多电池组储能系统双向DC

摘要：介绍了多电池组储能系统中常用几种电池充放电变换器的主电路拓扑和工作原理，并对与电池连接的双向DC-DC 变换器的控制策略进行了研究。研制了一台由3 路双向DC-DC 变换器和1 路双向PWM 变流器构成的电池充放电系统，功率为120 kW,能满足3 路电池的独立充放电要求。在锂电池储能系统中的实验结果表明，研制的双向DC-DC 变换器，具有电池充电、电池放电、孤岛运行和电池互充放电等多种功能，而且充电电流纹波电流小于0.5%,波形平滑，可适用于多组，宽范围电压的电池组的充放电要求。

0 引言

在当今全球绿色能源、节能减排战略中，不仅把风力发电、太阳能发电、生物发电和核能发电技术作为优先发展和政策扶持的对象，而且将能量储存技术也作为今后的研究方向，特别是电池储能系统，它不仅犹如一家特殊"银行",可以将夜间的"谷电"存起来白天用，或是将平日富余的电能存起来，到电力紧张甚至供电中断时拿出来一解燃眉之急。

而且也是城市电网削峰填谷的"调度高手",更是风光互补储能系统的关键设备不管是新能源的发展、还是智能电网的发展都离不开它。

在电池储能系统有两个重要的组成部分，第一就是号称"心脏"的电池储能系统中的电池，负责能量的存储和释放；第二个就是号称"大动脉"的电池储能系统中的充放电变换器，它是电池储能系统能量传递的双向高速通道。二者缺一不可，密不可分。

电池储能系统中的电池不再单单采用传统的铅酸蓄电池，钠硫电池、钒电池、锂电池和镍氢电池等也纷纷在电池储能系统中使用，因此电池储能系统对充放电变化器的要求也越来越高，他不仅要求充放电变化器具有传统的充放电功能，还需满足电池电压的宽范围运行、快速充放运行、瞬时大功率输出运行、无功补偿运行、孤岛运行及多组电池的充放电运行要求。

本文对多电池组储能系统中电池充放电变换器的主电路拓扑和工作原理进行了分析，特别是与电池接口的双向DC-DC 变换器进行了研究，在此基础上，研制了一台由"多路双向DC-DC 变换器"和"双向并网变流器"构成的120 kW 电池储能系统变换器。并在3 组锂电池组构成的电池储能系统中进行了试验验证，为多电池组储能系统各路电池独立充放电提供了一个成熟的解决方案。

1 主电路拓扑和工作原理

在电池储能系统中，如果是单组电池，则只需一个由三相IGBT 全桥电路构成的双向并网变换器（以下简称"PWM 双向并网变换器"）就可以实现电池的充放电功能。

在多电池组储能系统中，各电池不能并联，需独立充放电，仅一个PWM 双向并网变换器满足不了系统要求，虽然也可以每个电池组均配一个PWM 双向并网变换器，但这样的成本较高、体积较大，性价比低。对于多电池组储能系统，采用图1 所示主电路拓扑（多个"DC-DC 变换器"+ 1 个"PWM 双向并网变流器"）结构简洁紧凑、性价比高，即在电网端配置一个PWM 双向并网变流器，在电池端则根据电池组数量，配置相应数量的DC-DC 变换器，如果将DC-DC 变换器和PWM 双向并网变流器连接点电压称为直流母线电压（Vdc），则当电池充放电时，DC-DC 变换器只需根据系统要求，往直流母线回馈或吸收能量，而PWM 双向并网变流器则通过与电网能量的双向流动，保证直流母线电压（Vdc）的稳定。

图1 主电路拓扑

DC-DC 变换器拓扑也有多种类型，文献[3]介绍了一种多重化双向DC/DC 变换器，文献[4]也介绍了图2 所示双向双全控桥DC/DC 变换器，该变换器的特点是电池和直流母线隔离、两边均为单相全控桥变换器、可以工作在零电压开关（ZVS）模式，但该变换器的缺点是开关器件多、驱动及控制电路复杂、受高频变压器的限制，其变换器容量不能做得太大，仅适用中小功率系统。

