1、. . . 多電池組儲能系統雙向DC-DC變換器的研制摘要：介紹了多電池組儲能系統中常用幾種電池充放電變換器的主電路拓撲和工作原理，并對與電池連接的雙向DC-DC 變換器的控制策略進行了研究。研制了一臺由3 路雙向DC-DC 變換器和1 路雙向PWM 變流器構成的電池充放電系統，功率為120 kW,能滿足3 路電池的獨立充放電要求。在鋰電池儲能系統中的實驗結果表明，研制的雙向DC-DC 變換器，具有電池充電、電池放電、孤島運行和電池互充放電等多種功能，而且充電電流紋波電流小于0.5%,波形平滑，可適用于多組，寬圍電壓的電池組的充放電要求。0 引言在當今全球綠色能源、節能減排戰略中，不僅把風力發

2、電、太陽能發電、生物發電和核能發電技術作為優先發展和政策扶持的對象，而且將能量儲存技術也作為今后的研究方向，特別是電池儲能系統，它不僅猶如一家特殊"銀行",可以將夜間的"谷電"存起來白天用，或是將平日富余的電能存起來，到電力緊甚至供電中斷時拿出來一解燃眉之急。而且也是城市電網削峰填谷的"調度高手",更是風光互補儲能系統的關鍵設備不管是新能源的發展、還是智能電網的發展都離不開它。在電池儲能系統有兩個重要的組成部分，第一就是號稱"心臟"的電池儲能系統中的電池，負責能量的存儲和釋放；第二個就是號稱"大動脈&qu

3、ot;的電池儲能系統中的充放電變換器，它是電池儲能系統能量傳遞的雙向高速通道。二者缺一不可，密不可分。電池儲能系統中的電池不再單單采用傳統的鉛酸蓄電池，鈉硫電池、釩電池、鋰電池和鎳氫電池等也紛紛在電池儲能系統中使用，因此電池儲能系統對充放電變化器的要求也越來越高，他不僅要求充放電變化器具有傳統的充放電功能，還需滿足電池電壓的寬圍運行、快速充放運行、瞬時大功率輸出運行、無功補償運行、孤島運行與多組電池的充放電運行要求。本文對多電池組儲能系統中電池充放電變換器的主電路拓撲和工作原理進行了分析，特別是與電池接口的雙向DC-DC 變換器進行了研究，在此基礎上，研制了一臺由"多路雙向DC-DC

4、 變換器"和"雙向并網變流器"構成的120 kW 電池儲能系統變換器。并在3 組鋰電池組構成的電池儲能系統中進行了試驗驗證，為多電池組儲能系統各路電池獨立充放電提供了一個成熟的解決方案。1 主電路拓撲和工作原理在電池儲能系統中，如果是單組電池，則只需一個由三相IGBT 全橋電路構成的雙向并網變換器（以下簡稱"PWM 雙向并網變換器"）就可以實現電池的充放電功能。在多電池組儲能系統中，各電池不能并聯，需獨立充放電，僅一個PWM 雙向并網變換器滿足不了系統要求，雖然也可以每個電池組均配一個PWM 雙向并網變換器，但這樣的成本較高、體積較大，性價比低

5、。對于多電池組儲能系統，采用圖1 所示主電路拓撲（多個"DC-DC 變換器"+ 1 個"PWM 雙向并網變流器"）結構簡潔緊湊、性價比高，即在電網端配置一個PWM 雙向并網變流器，在電池端則根據電池組數量，配置相應數量的DC-DC 變換器，如果將DC-DC 變換器和PWM 雙向并網變流器連接點電壓稱為直流母線電壓（Vdc），則當電池充放電時，DC-DC 變換器只需根據系統要求，往直流母線回饋或吸收能量，而PWM 雙向并網變流器則通過與電網能量的雙向流動，保證直流母線電壓（Vdc）的穩定。圖1 主電路拓撲DC-DC 變換器拓撲也有多種類型，文獻3介紹了一種

6、多重化雙向DC/DC 變換器，文獻4也介紹了圖2 所示雙向雙全控橋DC/DC 變換器，該變換器的特點是電池和直流母線隔離、兩邊均為單相全控橋變換器、可以工作在零電壓開關（ZVS）模式，但該變換器的缺點是開關器件多、驅動與控制電路復雜、受高頻變壓器的限制，其變換器容量不能做得太大，僅適用中小功率系統。圖2 雙向雙全控橋DC/DC 變換器。文獻5詳細介紹了雙極性控制的全橋SPWM雙向變流器的系統構成與原理，采用單相拓撲，并研制了一臺1 kW 樣機進行測試，其特點是開關頻率高，對電網污染小。文獻3-5共同特點是幾十千瓦以下的中小功率變換器，針對的也是一組電池的充放電。對于100 kW 以上的大功率和

