國鎮(zhèn),等.釩電池充電過程中釩價態(tài)及其變化的現(xiàn)場分析[J].理化檢驗(化學分冊)，1998（7）.

[8]王彩虹.全釩氧化還原液流電池的研究[D].電子科技大學，2005.

[9]趙平，張華民，周漢濤,等.10-kW級全釩液流儲能電池組研制及性能[A].第二十七屆全國化學與物理電源學術年會論文集[C].2006.

[10]宋文濤,吳國忠,董新偉.基于電力電子結構塊和USB技術的三相電壓源逆變器設計[J].電源技術應用，2006，9(8).

[11]陳茂斌,李曉兵,張勝濤,等.釩氧化還原液流電池的充放電特性[J].電池，2008(2).

[12]Manitoba HVDC Center．PSCAD/EMTDC user’s guide Version 4.2.Winipeg，Canada：Manitoba HVDC Center，April, 2005．

[責任編輯 鄭麗娟]

The PEBB Technology Converter Be Applied in VRB

Shen Lu Wan Luanfei
（Wuhu Profession and Technology College,WuHu,Anhui 241000）

This paper briefly introduces the relevant background of the converter,the purpose of the design, the design of three modules based on the vanadium flow energy storage converter,to overcome the traditional converter a series of shortcomings.Experiments show that the built-in energy storage converter in the full vanadium flow battery charge and discharge,which can get a better current,voltage waveform,meet the requirements of harmonic harmonics,and play a balanced load.Therefore,the converter system test results meet the actual needs of the use.

VRB;energy storage;converter;PEBB

TM912

A

2095-0438（2017）05-0148-05

2016-12-28

沈璐（1978－），男，安徽蕪湖人，蕪湖職業(yè)技術學院電氣工程學院副教授，碩士，研究方向：應用電子，電氣技術。

安徽省質量工程項目（2015zy085）;蕪湖職業(yè)技術學院2016教學研究建設項目。