磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)防環(huán)流技術(shù)研究

賈磊磊

摘 要：本文通過分析儲能系統(tǒng)電路拓撲結(jié)構(gòu)的特性、儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)的原理，介紹了項目實施中磷酸鐵鋰儲能系統(tǒng)電路拓撲結(jié)構(gòu)防環(huán)流的各種措施、技術(shù)特性及優(yōu)缺點比較。

關(guān)鍵詞：磷酸鐵鋰；電池儲能系統(tǒng)；環(huán)流；DC/DC電路

中圖分類號：TM464 文獻標識碼：A

0.引言

磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)在大規(guī)模成組使用中需要解決一致性差異引起的環(huán)流問題。環(huán)流是指在電池組內(nèi)部存在較大的環(huán)路電流。因為電池內(nèi)阻比較小，通常為毫歐級，電壓差異即使為幾伏，環(huán)路電流可達到幾百安甚至上千安。這種電流會對電池產(chǎn)生沖擊，影響電池系統(tǒng)的使用壽命，甚至可能引起嚴重的安全事故。因此，防環(huán)流技術(shù)成為大規(guī)模電池成組過程中需要重點解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

1.采取防環(huán)流技術(shù)原因

解決環(huán)流的根本方法是提高電池的一致性，但是因為材料、工藝等各種原因，不可能徹底解決一致性差異，因此需在其他方面采用相關(guān)的技術(shù)措施，降低一致性差異的影響。

通常在系統(tǒng)設(shè)計時考慮電池容量的選取和添加外部拓撲電路兩種方式。采用大容量電池，可以減少電池并聯(lián)的數(shù)量和電池總量，降低故障機率。電池組接入端的電路從環(huán)路中降低電流或者抑制電流，均是有效的解決方式。

電池組通常采用先并聯(lián)再串聯(lián)的方式，不但可以減少電池組的數(shù)量，而且可以減小環(huán)路電流，同時可以成倍的節(jié)省電池管理系統(tǒng)的數(shù)量，有利于成本的優(yōu)化。

2.增加預(yù)充電阻方式

電池組接入系統(tǒng)時可采用預(yù)充功率電阻的方式。在回路中并聯(lián)兩個直流預(yù)充電接觸器，將預(yù)充功率電阻和其中一個接觸器串聯(lián)，如圖1所示。當(dāng)此電池組退出維護后，會與其他電池組產(chǎn)生電壓差。先閉合預(yù)充接觸器，由于功率電阻的作用，可以有效降低其他電池組流入的電流，即環(huán)路電流。待此組與其他組電壓平衡后，再閉合主接觸器，并斷開預(yù)充接觸器切除功率電阻，即可達到電路平衡。

預(yù)充功率電阻方式存在以下不足：

第一，電池組接入后必須進行不同組之間的充放電，浪費了電池組的可用能量，不利于提高直流側(cè)的能量利用率。

第二，判斷電池組接入條件技術(shù)復(fù)雜，只有在電壓相差不多時接入，否則因電池簇本身的內(nèi)阻非常小（約0.5mΩ 左右），這就會導(dǎo)致兩個電池簇之間會產(chǎn)生難以控制的、很大的環(huán)流，對電池造成嚴重的危害，影響其壽命，因此電池組接入前必須將兩組電池盡可能調(diào)整一致。

第三，接觸器的控制邏輯復(fù)雜，兩個接觸器不能同時都工作，必須在預(yù)充接觸器閉合后，并經(jīng)過一段時間才能閉合另一接觸器；而且接觸器帶載動作會嚴重縮短其使用壽命。

3.AC＼DC與DC＼DC雙級模塊型PCS

如圖2所示為直接并聯(lián)儲能電池子系統(tǒng)示意圖。圖3所示為包含DC/DC 和DC/AC 環(huán)節(jié)的PCS拓撲結(jié)構(gòu)示意圖，這是一種雙級結(jié)構(gòu)的方案（DC/DC 變換器是第一級，雙向并網(wǎng)變流器是第二級），在很多場合（尤其是光伏發(fā)電系統(tǒng)）得到了應(yīng)用。利用雙向DC/DC 變流器的電壓調(diào)節(jié)作用，可以將特性差別很大的（發(fā)電）系統(tǒng)連接到同一直流母線上，并且能實現(xiàn)能量的雙向流動。

該種模式不足點為除了并網(wǎng)變流器的損耗外，DC/DC 環(huán)節(jié)也存在損耗，并且該損耗與并網(wǎng)變流器的損耗相當(dāng)。由于半導(dǎo)體器件的非線性，在相同的總負載電流條件下，該結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)將導(dǎo)致系統(tǒng)的總體效率降低。