图2 双向双全控桥DC/DC 变换器。

文献[5]详细介绍了双极性控制的全桥SPWM双向变流器的系统构成及原理，采用单相拓扑，并研制了一台1 kW 样机进行测试，其特点是开关频率高，对电网污染小。文献[3-5]共同特点是几十千瓦以下的中小功率变换器，针对的也是一组电池的充放电。对于100 kW 以上的大功率和多组电池的充放电还需采用更加适用的变换器。

图3 所示另一种双向DC-DC 变换器，当电池放电时，变换器以Boost 模式工作；当电池充电时，变换器以Buck 模式工作。该变换器的特点是结构简单、开关器件数量少、损耗小、驱动和控制电路简单、电池侧输出采用LCL 滤波，能有效地减小电池端的纹波电压和纹波电流，该变换器的不足是电池和直流母线不隔离，共地。

图3 双向DC-DC 变换器。

本文研制的120 kW 锂电池储能系统双向DC-DC 变换器则采用图3 所示拓扑。该系统有3 组独立电池，每组电池和变换器直流母线电压参数如下：

单组电池额定电压：DC400 V;

单组电池电压范围：DC330~DC460 V;

单组电池最大充电电流：110 A;

单组电池最大放电电流：110 A;

变换器直流母线额定电压Vdc:DC500 V

为了与其他产品兼容，本文研制的120 kW 双向DC-DC 变换器采用2 个三相IGBT 全桥电路（PWM1 和PWM2）构成，图4 所示，两个半桥输出并联作为1 路DC-DC 变换器，采用该拓扑还有一个最大的优点是双向DC-DC变换器与PWM双向并网变换器均是采用的三相IGBT 全桥电路，因此二者的IGBT 功率模块（IGBT、散热器、电容）IGBT的驱动及控制电路均可以借用，减少了开发时间、维护也比较方便。

图4 3 组电池储能系统双向DC-DC 变换器。

本文研制的120 kW 锂电池储能系统双向DC-DC 变换器，在电网断电时，还能作为电压源输出，即以Boost 模式工作，输出电压Vdc 稳定，后级PWM 双向并网变流器则做孤岛运行，断开KM1、闭合KM2,保证关键负荷供电。

2 控制系统设计

本文研制的双向DC-DC 变换器，其基本工作原理为Buck 和Boost 变换，当电池放电时，DC-DC变换器以Boost 工作模式运行，在电池充电时，DC-DC 变换器以Buck 工作模式运行，本文不再对对Buck 和Boost 工作模式的常规控制策略进行累述，仅对电池储能系统中双向DC-DC 控制器设计时需要注意的几个方面进行了分析。

2.1 均流控制

根据戴维宁等效电路，图4 所示电路单组电池可做如图5 等效。

图5 DC-DC 变换器等效电路。

其中V1、V2 分别为两个并联模块对应的开路电压（桥臂输出），Z1、Z2 为两个模块等效阻抗，Z3为并联接点到电池的阻抗，由于各并联模块铜排的布局、驱动的死区、以及IGBT 的开通延时和上升沿等的不同，导致输出V1≠V2,同理每个并联模块输出电缆长度和电抗器阻抗不同，一般Z1≠Z2,如果不采用均流控制策略，将导致两个模块输出电流不一致，且产生环流，环流大小为I=（V1-V2）/（Z1+Z2）。

环流的存在不仅导致流过IGBT 的电流增大，同时也影响系统效率，为有效抑制环流，实现两组变换器均等的输出电流，必须采用均流控制策略，即是每个并联模块采用独立的反馈控制，以实现两并联模块电流相等，实现均流。当采用均流控制后两个变换器可等效为图6 所示两个并联的电流源，通过控制，当I1=I2 时，即可避免环流的产生。

图6 采用均流控制后等效电路。

两并联模块的均流控制框图见图7 所示，I_ref为电池给定充放电电流，两路模块并联时，每个模块的电流指令为I_ref 的一半，分别与对应模块的电流反馈（I1_f 或I2_f）形成闭环，采用该控制策略能使两路输出电流完全相等。

