儲能系統(tǒng)串聯(lián)升壓型部分功率均衡器及其控制

摘要：為了解決儲能系統(tǒng)并聯(lián)電池簇環(huán)流問題，提出一種串聯(lián)升壓型部分功率均衡器，通過引入部分功率變換技術(shù)優(yōu)化均衡器的傳輸效率與功率密度. 針對部分功率均衡器中2種不同功率流控制問題，提出一種基于占空比控制的功率流控制方法，并詳細(xì)分析在所提出控制方法下均衡器的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對基礎(chǔ)功率流和調(diào)節(jié)功率流的有效控制和雙向流動；針對由電池簇不一致性導(dǎo)致的系統(tǒng)性能退化，提出一種并聯(lián)電池簇功率均衡控制方法，抑制并聯(lián)電池簇之間的功率環(huán)流. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出部分功率均衡器及其控制方法的有效性.

關(guān)鍵詞：電池儲能系統(tǒng)；部分功率變換；功率均衡；一致性；直流變換器

中圖分類號：TM423 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

儲能系統(tǒng)能夠?yàn)橛尚履茉窗l(fā)電波動性和間歇性導(dǎo)致的電網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性下降問題提供有效解決方案［1-3］，電池儲能是目前最有前景的儲能技術(shù). 包含特定數(shù)量單體電池的電池簇是電池儲能系統(tǒng)的基本組成單元，需要在充/放電狀態(tài)間頻繁切換. 隨著運(yùn)行時間增長，并聯(lián)電池簇的一致性問題漸顯，受木桶效應(yīng)影響，并聯(lián)電池簇和儲能系統(tǒng)性能受限于性能較差的電池簇，儲能系統(tǒng)直流側(cè)電能管理能力面臨挑戰(zhàn)［4-6］，需要通過直流變換器實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電池簇之間的功率均衡控制，以緩解并聯(lián)電池簇不一致性導(dǎo)致的儲能系統(tǒng)性能退化.

為了提高直流變換器的效率和功率密度，學(xué)者們提出了部分功率變換技術(shù). 由于部分功率變換器特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，變換器中包含2 種不同的功率流［7］，其中主要的基礎(chǔ)功率通過直聯(lián)的形式傳輸，而少量的調(diào)節(jié)功率則通過變換器傳輸，相較于傳統(tǒng)的全功率變換器，部分功率變換器傳輸功率損耗顯著降低［8-10］. 事實(shí)上，由于并聯(lián)電池簇受到重點(diǎn)維護(hù)，由電池簇一致性問題引起的不均衡功率僅占全部功率的小部分，只需調(diào)節(jié)少量的不均衡功率即可實(shí)現(xiàn)均衡控制. 因此，部分功率處理技術(shù)具備提高系統(tǒng)效率和功率密度的優(yōu)點(diǎn)，非常適用于大功率儲能系統(tǒng)；但由于系統(tǒng)需要具備2種不同功率流的控制能力，其控制方法也更為復(fù)雜.

串聯(lián)部分功率變換器最早用于航天器光伏陣列升壓［11］，目前主要用于光伏發(fā)電［12-15］和電動汽車快速充電［16-19］. 在傳統(tǒng)的單向功率傳輸場景中，部分功率變換器通常采用移相全橋變換拓?fù)?，通過調(diào)節(jié)原邊開關(guān)器件占空比或移相角控制調(diào)節(jié)功率流，副邊的不控整流拓?fù)錇樵咇詈系恼{(diào)節(jié)功率流提供通路，并同時持續(xù)為直聯(lián)的基礎(chǔ)功率流提供通路，控制方法與全功率變換器相似［15-17］. 而儲能系統(tǒng)需要雙向功率傳輸能力，由于部分功率變換器包含2種不同的功率流，要求系統(tǒng)兼顧基礎(chǔ)功率流和調(diào)節(jié)功率流的控制和雙向流動. 文獻(xiàn)［20-21］將雙有源橋變換器應(yīng)用于部分功率變換器，并通過移相控制結(jié)合適當(dāng)?shù)闹C振電路以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù). 然而，在雙有源橋中，部分功率變換器2種功率流均會流經(jīng)移相控制為電路諧振提供的環(huán)流通路，加劇了雙有源橋的功率回流問題，導(dǎo)致變換器的部分功率變換特性退化甚至消失. 事實(shí)上，傳統(tǒng)的部分功率變換拓?fù)浼捌淇刂品椒▋H針對流經(jīng)變換器的調(diào)節(jié)功率流設(shè)計(jì)，難以兼顧變換器中2種不同功率流的控制，特別是在雙向功率傳輸場景中.

本文提出一種適用于儲能系統(tǒng)的串聯(lián)升壓型部分功率均衡器及控制方法. 為了優(yōu)化均衡器的部分功率變換特性，基于均衡器的工作原理設(shè)計(jì)了合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和系統(tǒng)參數(shù)；針對部分功率變換器中復(fù)雜的功率流，提出了一種基于占空比控制的功率流控制方法，并詳細(xì)闡述了充/放電模式下系統(tǒng)的工作狀態(tài)；針對并聯(lián)電池簇不一致性引起的系統(tǒng)性能退化，提出了一種功率均衡策略. 通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提均衡器及其控制方法對于儲能系統(tǒng)功率流控制和并聯(lián)電池簇功率均衡的有效性.