一種電池儲(chǔ)能功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)研究

秦立新

（海軍駐上海江南造船(集團(tuán))有限公司軍事代表室， 上海 201913）

一種電池儲(chǔ)能功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)研究

秦立新

（海軍駐上海江南造船(集團(tuán))有限公司軍事代表室， 上海 201913）

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)適合于電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰以及重要負(fù)荷應(yīng)急保障等場(chǎng)合。在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中，功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是儲(chǔ)能電池與電網(wǎng)能量交互的接口。研究了一種適合大容量應(yīng)用的電池儲(chǔ)能并網(wǎng)逆變器的電路和控制策略，實(shí)現(xiàn)了電池充放電功率控制和電網(wǎng)側(cè)功率四象限控制。構(gòu)建了電池儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)驗(yàn)證提出的理論和方法。

電池儲(chǔ)能；功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；鋰電池

0 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，電力需求越來(lái)越大，電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)復(fù)雜程度不斷增加，對(duì)電力供應(yīng)的可靠性和電能質(zhì)量需求越來(lái)越高；同時(shí)，面對(duì)日益嚴(yán)峻的能源短缺及環(huán)境污染問(wèn)題，各國(guó)對(duì)可再生能源的開(kāi)發(fā)變得越來(lái)越積極。而大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)在一定程度上能夠解決以上問(wèn)題。

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、對(duì)場(chǎng)地和地理?xiàng)l件無(wú)特殊要求、具有良好的動(dòng)態(tài)特性，適合應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)或光伏電站功率波動(dòng)平滑、城市電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰以及重要負(fù)荷應(yīng)急保障等場(chǎng)合[1]。基于上述特點(diǎn)，電池儲(chǔ)能已成為應(yīng)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)和保證供電可靠的重要手段之一[2]，廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、新能源波動(dòng)功率平滑、重要負(fù)荷應(yīng)急保障等應(yīng)用場(chǎng)合[3]。

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包含儲(chǔ)能電池以及電池管理系統(tǒng)、儲(chǔ)能功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(PCS)、監(jiān)控系統(tǒng)、高級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)和安防系統(tǒng)等，其中儲(chǔ)能PCS是儲(chǔ)能電池模組和交流電網(wǎng)之間的接口，是實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池模組電網(wǎng)接入和充放電管理的關(guān)鍵設(shè)備，由于儲(chǔ)能電池成本較高，研究高效率、高可靠性的電池儲(chǔ)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(chǔ)能PCS，設(shè)計(jì)了關(guān)鍵電路元件參數(shù)，分析了PCS控制策略，構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

基于上述需求分析，以三相兩電平網(wǎng)側(cè)變流器為電路拓?fù)?，設(shè)計(jì)儲(chǔ)能PCS如圖1所示，圖中S1～S6為主功率開(kāi)關(guān)器件，三相電網(wǎng)電壓和網(wǎng)側(cè)電流瞬時(shí)值分別為vsa、vsb、vsc和ia、ib、ic，O點(diǎn)為交流電壓參考點(diǎn)；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(chǔ)能電池。idc和iB分別表示開(kāi)關(guān)側(cè)直流母線電流和電池側(cè)充放電電流，vdc表示電池電壓，N點(diǎn)表示直流母線參考點(diǎn)。設(shè)功率開(kāi)關(guān)器件是理想開(kāi)關(guān)，可以列出三相PCS的基本方程：

圖1 儲(chǔ)能PCS電路拓?fù)?/p>

由于三相三線PCS中三相網(wǎng)側(cè)電流瞬時(shí)值之和等于零：

結(jié)合式(2)，把式(1)中前三式相加可得到：

把式(3)代入式(1)并寫(xiě)成矩陣形式，可以得到三相PCS狀態(tài)方程(式(4))，根據(jù)式(4)可以進(jìn)行PCS控制環(huán)路推導(dǎo)和控制環(huán)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。

2 PCS控制策略

2.1 鎖相環(huán)算法[4-6]

對(duì)儲(chǔ)能PCS的控制中，需要實(shí)時(shí)掌握電網(wǎng)側(cè)電壓的頻率和相位信息，以便進(jìn)行同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換。

在三相電網(wǎng)電壓不平衡(相位突變、幅值不變)條件下(圖2)，裝置控制系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地鎖定電網(wǎng)電壓相位，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-p與電網(wǎng)電壓合成矢量的同步。

圖2 三相不平衡相位發(fā)生偏移示意圖

三相鎖相環(huán)技術(shù)是把對(duì)與電網(wǎng)電壓矢量同步的q軸電壓分量uq進(jìn)行閉環(huán)控制，令其逼近給定值0，從而鎖定電源相位，達(dá)到準(zhǔn)確檢測(cè)電網(wǎng)電壓相位的目的。

