超級UPS中鋰電池功率變換單元設(shè)計

周佳男，陳 敏，李海津，林 平，胡長生，徐德鴻

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州 310027）

引言

隨著通信、互聯(lián)網(wǎng)以及工業(yè)等場合用電可靠性的要求的不斷提升，對不間斷電源[1-4]的可靠性、安全性的要求也隨之提高。為了進一步提升不間斷電源的供電可靠性，超級不間斷電源（super UPS）[5]的概念隨之產(chǎn)生。超級UPS中除了市電之外，還有燃氣發(fā)電、新能源等互相獨立的能源以增加系統(tǒng)備電的冗余，提高供電的可靠性[6]。

在超級UPS系統(tǒng)運行中，鋰電池功率變換單元除作為后備儲能單元外，還在不同能源切換的間隙中起著維持直流母線恒定和保證負載供電不間斷的作用。同時，鋰電池功率變換單元還要對電池的充、放電進行管理。由于鋰電池對電壓和電流都較為敏感[7-8]，過充或過放都會對電池造成不可恢復(fù)的損傷。因此鋰電池功率變換單元需要精確的充放電控制策略。文獻[9]介紹了一種帶有鋰電池功率變換單元的光伏逆變器，探討了光伏與儲能元件的功率控制方案；文獻[10]提出了一種依據(jù)電壓下垂特性實現(xiàn)兩臺鋰電池功率變換單元母線電壓自治的控制方案，但存在較大的母線電壓波動。

本文探討了超級UPS中鋰電池功率單元的接入需求，為提高電池充放電的精度，重點進行了檢測通道的誤差分析。設(shè)計的鋰電池功率變換單元方案在10 kW樣機中進行了驗證。

1 鋰電池功率變換單元接入需求

1.1 超級UPS介紹

圖1 為super UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在電網(wǎng)正常時，鋰離子電池處于充電模式；在電網(wǎng)掉電時，外部兩種能源進行切換的間隙，如電網(wǎng)切換到燃料電池、電網(wǎng)切換到燃氣發(fā)電，一般需要幾秒到數(shù)十秒，這時需要鋰電池功率變換器單元緊急放電并支撐母線，直至兩種能源完成切換。當(dāng)光伏發(fā)電能量大于負載需求時，鋰電池處于充電模式；當(dāng)燃氣、燃料電池發(fā)出功率小于負載所需功率時，鋰電池工作為電流源模式進行放電，補充輸出的功率缺口。

圖1 Super UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of super UPS

1.2 鋰電池

鋰電池組的參數(shù)如表1所示。

表1 鋰電池參數(shù)Tab.1 Parameters of Li-ion battery

由表1可知，鋰電池組接入的功率變換器需要良好的電壓控制精度，以實現(xiàn)電池450 V的限壓充電和392 V的放電截止保護。同時，考慮電池最大充放電流為0.5 C（23.25 A），功率變換器需要良好的電流控制保護能力。

2 鋰電池功率變換器設(shè)計

2.1 電池充放電要求

圖2 為鋰電池功率變換單元控制框圖，功率變換器采用雙Buck/Boost串聯(lián)結(jié)構(gòu)，輸入端連接鋰電池組，輸出端接入直流母線。2個Buck/Boost變換器相互獨立，驅(qū)動信號開關(guān)管g1與g2互補，g3與g4互補，g1與g3同相。

圖2 鋰電池功率變換單元控制框圖Fig.2 Control scheme of the Li-ion battery module

模式選擇開關(guān)將電感電流環(huán)連接至電池電壓環(huán)。鋰電池充電過程分為恒流充電、恒壓充電和充電終止3個階段，如圖3所示。

[0,t1]階段：恒流充電階段。此時電池電壓遠低于恒壓指令值vbat_ref，電池電壓環(huán)飽和并輸出限幅電流指令值icmax，電池的充電電流參考值iLref設(shè)定為icmax。隨著充電的進行，電池兩端的電壓漸漸上升，當(dāng)達到vbat.drop時，恒流充電階段結(jié)束。