7、多組電池的充放電還需采用更加適用的變換器。圖3 所示另一種雙向DC-DC 變換器，當電池放電時，變換器以Boost 模式工作；當電池充電時，變換器以Buck 模式工作。該變換器的特點是結構簡單、開關器件數量少、損耗小、驅動和控制電路簡單、電池側輸出采用LCL 濾波，能有效地減小電池端的紋波電壓和紋波電流，該變換器的不足是電池和直流母線不隔離，共地。圖3 雙向DC-DC 變換器本文研制的120 kW 鋰電池儲能系統雙向DC-DC 變換器則采用圖3 所示拓撲。該系統有3 組獨立電池，每組電池和變換器直流母線電壓參數如下：單組電池額定電壓：DC400 V;單組電池電壓圍：DC330DC460 V;單

8、組電池最大充電電流：110 A;單組電池最大放電電流：110 A;變換器直流母線額定電壓Vdc:DC500 V為了與其他產品兼容，本文研制的120 kW 雙向DC-DC 變換器采用2 個三相IGBT 全橋電路（PWM1 和PWM2）構成，圖4 所示，兩個半橋輸出并聯作為1 路DC-DC 變換器，采用該拓撲還有一個最大的優點是雙向DC-DC變換器與PWM雙向并網變換器均是采用的三相IGBT 全橋電路，因此二者的IGBT 功率模塊（IGBT、散熱器、電容）IGBT的驅動與控制電路均可以借用，減少了開發時間、維護也比較方便。圖4 3 組電池儲能系統雙向DC-DC 變換器。本文研制的120 kW 鋰電

9、池儲能系統雙向DC-DC 變換器，在電網斷電時，還能作為電壓源輸出，即以Boost 模式工作，輸出電壓Vdc 穩定，后級PWM 雙向并網變流器則做孤島運行，斷開KM1、閉合KM2,保證關鍵負荷供電。2 控制系統設計本文研制的雙向DC-DC 變換器，其基本工作原理為Buck 和Boost 變換，當電池放電時，DC-DC變換器以Boost 工作模式運行，在電池充電時，DC-DC 變換器以Buck 工作模式運行，本文不再對對Buck 和Boost 工作模式的常規控制策略進行累述，僅對電池儲能系統中雙向DC-DC 控制器設計時需要注意的幾個方面進行了分析。2.1 均流控制根據戴維寧等效電路，圖4 所示

10、電路單組電池可做如圖5 等效。圖5 DC-DC 變換器等效電路。其中V1、V2 分別為兩個并聯模塊對應的開路電壓（橋臂輸出），Z1、Z2 為兩個模塊等效阻抗，Z3為并聯接點到電池的阻抗，由于各并聯模塊銅排的布局、驅動的死區、以與IGBT 的開通延時和上升沿等的不同，導致輸出V1V2,同理每個并聯模塊輸出電纜長度和電抗器阻抗不同，一般Z1Z2,如果不采用均流控制策略，將導致兩個模塊輸出電流不一致，且產生環流，環流大小為I=（V1-V2）/（Z1+Z2）。環流的存在不僅導致流過IGBT 的電流增大，同時也影響系統效率，為有效抑制環流，實現兩組變換器均等的輸出電流，必須采用均流控制策略，即是每個并聯

11、模塊采用獨立的反饋控制，以實現兩并聯模塊電流相等，實現均流。當采用均流控制后兩個變換器可等效為圖6 所示兩個并聯的電流源，通過控制，當I1=I2 時，即可避免環流的產生。圖6 采用均流控制后等效電路兩并聯模塊的均流控制框圖見圖7 所示，I_ref為電池給定充放電電流，兩路模塊并聯時，每個模塊的電流指令為I_ref 的一半，分別與對應模塊的電流反饋（I1_f 或I2_f）形成閉環，采用該控制策略能使兩路輸出電流完全相等。圖7 電流控制框圖。圖8 為采用均流前后的穩態仿真波形（本文電流波形以充電電流為負方向，放電電流為正方向），圖8（a）為兩并聯橋臂為同一個脈沖，僅L1 電流為閉環控制，因此由于輸

12、出阻抗（設定L1 橋臂5m，L2 橋臂8 m）不同，L2 電流與L1 差5 A 左右，輸出總電流也差5 A,而圖8（b）波形為兩并聯橋臂獨立控制，均流度較好，兩橋臂電流波形重合，達到了均流目的。在本文研制的120 kW 雙向DC-DC 變換器中，交錯并聯的兩組變換器即采用一樣的電流指令（總電流的一半），經閉環控制后即可實現均流輸出。當系統運行于充、放電狀態時，兩組變換器電流給定值一樣；當工作于恒壓浮充狀態時，電流指令由電池電壓環決定，電壓環調節器輸出一分為二作為兩組變換器電流環指令；當系統運行于孤島模式時，電流指令由直流母線電壓環決定，同樣將電壓環調節器輸出一分為二作為兩組變換器的電流指令以實