建立如圖3所示的相位反饋控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將鎖相誤差輸入PI調(diào)節(jié)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(jīng)過(guò)積分得到鎖相相位值。根據(jù)鎖相環(huán)計(jì)算出d-p與d’- p’坐標(biāo)系之間的鎖相相位值，使得原有d- p坐標(biāo)系在新的相位角下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)直至與d’- p’坐標(biāo)軸重合 (φ=0)，從而保證uq=0。

圖3 鎖相環(huán)控制系統(tǒng)框圖

2.2 系統(tǒng)控制算法[7-10]

采用基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的控制策略，控制框圖，如圖4所示。將網(wǎng)側(cè)電壓、電流經(jīng)過(guò)3s/2r坐標(biāo)變換，并且對(duì)電壓進(jìn)行矢量定向，使d、q軸上的電流分量id、iq分別控制網(wǎng)側(cè)的有功功率和無(wú)功功率。根據(jù)站控層對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率指令，實(shí)時(shí)計(jì)算d軸和q軸電流基準(zhǔn)。d軸和q軸電流基準(zhǔn)與各自電流反饋之差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器后，經(jīng)過(guò)前饋和解耦得到變流器交流側(cè)電壓的d、q分量ugd、ugq的調(diào)制信號(hào)，經(jīng)過(guò)SVPWM調(diào)制后生成PWM脈沖信號(hào)，進(jìn)而控制變流器運(yùn)行。

圖4 變換器控制算法

3 損耗計(jì)算

所計(jì)算的損耗基于 SVPWM 調(diào)制方法，且采用對(duì)稱SVPWM的脈沖產(chǎn)生方式。假設(shè)三相對(duì)稱，以下僅分析A相的損耗，B、C相相同。

3.1 導(dǎo)通損耗

設(shè)功率器件開(kāi)關(guān)頻率為fw，輸出基波頻率為fs，在一個(gè)基波周期內(nèi)每個(gè)器件開(kāi)關(guān)N次，則：

每次的導(dǎo)通損耗是功率器件上的電流、導(dǎo)通壓降和導(dǎo)通時(shí)間的乘積[10]。功率器件廠家所提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)中有開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通壓降Uce和續(xù)流二極管的導(dǎo)通壓降UF關(guān)于電流i的曲線，從而可以得到導(dǎo)通壓降。

參考電壓矢量利用其所在扇區(qū)的兩個(gè)電壓矢量和兩個(gè)零矢量作用不同的時(shí)間來(lái)合成，設(shè)這兩個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間分別是T1和T2，零矢量的作用時(shí)間為T(mén)0，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(shè)參考電壓矢量位于第k個(gè)扇區(qū)，A相上橋臂的導(dǎo)通時(shí)間為T(mén)pk，A相下橋臂的導(dǎo)通時(shí)間為T(mén)dk=Ts-Tpk，采用對(duì)稱SVPWM脈沖產(chǎn)生方法時(shí)，有：

故單相功率器件的導(dǎo)通損耗Pcon為：

3.2 開(kāi)關(guān)損耗

對(duì)于一相橋臂，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)關(guān)一次的過(guò)程中共產(chǎn)生一次開(kāi)通損耗、一次關(guān)斷損耗和一次反向恢復(fù)損耗。功率器件廠家所提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)中有開(kāi)通一次損耗的能量Eon、關(guān)斷一次損耗的能量Eoff以及續(xù)流二極管關(guān)斷一次的反向恢復(fù)損耗Err關(guān)于電流的曲線，因此單相橋臂的開(kāi)關(guān)損耗Pw為：

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證上述理論分析，構(gòu)建三相PCS實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，樣機(jī)額定容量25kVA，開(kāi)關(guān)頻率8kHz，滿足四象限功率運(yùn)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(cè)電壓范圍為600V～750V。

圖5示出了電網(wǎng)電壓對(duì)稱和不對(duì)稱時(shí)，儲(chǔ)能PCS的交流側(cè)電壓電流波形，根據(jù)實(shí)驗(yàn)波形，儲(chǔ)能PCS在電網(wǎng)電壓對(duì)稱和不對(duì)稱時(shí)均保持較好的控制效果。

圖5 實(shí)驗(yàn)波形

5 結(jié)論

本文研究了一種適合大容量應(yīng)用的電池儲(chǔ)能并網(wǎng)逆變器的電路和控制策略，實(shí)現(xiàn)了電池充放電功率控制和電網(wǎng)側(cè)功率四象限控制。構(gòu)建了電池儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了提出的理論和方法。

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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(yè)自動(dòng)化。