一種電池儲能功率轉換系統研究

秦立新

（海軍駐上海江南造船(集團)有限公司軍事代表室， 上海 201913）

一種電池儲能功率轉換系統研究

秦立新

（海軍駐上海江南造船(集團)有限公司軍事代表室， 上海 201913）

電池儲能系統適合于電網調頻調峰以及重要負荷應急保障等場合。在電池儲能系統中，功率轉換系統是儲能電池與電網能量交互的接口。研究了一種適合大容量應用的電池儲能并網逆變器的電路和控制策略，實現了電池充放電功率控制和電網側功率四象限控制。構建了電池儲能實驗平臺來驗證提出的理論和方法。

電池儲能；功率轉換系統；鋰電池

0 引言

隨著社會的不斷發展，電力需求越來越大，電力系統規模不斷擴大，電網復雜程度不斷增加，對電力供應的可靠性和電能質量需求越來越高；同時，面對日益嚴峻的能源短缺及環境污染問題，各國對可再生能源的開發變得越來越積極。而大容量儲能技術在一定程度上能夠解決以上問題。

電池儲能系統無運動部件、對場地和地理條件無特殊要求、具有良好的動態特性，適合應用于風電場或光伏電站功率波動平滑、城市電網調頻調峰以及重要負荷應急保障等場合[1]。基于上述特點，電池儲能已成為應對電網負荷波動和保證供電可靠的重要手段之一[2]，廣泛應用于電網調峰調頻、新能源波動功率平滑、重要負荷應急保障等應用場合[3]。

電池儲能系統主要包含儲能電池以及電池管理系統、儲能功率轉換系統(PCS)、監控系統、高級應用系統和安防系統等，其中儲能PCS是儲能電池模組和交流電網之間的接口，是實現儲能電池模組電網接入和充放電管理的關鍵設備，由于儲能電池成本較高，研究高效率、高可靠性的電池儲能PCS具有重要意義。

研究了基于三相兩電平變流器的電池儲能PCS，設計了關鍵電路元件參數，分析了PCS控制策略，構建了實驗樣機并進行了實驗驗證。

基于上述需求分析，以三相兩電平網側變流器為電路拓撲，設計儲能PCS如圖1所示，圖中S1～S6為主功率開關器件，三相電網電壓和網側電流瞬時值分別為vsa、vsb、vsc和ia、ib、ic，O點為交流電壓參考點；L和R分別為濾波電感及其寄生電阻和線路電阻值，C表示PCS輸出直流濾波電容，B表示PCS儲能電池。idc和iB分別表示開關側直流母線電流和電池側充放電電流，vdc表示電池電壓，N點表示直流母線參考點。設功率開關器件是理想開關，可以列出三相PCS的基本方程：

圖1 儲能PCS電路拓撲

由于三相三線PCS中三相網側電流瞬時值之和等于零：

結合式(2)，把式(1)中前三式相加可得到：

把式(3)代入式(1)并寫成矩陣形式，可以得到三相PCS狀態方程(式(4))，根據式(4)可以進行PCS控制環路推導和控制環補償網絡設計。

2 PCS控制策略

2.1 鎖相環算法[4-6]

對儲能PCS的控制中，需要實時掌握電網側電壓的頻率和相位信息，以便進行同步旋轉坐標變換。

在三相電網電壓不平衡(相位突變、幅值不變)條件下(圖2)，裝置控制系統能夠快速、準確地鎖定電網電壓相位，實現旋轉坐標系d-p與電網電壓合成矢量的同步。

圖2 三相不平衡相位發生偏移示意圖

三相鎖相環技術是把對與電網電壓矢量同步的q軸電壓分量uq進行閉環控制，令其逼近給定值0，從而鎖定電源相位，達到準確檢測電網電壓相位的目的。

建立如圖3所示的相位反饋控制系統。該系統將鎖相誤差輸入PI調節器，為加快鎖相速度，將輸出值加上初始工頻角頻率ω0，從而得到鎖相的角頻率輸出，經過積分得到鎖相相位值。根據鎖相環計算出d-p與d’- p’坐標系之間的鎖相相位值，使得原有d- p坐標系在新的相位角下進行旋轉直至與d’- p’坐標軸重合 (φ=0)，從而保證uq=0。

圖3 鎖相環控制系統框圖

2.2 系統控制算法[7-10]

采用基于同步旋轉坐標系的控制策略，控制框圖，如圖4所示。將網側電壓、電流經過3s/2r坐標變換，并且對電壓進行矢量定向，使d、q軸上的電流分量id、iq分別控制網側的有功功率和無功功率。根據站控層對儲能系統的功率指令，實時計算d軸和q軸電流基準。d軸和q軸電流基準與各自電流反饋之差經過PI調節器后，經過前饋和解耦得到變流器交流側電壓的d、q分量ugd、ugq的調制信號，經過SVPWM調制后生成PWM脈沖信號，進而控制變流器運行。

