基于儲能電池的H橋功率模塊對拖試驗研究

郭志超 陳杰 張亞鵬 譚雯 董露 趙俊強

摘??要：主要研究基于儲能電池的H橋功率模塊對拖試驗相關內容。首先介紹了主回路和控制回路拓撲設計，每個H橋功率模塊直流側均并聯一個儲能電池。然后提出了整個試驗系統(tǒng)的保護協調配合及動作原則，主控制器負責總體保護及保護的協調配合，功率模塊、水冷系統(tǒng)、BMS負責各自保護。最后提出有功無功對拖控制策略及具體試驗流程，實現兩個功率模塊的有功和無功滿功率試驗。

關鍵詞：功率模塊??H橋??儲能電池??對拖試驗

中圖分類號：TM91

Research?on?the?Twin?Trawling?Test?of?H-Bridge?Power?Modules?Based?on?Energy?Storage?Batteries

GUO?Zhichao??CHEN?Jie??ZHANG?Yapeng??TAN?Wen??DONG?Lu

ZHAO?Junqiang

Beijing?Electric?Power?Automatic?Equipment?Co.，?Ltd.，?Beijing，?100044?China

Abstract：?This?article?mainly?studies?the?relevant?content?of?the?twin?trawling?test?of?H-bridge?power?modules?based?on?energy?storage?batteries.?Firstly，?it?introduces?the?topology?design?of?the?main?circuit?and?control?circuit，?with?an?energy?storage?battery?connected?in?parallel?on?the?DC?side?of?each?H-bridge?power?module.?Then，?it?proposes?the?coordination?and?action?principles?of?the??protection?of?the?entire?test?system：?the?main?controller?is?responsible?for?overall?protection?and?its?coordination，?and?the?power?module，?water?cooling?system?and?BMS?are?responsible?for?their?own?protection.?Finally，?it?proposes?control?strategies?for?the?twin?trawling?of?active?and?reactive?power?and?their?specific?test?processes?to?achieve?the?full?power?test?of?the?active?and?reactive?power?of?two?power?modules.

Key?Words：?Power?module;?H-bridge;?Energy?storage?battery;?Twin?trawling?test

直流配用電系統(tǒng)是指采用直流電源供電，并通過配電網絡將電能分配給各類負載的電力系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的交流配電系統(tǒng)相比，直流配電系統(tǒng)具有更高的電能傳輸效率、更簡單的系統(tǒng)結構和更靈活的電能調度能力，因此，在分布式能源、電動汽車充電站、數據中心、照明、軌道交通等領域得到了廣泛應用[1]。

H橋鏈式變換器具有高效、可靠、模塊化等優(yōu)點，廣泛應用于高壓電機驅動及大功率無功補償等領域[2，3]。在直流配用電系統(tǒng)中，H橋功率模塊作為關鍵的功率轉換與控制元件，發(fā)揮著至關重要的作用。H橋功率模塊可以將直流電源輸出的電能轉換為適合負載需求的電壓和電流，通過改變開關器件的通斷狀態(tài)和控制策略，滿足不同類型負載的用電需求，實現對電能的精確調度和控制[4，5]。

1??主回路和控制回路拓撲設計

1.1?主回路硬件拓撲設計

如圖1所示，主回路包括電池1、開環(huán)功率模塊、連接電感、閉環(huán)功率模塊、電池2。其中開環(huán)功率模塊與閉環(huán)功率模塊由主控制器通過光纖控制，主控制器向開環(huán)功率模塊與閉環(huán)功率模塊發(fā)送驅動信號和各項參數，開環(huán)功率模塊與閉環(huán)功率模塊向主控制器上傳各自的實際電容電壓、開關器件溫度、告警和故障等各種信息。開環(huán)功率模塊與閉環(huán)功率模塊的主回路與控制回路完全相同，僅通過光纖收到的驅動信號不同。

1.2?控制回路拓撲設計

控制回路拓撲結構如圖2所示，主控制器對外通信均采用光纖通信，實現電氣隔離，確保試驗人員操作主控制器時人身安全。主控制器、電池的BMS、水冷系統(tǒng)均采用AC220V供電，功率模塊就地控制器電源取自功率模塊直流側。

主控制器與功率模塊就地控制器采用自定義協議通信，數據采用曼徹斯特編碼，定時收發(fā)一幀信息。通信信息包括命令、狀態(tài)故障回報，主控制器下發(fā)給就地控制器的命令為閉鎖、復位、解鎖、IGBT開通關斷信號，就地控制器上傳給主控制器的信息為直流側電容電壓、就地控制器的狀態(tài)位。

主控制器與BMS通信采用CAN總線協議，BMS定時上傳給主控制器信息，定時時間根據上傳內容重要性不同而不同，越重要的數據上傳時間間隔越短，定時時間為100?ms、200?ms、500?ms、1?s、10?s不等。BMS定時上傳內容主要包括繼電器狀態(tài)、電池電壓、溫度、絕緣采集信息、充放電功率/電量、故障信息等。主控制器下發(fā)給BMS的命令包括絕緣采集、故障復位、累計充放電量清零、分合繼電器，上述命令均采用事件觸發(fā)方式。除命令外，主控制器定時下發(fā)給BMS心跳幀，用于BMS判斷通信是否正常。

