一種基于大規模動力電池組測試設備的交直流混合微網系統

龍 波 孫宏斌 王 彬 姚書琴 方 旭 姚高祥

（1.電子科技大學機械電子工程學院 成都 610054 2.電力系統國家重點實驗室 清華大學 北京 100084 3.渤海裝備新世紀機械制造有限公司 天津 300280）

1 引言

隨著我國電動汽車相關技術的快速發展，電動汽車動力蓄電池組的各項性能指標成為了影響電動汽車能否成功推廣的關鍵因數，目前我國已經成為了電動車用動力電池的最大生產國，電池生產廠家已經達到了700～800家，由于電池組生產后需要對其的性能進行評估，因此需要對電池組進行充放電測試。為了達到較高的測試精度，目前國內大多數電池企業在充電測試時使用電網電能，放電測試時將測試變流器中的功率器件工作在放大區，采用大功率電阻作為放電負載，因此，絕大部分的放電測試能量都被白白浪費掉了。直到現在，我國電池生產廠家每天還在大量的浪費電能。據深圳子木公司相關數據統計，光是電池充放電測試，每年耗費電能73 600萬度，直接經濟損失達到5.18億元。

為了解決上述問題，以美國Aerovomental、必測公司和德國Arbin、迪卡龍（Digatron）公司為代表開發了一種能量回收型的電池組測試設備，該設備設計思想是將動力電池組放電測試的電能進行升壓并網進而實現高效的回收，在實現大功率動力電池組測試的同時，也大大的節約了電能。初步估計采用該技術的設備單個廠家每年幾百萬的電費，只需要三十幾元就夠了。因此，采用能量回收型的電池測試系統（Energy Recovery Power Accumulator Battery Pack Testing System，ERPABPTS）是十分緊迫且必要的，我國目前也有了一些企業開發了類似的產品，但目前大多還處于學習和仿制階段。與此截然相反的是，大規模組網節能型動力電池組測試系統卻在我國應用較少，只是在一些較大規模有實力的廠家中應用，究其原因主要有以下三個方面：

（1）ERPABPTS設備的研發單位大多側重于測試設備本身拓撲、并網逆變器控制方法的研究[1-4]，或者是單一的電源測試設備接入方面的研究工作，從多測試設備、大容量、高滲透率組網的角度方面還未形成系統的研究方法和技術，未能從系統組網能量回饋效率最優方面考慮。

（2）由于ERPABPTS組成的局部微網發電系統單機容量大，目前已知的單臺設備最大功率可做到250kW，因此接入滲透率較高，在與主網脫離或接入瞬間，可能導致主網電壓跌落或者上升，對主網（AC380V）的穩定運行容易產生較大的影響，另外如果設備控制的不好，容易產生較大的諧波，很有可能周邊設備正常運行產生影響。而且目前的測試設備沒有防孤島運行功能，在這些影響因素尚未明確，接入時暫態特性不明確，發電設備相關接入標準也尚未健全的情況下，電力部門禁止該類型設備并接入主電網。

（3）與傳統的分布式發電系統不同，電池生產廠中存在集中的大量的使用不同拓撲結構、不同功率等級的單/三相并網發電設備，各種負載。其組成了一種復雜的、特殊的微網結構（見圖1）。其中，單個測試設備微源變流器內部主要由兩部分組成，一個是雙向 DC-DC變流器，主要負責實現大電流充放電測試；一個雙向 AC-DC變換器，主要實現單位功率因數的整流/逆變控制，實現與電網能量的雙向流動。雙向 DC-DC變流器和 AC-DC變流器擁有共同的直流母線，這種結構需要進行兩級功率變換，效率較低，不能實現電網能量的高效利用，有的測試變流器方案中采用效率低、體積大的工頻變壓器作為與網側的接口，測試設備的整體效率就更低了，往往還達不到70%，但是價格卻比較昂貴。目前已知的 200kW的 Aerovomental公司的雙通道測試設備AV900，賣價達到了120萬左右，125kW的ABC-150達到80萬左右，這也是使得電池生產廠家放棄大規模的購買和使用。