蓄電池充電時，PWM變換器工作在整流狀態(tài)，將電網(wǎng)側(cè)交流電壓整流為直流電壓，該電壓經(jīng)雙向DC/DC 變換器降壓得到蓄電池充電電壓；

放電時，PWM 變換器工作在逆變狀態(tài)，雙向DC/DC 變換器升壓向逆變器提供直流側(cè)輸入側(cè)電壓，經(jīng)逆變器輸出合適的交流電壓。這種含DC/DC 和DC/AC 環(huán)節(jié)拓撲結(jié)構(gòu)的PCS的主要優(yōu)點是適應(yīng)性強，可實現(xiàn)對多串并聯(lián)的電池模塊的充放電管理；由于DC/DC 環(huán)節(jié)可實現(xiàn)直流電壓的升、降，使得蓄電池的容量配置更加靈活；適于風(fēng)電、光伏等波動性比較強的分布式電源的接入配合，抑制其直接并網(wǎng)可能帶來電壓波動。

4.AC/DC單級模塊型PCS

如圖4所示為僅含DC/AC 環(huán)節(jié)的PCS拓撲結(jié)構(gòu)，直接并網(wǎng)的電池儲能系統(tǒng)并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)中，PWM變換器的輸出部分接有升壓變壓器，以便其電壓與所并聯(lián)的交流網(wǎng)絡(luò)電壓相匹配，同時起到將電池儲能系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的電氣隔離作用。蓄電池系統(tǒng)充電時，PWM 變換器工作在整流器狀態(tài)，將系統(tǒng)側(cè)交流電轉(zhuǎn)換為直流電，將能量儲存在蓄電池中；放電時PWM 變換器工作在逆變器狀態(tài)，將蓄電池釋放的能量由直流轉(zhuǎn)換為交流回饋外部系統(tǒng)。

這種僅含DC/AC 環(huán)節(jié)的PCS 拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是適于電網(wǎng)中分布式獨立電源并網(wǎng)，結(jié)構(gòu)簡單，PCS環(huán)節(jié)能耗相對較低。

但該結(jié)構(gòu)的缺點是：

系統(tǒng)體積大、造價高；儲能系統(tǒng)的容量選擇缺乏靈活性；

電網(wǎng)側(cè)發(fā)生短路故障有可能在PCS直流側(cè)產(chǎn)生短時大電流，對電池系統(tǒng)產(chǎn)生較大沖擊；

多個AC/DC模塊同時工作時，會因同一時刻各個內(nèi)部PWM變換器在整流或逆變時的相序、瞬間電壓、頻率不同等因素造成各個模塊之間產(chǎn)生嚴重的共模電壓干擾問題，嚴重干擾直流端電壓穩(wěn)定性，對電池及BMS系統(tǒng)造成嚴重不良影響。

結(jié)論

（1）與電池組直接并聯(lián)的PCS 裝置的電池儲能系統(tǒng)相比，含DC/DC和DC/AC 環(huán)節(jié)雙級結(jié)構(gòu)的PCS 裝置的電池儲能系統(tǒng)，其電池組的配置更靈活，對電池的充放電管理更準確、可靠。

（2）降低DC/DC模塊的功率損耗將是以后能量變換裝置研發(fā)的一個重要目標。

（3）DC/DC拓撲結(jié)構(gòu)的特性及控制研究是MW級PCS 裝置研發(fā)的重要方向。

（4）改進AC/DC單級PCS功率模塊的抗干擾性能及提升控制策略，是以后單級式研發(fā)的重要方向。

參考文獻

[1]李戰(zhàn)鷹，胡玉峰，吳俊陽，等.大容量電池儲能系統(tǒng)PCS 拓撲結(jié)構(gòu)研究[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2010 ，4（5）：39-42.

[2]董亦斌，吳峂，金新民，等.等腰三角形雙向DC/DC 變換器的拓撲研究[J].中國電機工程學(xué)報，2007，27（13）：81，86.

[4]張方華，嚴仰光. 一族正反激組合式雙向DC-DC 變換器[J].中國電機工程學(xué)報，2004，24（5）：157-162.

[4]廖志凌，阮新波.獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)能量管理控制策略[J].中國電機工程學(xué)報，2009，29（21）：46，52.

[5]金一丁，宋強，劉文華.電池儲能系統(tǒng)的非線性控制器[J].電力系統(tǒng)自動化，2009，33（7）：75-80.

[6]王兆安，劉進軍.電力電子技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[7]郭新生，趙知辛，馮小龍，等.垂直軸螺旋型風(fēng)輪-光伏電池互補發(fā)電裝置[J].電網(wǎng)與清潔能源，2008，24（7）：49，51.