2??保護協調配合及動作原則

2.1?功率模塊的就地控制器保護

功率模塊的就地控制器負責功率模塊本身的實時保護，保護分為告警、閉鎖兩個級別。告警僅通過光纖通信向主控制器發(fā)送信號，閉鎖則直接關斷功率模塊自身的4個IGBT。觸發(fā)告警的事件消失后，告警信號自動復歸。觸發(fā)閉鎖的事件消失后，閉鎖信號保持，需要主控制器發(fā)送復歸命令后才能復歸閉鎖信號。觸發(fā)告警的事件主要包括直流母線電壓輕微過壓、直流母線欠壓、同步信號丟失、板卡輸入電源輕微過壓、溫度繼電器過溫告警、窄/寬脈沖異常、開關頻率過低/過高、AD芯片異常等。觸發(fā)閉鎖的事件主要包括直流母線電壓嚴重過壓、主控制器通信異常、取能電源故障、板卡電源故障、溫度繼電器超溫等。

2.2??水冷系統(tǒng)保護

水冷系統(tǒng)與主控制器之間既有485通信，也有開關量。水冷系統(tǒng)通信內容級別為“告警”的作為告警信息在后臺顯示，級別為“閉鎖”的主控制器需執(zhí)行功率模塊閉鎖操作。水冷控制系統(tǒng)送至主控制器的閉鎖、報警及系統(tǒng)運行等采用信號硬接線方式接入，且主控制器下發(fā)至水冷系統(tǒng)信號也采用的硬接點信號。開關量告警信息主要包括水冷系統(tǒng)報警、請求停水冷。開關量閉鎖信息主要包括水冷系統(tǒng)跳閘、水冷系統(tǒng)掉電、水冷控制系統(tǒng)故障。主控制器通過開關量啟動和停止水冷系統(tǒng)運行，模塊對拖時，先啟動水冷系統(tǒng)，后解鎖功率模塊，試驗停止時，先閉鎖功率模塊，后停止水冷系統(tǒng)。

水冷系統(tǒng)通過?RS485?通信接口與控制保護系統(tǒng)進行軟報文通信。告警事件主要包括交流動力電源故障、主循環(huán)泵故障、風機故障、補水泵/充氣泵故障、電加熱器故障、緩沖罐液位開關下限、補水罐/緩沖罐液位低、系統(tǒng)泄漏、供水/回水溫度超限、供水/回水壓力超限、緩沖罐壓力/液位超限、冷卻水電導率高/流量低、溫度/壓力/液位變送器故障、電導率/流量變送器故障、主過濾器污堵等。閉鎖事件主要包括主流量超低且供水壓力低、主流量超低且供水壓力高、供水壓力超低且主流量低、主流量超低且供水壓力傳感器故障、供水壓力超低且主流量傳感器故障、主流量和供水壓力傳感器均故障、緩沖罐液位超低且液位開關下限、緩沖罐液位傳感器故障且液位開關下限、供水溫度傳感器均故障、供水溫度超高、電導率超高等。

2.3??儲能電池保護

儲能電池的BMS可控的僅有本身的繼電器和風扇。風扇由BMS根據電池溫度、電流自動控制，BMS自身輕微故障時僅通過CAN通信上傳，繼電器不動作，BMS自身嚴重故障時直接斷開所有繼電器，主控制器閉鎖。另外，BMS上傳的變量“最大可用放電電流、最大可用充電電流、最大可用放電功率、最大可用充電功率”和儲能電池本身的溫度和告警信息相關，主控制器需要保證實際的充放電不超過相應功率和電流。

告警事件主要包括總電壓過高過低、充電單體互差、放電單體互差、靜置單體互差、充放電電流過大、溫度過高過低、溫升過快、SOC過高過低等。閉鎖事件主要包括BMS內部通信故障、絕緣模塊通信故障、與主控制器通信故障、極限過壓欠壓、極限過溫低溫、參數配置故障、溫度采集線開路或短路、接觸器故障、標定故障等。

2.4??主控制器保護

主控制器本身需采集試驗回路的電壓和電流信息作為保護條件。觸發(fā)告警的事件主要包括交流側輕微過壓、電感電流輕微過流。觸發(fā)閉鎖的事件主要包括交流側嚴重過壓、電感電流嚴重過流、與水冷系統(tǒng)通信故障、與電池BMS通信故障。

另外，主控制器作為整個系統(tǒng)的控制核心，功率模塊的就地控制器、水冷系統(tǒng)、儲能電池本身的告警和閉鎖事件均上傳至主控制器，主控制器檢測到相應的事件會告警或閉鎖全部IGBT且斷開所有儲能電池繼電器。