由于上述原因，研究高效、節能、價格低廉、可靠性高的整套動力電池測試系統成為了我國電池生產測試行業的迫切需求，它的誕生將每年為我國節約上億元的電費。

當前普遍采用的基于 ERPABPTS的多變流器交流微網系統組成如圖1所示，以三相并網動力電池組測試設備為例，工作原理如下：進行放電測試時，動力電池組首先通過一個雙向的 DC-DC變換器，在實現高精度放電測試時，將 DC-DC變換器工作在升壓模式，使得輸出側直流母線電容端電壓升高，為了將這部分能量回收再利用，直流母線側增加了一個 DC-AC并網變流器，將直流側電容的存儲能量逆變并網，以達到節能測試的目的。需要充電測試時，動力電網AC380V經過AC-DC變流器實現單位功率因數升壓整流，然后經由雙向DC-DC變換器實現降壓斬波充電控制。因此，圖1中的 AC-DC-DC是一個組合變流器，當前動力電池企業中大量使用的這種電池測試設備組成了一個復雜的交流微網發電系統。

圖1 大規模動力電池組交流微網系統組成結構圖Fig.1 System configuration of massive power battery AC micro-grid

由圖1可以看出，該交流型微網中，既有儲能設備，也有測試系統并網發電設備。該測試系統單元可以工作于多種模式（比如恒流、恒壓、恒功率的充/放電等）。測試系統和微網之間的能量可以雙向流動，因此ERPABPTS可有三種狀態：停止工作、微網向ERPABPTS供電、ERPABPTS向微網饋能。此外，并網功率也是隨放電測試電流的指令值大小變化的，并網設備的容量也有很大的差別，大的到上百千瓦，小的只有幾個或幾十個千瓦，而且圖1所示的系統需要對各微源變流器并聯輸出交流母線的電壓的相位和頻率進行跟蹤，并網接入和孤島運行也存在著同樣的問題。因此，該交流微網系統組成具有工作模式多樣、多測試變流器并聯帶來的協調控制、系統中儲能設備與并網電池組測試設備共存，小功率與大功率并存、單相與多相并存等特點，情況較為復雜。

與上述交流微網系統相比，直流微網具有很多優勢[5-7]，首先，直流微網不需要對電壓的相位和頻率進行跟蹤，無需考慮同步性，因此可控性和可靠性大為提高，因而更加適合分布式發電系統與負載的接入；其次，從理論上講，直流型微網僅僅需要一級變流器便能方便地實現與分布式發電系統和負載的連接，具有更高的轉換效率；再次，負載不受電壓調整、電壓閃變、三相不平衡以及諧波的影響；最后，直流電在傳輸過程中不受沖擊電流、單相負載和單相發電機影響。不需要考慮配電線路的渦流損壞和線路吸收的無功能量，線路損耗得到降低。

針對這些問題，本文首先提出一種含儲能設備、直流母線電壓分層的動力電池組測試設備交直流混合微網發電系統，然后與當前使用的方案進行對比，最后給出了組網系統的能量優化方案。

2 交直流混合微網系統架構

2.1 基于ERPABPTS的混合微網系統

當前直流微網逐漸成為了研究熱點。因此可在借鑒交流微網相關控制技術研究成果的基礎上，提出一種針對動力電池組測試設備的交直流混合微網發電系統（組網結構詳見研究內容部分圖2和圖3）。從圖2中可以看出，如果以每一個測試分廠為單元模塊，各個測試分廠組成了一個交流微網發電系統，如果從測試分廠單元模塊內部來看，其組成了一個直流母線電壓分層直流微網發電系統（見圖3）。因此，圖2實際上是一個具有交流微網和直流微網的混合微網發電系統。

圖2 基于能量回收的動力電池組測試設備的大規?；旌衔⒕W系統組成Fig.2 System configuration of massive hybrid micro-grid based on ERPABPTS

圖2中，測試一分廠中的直流分層微網內部結構組成如圖3所示。

圖3 基于ERPABPTS的多變流器直流母線電壓分層控制微網系統結構框圖Fig.3 Structure of hierarchical control of ERPABPTS-based hybrid AC-DC micro-grid

圖3中顯示了單個測試分廠的內部結構，可以看出其組成了一個交直流混合微網系統，該系統由兩層直流母線組成，分別為高壓直流母線和低壓直流母線，根據并網測試系統設備的功率等級來決定其并聯在哪一級，大功率測試設備并聯在高壓側，小功率測試設備并聯在低壓側。低壓直流母線側和高壓直流母線側分別與待測動力電池組通過雙向DC-DC變換器實現能量的交互。高/低壓直流母線之間采用雙向DC-DC變換器（圖3中白色框所示）相連接。系統中高/低壓直流母線側分別設置了儲能系統，以實現對能量的緩沖與維持直流母線電壓的穩定。為了防止由于待測電池組變流器工作模式、測試電流等的改變帶來的工作直流母線電壓的瞬間跌落、閃變等問題，項目提出的方案中采用了超級電容組，充分利用其瞬間大電流充放電接受和釋放能力，來對維系高/低壓直流母線側電壓穩定的暫態需求。