13、現均流控制。(a)圖8 采用均流控制措施前后的波形對比。2.2 Boost 空載穩壓控制在本文研制的電池儲能系統中，要求在電網斷電時，圖1 所示變換器能做孤島運行，向關鍵負荷供電，即雙向DC-DC 做Boost 模式運行，維持直流母線電壓的恒定，而后級PWM 雙向并網變換器則做逆變器運行，向關鍵負荷供電，通常Boost 變換器是不能空載運行的，這主要是因為其升壓電感在開關管導通過程中的儲能沒有釋放路徑，直流母線端相當于開路，電壓將逐漸上升。對本文研制的雙向DC-DC 而言，兩個源之間的能量交換是自由的，空載穩壓運行時，由于Boost輸出電壓受控，故可等效為一個電壓源，這樣電感電流可實現雙向流動

14、，不存在傳統Boost 變換器空載條件下電感儲能沒有路徑釋放的問題。而傳統采用二極管自然整流輸出作為源也不能實現空載穩壓運行。圖9 為空載穩壓運行時的穩態仿真波形，波形顯示在直流母線電壓穩壓500 V 運行中，電感L1電流是雙向流動的。圖9 直流母線電壓Vdc 和L1 電流波形2.3 兩組電池互充放電控制在本文研制的雙向DC-DC 還可以實現兩組電池的相互充放電功能，既當電網斷電時，其中一組電池Boost 模式運行，實現直流母線的穩壓功能，另一路電池則可從直流母線取電給自身進行充電，該功能在其中一組電池急需充電，而其他電池組還能滿足放電時就可以采用本文介紹的功能，圖10為仿真波形，圖4 所示電

15、池1 進行穩壓（指令電壓為500 V），電池組2 充電（充電電流指令為-100 A），仿真結果顯示直流母線電壓穩定，充電電流平滑。圖10 兩組電池相互充放電波形。3 實驗結果以下實驗波形為圖4 所示電池組1（鋰電池）的實驗波形，圖11 為恒流充電波形，電池充電電流為86 A,L1 電流為充電電流的一半，充電時，電池電流紋波電流小于0.5%;圖12 為恒流放電波形，放電時，電池紋波電流小于0.5%;圖13 為電池放電和充電在線轉換波形，充放模式轉換無需停機，且轉換過程中波形平滑。圖11 恒流充電波形圖12 恒流放電波形。圖13 放電與充電之間轉換波形4 結論本文對多電池組儲能系統電池充放電變換器

16、拓撲和原理進行了介紹，對DC-DC 變換器的控制器設計進行了分析，并給出了雙向DC-DC 變換器的仿真結果和在鋰電池組上的實驗波形，仿真和實驗結果表明，本文研制的雙向DC-DC 變換器，具有電池充電、電池放電、孤島運行和電池互充放電等多種功能，而且充電電流紋波電流小于0.5%,波形平滑，可適用于多組，寬圍電池的充放電要求，為多電池組儲能系統電池充放電提供了一個很好的解決方案。參考文獻：1 王文亮， 寶明， 畢大強。 儲能型直驅永磁同步風力發電控制系統J.電力系統保護與控制， 2010, 38（14）：43-48, 78.WANG Wen-liang, GE Bao-ming, BI Da-qi

17、ang. Energystorage based direct-drive permanent magnetsynchronous wind powercontrolsystemJ. PowerSystem Protection and Control, 2010, 38（14）： 43- 48, 78.2 國杰， 唐志偉， 聶宏展， 等。 釩液流儲能電池建模與其平抑風電波動研究J.電力系統保護與控制， 2010,38（22）：115-119, 125.3 明， 汪光森， 馬偉明， 等。 多重化雙向DC-DC 變換器電流紋波分析J. 繼電器， 2007, 35（4）： 53-57.CHEN M

18、ing, WANG Guang-sen, MA Wei-ming, et al.Analysis of the inductor current ripple in interleavedloi-directional DC-DC power convertersJ. Relay, 2007,35（4）： 53-57.4 Profumo F, 等。 發電用燃料電池特性與其電力電子調節系統的專用解決方案J. 變流技術與電力牽引，2007,2:52-57.Profumo F,et al. Fuel cell for electric power generation:peculiarities and dedicated solutions for power electronicconditioning systemsJ. Conv