图7 电流控制框图。

图8 为采用均流前后的稳态仿真波形（本文电流波形以充电电流为负方向，放电电流为正方向），图8（a）为两并联桥臂为同一个脉冲，仅L1 电流为闭环控制，因此由于输出阻抗（设定L1 桥臂5mΩ，L2 桥臂8 mΩ）不同，L2 电流与L1 差5 A 左右，输出总电流也差5 A,而图8（b）波形为两并联桥臂独立控制，均流度较好，两桥臂电流波形重合，达到了均流目的。

在本文研制的120 kW 双向DC-DC 变换器中，交错并联的两组变换器即采用相同的电流指令（总电流的一半），经闭环控制后即可实现均流输出。当系统运行于充、放电状态时，两组变换器电流给定值相同；当工作于恒压浮充状态时，电流指令由电池电压环决定，电压环调节器输出一分为二作为两组变换器电流环指令；当系统运行于孤岛模式时，电流指令由直流母线电压环决定，同样将电压环调节器输出一分为二作为两组变换器的电流指令以实现均流控制。

图8 采用均流控制措施前后的波形对比。

2.2 Boost 空载稳压控制

在本文研制的电池储能系统中，要求在电网断电时，图1 所示变换器能做孤岛运行，向关键负荷供电，即双向DC-DC 做Boost 模式运行，维持直流母线电压的恒定，而后级PWM 双向并网变换器则做逆变器运行，向关键负荷供电，通常Boost 变换器是不能空载运行的，这主要是因为其升压电感在开关管导通过程中的储能没有释放路径，直流母线端相当于开路，电压将逐渐上升。

对本文研制的双向DC-DC 而言，两个源之间的能量交换是自由的，空载稳压运行时，由于Boost输出电压受控，故可等效为一个电压源，这样电感电流可实现双向流动，不存在传统Boost 变换器空载条件下电感储能没有路径释放的问题。而传统采用二极管自然整流输出作为源也不能实现空载稳压运行。图9 为空载稳压运行时的稳态仿真波形，波形显示在直流母线电压稳压500 V 运行中，电感L1电流是双向流动的。

图9 直流母线电压Vdc 和L1 电流波形。

2.3 两组电池互充放电控制

在本文研制的双向DC-DC 还可以实现两组电池的相互充放电功能，既当电网断电时，其中一组电池Boost 模式运行，实现直流母线的稳压功能，另一路电池则可从直流母线取电给自身进行充电，该功能在其中一组电池急需充电，而其他电池组还能满足放电时就可以采用本文介绍的功能，图10为仿真波形，图4 所示电池1 进行稳压（指令电压为500 V），电池组2 充电（充电电流指令为-100 A），仿真结果显示直流母线电压稳定，充电电流平滑。

图10 两组电池相互充放电波形。

3 实验结果

以下实验波形为图4 所示电池组1（锂电池）的实验波形，图11 为恒流充电波形，电池充电电流为86 A,L1 电流为充电电流的一半，充电时，电池电流纹波电流小于0.5%;图12 为恒流放电波形，放电时，电池纹波电流小于0.5%;图13 为电池放电和充电在线转换波形，充放模式转换无需停机，且转换过程中波形平滑。

图11 恒流充电波形

图12 恒流放电波形。

图13 放电与充电之间转换波形

4 结论

本文对多电池组储能系统电池充放电变换器拓扑和原理进行了介绍，对DC-DC 变换器的控制器设计进行了分析，并给出了双向DC-DC 变换器的仿真结果和在锂电池组上的实验波形，仿真和实验结果表明，本文研制的双向DC-DC 变换器，具有电池充电、电池放电、孤岛运行和电池互充放电等多种功能，而且充电电流纹波电流小于0.5%,波形平滑，可适用于多组，宽范围电池的充放电要求，为多电池组储能系统电池充放电提供了一个很好的解决方案。

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