2.2 工作原理及其方案對比

對比圖1中傳統的基于ERPABPTS的交流微網發電系統，圖2和圖3中提出的交直流混合微網發電系統具有如下四個方面的優點：

（1）傳統的 ERPABPTS微源變流器內部由DC-DC和DC-AC兩級復合而成（見圖4b），屬于兩級變換，而論文中的微源型變流器內部由DC-DC變換器一級組成（見圖4a），因此，在動力電池組測試電壓/電流的精度和測試能量回饋效率方面具有較大的優勢。另外，由于結構簡化，測試設備的軟件量較低、可靠性也大為提高。

（2）傳統的ERPABPTS微源變流器需要實現與主網的電壓幅值和相位保持同步，另外，為了降低并網電流諧波含量，往往需要復雜的接入濾波器和控制算法，較為復雜，而本項目中只需要控制直流母線電壓，不牽涉同步問題，控制方式較為簡化。

（3）項目提出的混合交直流微網結構，待測動力電池組之間能量的交互可在直流母線層一級完成，而傳統的交流微網中的變流器則需要從主網一級完成，如圖4中藍色箭頭所示，故傳統方案中間過程較多、效率低、變流器結構復雜、系統總的能量利用效率較低。

（4）能量優化盡量在直流微網內部完成，例如，有電池組做充電測試，有的在進行放電測試，此時無需向傳統方案中經由主網兩級完成，可實現內部能量之間均衡的直接控制，與主網的 DC-AC變流器參與頻率較低。

3 結論

針對傳統基于交流微網結構的能量回收動力電池組測試系統中存在的變流器拓撲結構復雜，能量回收效率低，價格成本高等特點，提出了一種交直流混合微網發電系統，將測試變流器按照功率等級的不同，分別接在高壓和低壓側直流母線中。高低壓側設置了DC-DC變換器，實現能量的交互。

圖4 提出方案與傳統方案對比Fig.4 System comparison between the proposed s cheme and conventional scheme

上述方法能夠較高的實現電池充放電測試過程中的能量再利用效率，同時，由于電池測試變流器均為一級DC-DC變換器，故其拓撲結構大為簡化，由于直流微網級無需實現與電網電壓、頻率和相位的同步控制，系統可靠性得到大幅度提高，具有重要的工程實用價值。

[1] Long Bo,Chong Kil To.Parameter design and power flow control of energy recovery power accumulator battery pack testing system[J].J Electr Eng Technol,2013(8): 787-798.

[2] Long Bo,Ryu J H,Lim S T,et al.Design and control of a multi-functional energy recovery power accumulator battery pack testing system for electric vehicle[J].S.Energies,2014(7): 1376-1392.

[3] Long Bo,Kil To Chong.Modeling and direct power control of energy recovery power battery testing system under charging mode-a new approach[J].Int Rev Electr Eng-I,2012(7): 5993-6004.

[4] Long Bo,Ryu J H,Kil To Chong.Optimal switching table-based sliding mode control of an energy recovery Li-ion power accumulator battery pack testing system[J].Energies,2013(6): 5200-5218.

[5] 張國榮,徐宏.直流微網中的關鍵技術綜述[J].低壓電器,2012(5): 1-5.Zhang Guorong,Xu Hong.Survey of key technologies in DC Microgrid[J].Low Voltage Apparatus,2012(5): 1-5.

[6] 吳衛民,何遠彬,耿攀,等.直流微網研究中的關鍵技術[J].電工技術學報,2012,27(1): 98-106.Wu Weimin,He Yuanbin,Geng Pan,et al.Key technologies for DC micro-grids[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2012,27(1): 98-106.

[7] 王成山,楊占剛,王守相,等.微網實驗系統結構特征及控制模式分析[J].電力系統自動化,2010,34(1): 99-105.Wang Chengshan,Yang Zhangang,Wang Shouxiang,et al.Analysis of structural characteristics and control approaches of experimental micro-grid systems[J].Automation of Electric Power Systems,2010,34(1):99-105.