圖4 變換器控制算法

3 損耗計算

所計算的損耗基于 SVPWM 調制方法，且采用對稱SVPWM的脈沖產生方式。假設三相對稱，以下僅分析A相的損耗，B、C相相同。

3.1 導通損耗

設功率器件開關頻率為fw，輸出基波頻率為fs，在一個基波周期內每個器件開關N次，則：

每次的導通損耗是功率器件上的電流、導通壓降和導通時間的乘積[10]。功率器件廠家所提供的數據手冊中有開關管的導通壓降Uce和續流二極管的導通壓降UF關于電流i的曲線，從而可以得到導通壓降。

參考電壓矢量利用其所在扇區的兩個電壓矢量和兩個零矢量作用不同的時間來合成，設這兩個電壓矢量的作用時間分別是T1和T2，零矢量的作用時間為T0，則：

式中：M為線電壓最大值與直流電壓之比；δ為參考電壓矢量的空間位置角度。

設參考電壓矢量位于第k個扇區，A相上橋臂的導通時間為Tpk，A相下橋臂的導通時間為Tdk=Ts-Tpk，采用對稱SVPWM脈沖產生方法時，有：

故單相功率器件的導通損耗Pcon為：

3.2 開關損耗

對于一相橋臂，在每個開關周期開關一次的過程中共產生一次開通損耗、一次關斷損耗和一次反向恢復損耗。功率器件廠家所提供的數據手冊中有開通一次損耗的能量Eon、關斷一次損耗的能量Eoff以及續流二極管關斷一次的反向恢復損耗Err關于電流的曲線，因此單相橋臂的開關損耗Pw為：

4 實驗結果

為了驗證上述理論分析，構建三相PCS實驗樣機，樣機額定容量25kVA，開關頻率8kHz，滿足四象限功率運行需要。PCS采用TMS320F28335DSP控制，主功率器件為2MBI600VN-120-50功率模塊。PCS電池側電壓范圍為600V～750V。

圖5示出了電網電壓對稱和不對稱時，儲能PCS的交流側電壓電流波形，根據實驗波形，儲能PCS在電網電壓對稱和不對稱時均保持較好的控制效果。

圖5 實驗波形

5 結論

本文研究了一種適合大容量應用的電池儲能并網逆變器的電路和控制策略，實現了電池充放電功率控制和電網側功率四象限控制。構建了電池儲能實驗平臺，驗證了提出的理論和方法。

[1] 劉 剛, 梁 燕, 胡四全, 等. 電池儲能系統雙向PCS的研制[J]. 電力電子技術, 2010, 44(l0): 12-13.

[2] 桑丙玉, 楊 波, 李官軍, 等. 分布式發電與微電網應用的鋰電池儲能系統研究[J]. 電力電子技術, 2012,44(l0): 57-59.

[3] 羅松濤, 楊軍偉. 基于DSP的三相PCS在電池儲能中的應用[J]. 電力電子技術, 2011, 45(l0): 37-39.

[4] 吳 昇，吳先良, 郭玉堂. 三相鎖相環在蓄電池充放電裝置中的應用研究[J]. 電氣傳動, 2011, 41(11): 38-40.

[5] 琚興寶, 徐至新, 鄒建龍, 等. 基于DSP的三相軟件鎖相環設計[J]. 通信電源技術, 2004, 21(5): 1-4.

[6] 龔錦霞, 解 大, 張延遲. 三相數字鎖相環的原理及性能[J]. 電工技術學報, 2009, 24(10): 94-99.

[7] 徐德鴻. 電力電子系統建模及控制[M]. 北京: 機械工業出版社, 2005.

[8] 魏 星. 基于 LCL 濾波器的三相并網逆變器的研究[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2011.

[9] 周 楊. 基于LCL濾波器的風力發電網側變換器的研究[D]. 保定: 華北電力大學, 2010.

[10] 李欣然. 基于LCL濾波的大功率三相電壓型PCS的研究與實現[D]. 北京: 北京交通大學, 2011.

A Battery Energy Storage Power Conversion System Research

QIN Li-xin
(Navy Representative Office at Shanghai Jingnan Shipyard (Group)Co., Ltd., Shanghai 201913, China)

Abattery energy storage system is suitable for load peak regulation and frequency modulation in the power grid as well as the important load emergency safeguard etc. Power conversion system in battery energy storage systems is the energy interactive interface between storage batteries and power grid. The circuit and control strategy of a battery energy storage grid-connected inverter for larger power applications are researched. The battery charge and discharge power control and grid-side power four-quadrant control are realized. A battery energy storage experiment platform is built to verify the proposed theory and method.

battery energy storage;PCS;lithium battery

TM911

A

秦立新(1976-)，男，工程師。研究方向：工業自動化。