3??有功無功對拖控制策略及試驗流程

3.1??對拖控制策略

如圖3所示，閉環(huán)功率模塊目標有功電流、目標無功電流、開環(huán)功率模塊調制比這3個參數由試驗人員通過主控制器的觸摸屏設置。實際電感電流由主控制器通過霍爾傳感器采集圖1中連接電感L流過的電流得到。開環(huán)功率模塊調制波由主控制器轉換為具體的開關器件驅動信號后，通過光纖發(fā)送給開環(huán)功率模塊，控制開關器件動作，開環(huán)功率模塊為開環(huán)控制，相當于單相電壓源。閉環(huán)功率模塊調制波由主控制器轉換為具體的開關器件驅動信號后，通過光纖發(fā)送給閉環(huán)功率模塊，控制開關器件動作，閉環(huán)功率模塊為閉環(huán)控制，相當于單相并網逆變器。圖3中的控制框圖由主控制器負責具體實現。

通過單極倍頻調制將功率模塊調制波轉換為具體的IGBT動作信號，單極倍頻調制輸出電壓的脈動頻率為開關頻率的兩倍，也就是說用同樣的開關頻率可以把輸出電壓中的脈波數提高一倍，這對減少開關損耗和改善輸出電壓波形質量都是有益的。

3.2??試驗流程

初始狀態(tài)下，所有開關處于分位，首先合主控制器AC220V電源開關，檢查觸摸屏顯示正常，參數設置無誤。

依次合電池1、電池2的AC220V控制電源開關，檢查主控制器的觸摸屏電池界面狀態(tài)信息顯示正常，至此，說明主控制器與BMS的CAN通信正常且硬件無損壞。依次點擊主控制器的觸摸屏電池界面絕緣采集按鈕，電池1、電池2調用各自的絕緣采集模塊進行絕緣采集并將采集結果通過CAN上送到主控制器，在主控制器的觸摸屏觀察到“絕緣故障等級”為“絕緣正?！鼻摇敖^緣報警狀態(tài)”為“無絕緣故障”，則說明電池本身以及電池和功率模塊的連接電纜絕緣正常。

點擊主控制器的觸摸屏電池界面“一鍵合繼電器”按鈕，主控制器自動通過CAN通信控制電池的繼電器依次動作。如圖1所示，以電池1為例，先合電池負極的K12，K12合閘成功后延時0.5?s合K13，K13合閘成功后電池通過充電電阻R11給開環(huán)功率模塊直流側電容C1充電，等待電池電壓和開環(huán)功率模塊直流側電容C1電壓壓差小于20?V后合K11，K11合閘成功后延時0.5?s分K13，合閘流程結束，合閘流程中出現任何故障則同時斷開所有繼電器。

電池1、電池2繼電器合閘流程成功后，功率模塊均正常上電，功率模塊就地控制器也上電開始工作，檢查主控制器的觸摸屏功率模塊界面狀態(tài)信息顯示正常，說明主控制器與功率模塊就地控制器的通信正常且軟硬件完好。

合水冷系統(tǒng)AC220V電源開關，設置水冷系統(tǒng)參數，檢查主控制器的觸摸屏水冷系統(tǒng)界面狀態(tài)信息顯示正常。點擊主控制器的觸摸屏“啟動水冷系統(tǒng)”界面，等待水冷系統(tǒng)正常啟動。

解鎖開環(huán)功率模塊，主控制器通過圖3中開環(huán)功率模塊調制波計算出驅動信號，控制開環(huán)功率模塊輸出電壓。逐漸升高開環(huán)功率模塊調制比，用示波器觀察輸出電壓波形是否正常。

解鎖閉環(huán)功率模塊，閉環(huán)功率模塊目標有功電流設置為0，目標無功電流逐漸升高到額定無功電流，隨后目標有功電流逐漸升高到額定有功電流。此時閉環(huán)功率模塊和開環(huán)功率模塊均滿功率運行，為正常運行工況，可進行滿功率溫升試驗。

試驗停止流程：逐漸降低閉環(huán)功率模塊目標有功電流和無功電流，降至100?A以內后按下急停按鈕，同時閉鎖兩個功率模塊。斷開電池1、電池2所有繼電器，等待功率模塊直流側電壓緩慢下降至0?V左右，關閉水冷系統(tǒng)，斷開所有試驗電源。

4??結語

直流配用電作為現代電力系統(tǒng)的重要分支，其高效、穩(wěn)定的電能分配對于整個系統(tǒng)的性能至關重要。而H橋功率模塊作為直流配用電中的關鍵元件，通過精確控制電流的方向和大小，實現了對電能的靈活調節(jié)和分配。本文從硬件拓撲、保護配合、控制策略及試驗流程幾個方面對基于儲能電池的H橋功率模塊對拖進行研究，以滿足產品研發(fā)和生產過程中對儲能電池和功率模塊的調試要求。

參考文獻

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