[t1,t2]階段：恒壓充電階段，此時電池電壓接近恒壓指令值vbat_ref，電池電壓環(huán)退出飽和狀態(tài)，電池按恒壓方式充電，充電電流為電池電壓環(huán)計算得到的電感電流指令值iLchar；在t2時刻，當(dāng)電池充電電流小于充電截止電流icend時，恒壓充電階段結(jié)束。

t＞t2階段：充電終止階段。此時電池電壓慢慢回落至靜置電壓vbat_OC，雙向變換器停止工作。

圖3 鋰電池功率變換單元充電管理Fig.3 Charging management of the Li-ion battery model

根據(jù)表1的電池技術(shù)參數(shù)，恒壓值vbat_ref為vchar（450 V），而充電截止電壓 vchar,end為 455 V，因此需要變換器的電壓控制精度在5 V以內(nèi)，以防電池恒壓充電時電壓達到充電截止電壓。同時，充電截止電流icend設(shè)置為ichar.end（4.65 A），為了防止電池充電過滿或過少，需要電流控制精度在1 A以內(nèi)。

鋰電池放電過程如圖4所示，以電流源放電為例。模式選擇開關(guān)令電感電流環(huán)的指令值iLref等于電流源模式的指令值iL.disc，電池進行恒流放電。恒流放電過程中，電池電壓不斷減小，在t1時刻，當(dāng)電池電壓低于放電截止電壓vbat_disc時，放電結(jié)束，電池電壓慢慢回升至靜置電壓vbat_OC。

由表1可知，放電截止電壓vbat_disc設(shè)定為vdisc.end（392 V），為了防止控制精度不夠而導(dǎo)致的電池過放，同樣需要功率變換器電壓控制精度小于5 V。

圖4 鋰電池功率變換單元放電管理Fig.4 Discharging management of Li-ion battery

綜上所述，功率變換器需要在電池運行電壓范圍392～450 V內(nèi)實現(xiàn)5 V的電壓控制精度，在電池運行電流0.5 C范圍內(nèi)實現(xiàn)1 A的電流控制精度。

2.2 采樣調(diào)理電路設(shè)計

由于圖2所示的PI環(huán)路為無差控制系統(tǒng)[11]，故引起電池電壓、電流控制誤差的主要原因是采樣誤差[12]。本文重點分析電壓、電流檢測、調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換的誤差，以實現(xiàn)電池充放電的精度要求。圖5是功率變換器的電壓、電流檢測通道示意。

圖5 電壓/電流采樣方案Fig.5 Voltage and current sampling scheme

2.2.1 電流采樣誤差分析

電流檢測通道包含電流霍爾傳感器、運放、偏置電壓以及DSP的AD轉(zhuǎn)換。

電流霍爾傳感器的原邊為實際電感電流，副邊為轉(zhuǎn)換后的電流信號，則原副邊電流信號的誤差I(lǐng)s_Err（i）為

式中：Io為傳感器的零點失調(diào)電流；KN為轉(zhuǎn)換率；XG為轉(zhuǎn)換精度；i為原邊電流值。

副邊電流信號作用在測量電阻RM上，可以求得電流傳感器電壓信號誤差Vi_Err（i）為

式中，RM_max=RM（1+α），其中 α 為電阻精度。

1.5 V偏置電壓由穩(wěn)壓芯片生成，其對應(yīng)的偏置電平最大電壓誤差VKA_Err為

式中，II（dev）為穩(wěn)壓芯片輸入電流全范圍偏差；RI_max為

運放放大器輸出失調(diào)電壓VOO為

式中：VOOId為運放輸出差模失調(diào)電壓；VOOIc為運放輸出共模失調(diào)電壓，其計算公式[13]分別為

式中：VIO為運放輸入失調(diào)電壓；Avd為開環(huán)增益；Rp為同相端電阻；RN為反相端電阻；Rf為反饋電阻；IIO為輸入失調(diào)電流；IIB為輸入偏置電流。

模數(shù)轉(zhuǎn)換采用DSP-2808自帶的AD內(nèi)核，理論轉(zhuǎn)換精度12位，引入的模數(shù)轉(zhuǎn)換誤差VAD_Err計算公式為

式中，VAD_max為AD最大轉(zhuǎn)換電平，取值3 V。因此電流經(jīng)過采樣調(diào)理模數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)后進入控制器的總誤差為

表2 電流采樣元器件指標(biāo)參數(shù)Tab.2 Parameters of current sampling

表2 為所選電流采樣調(diào)理元器件的指標(biāo)參數(shù)，經(jīng)式（7）計算并轉(zhuǎn)換到原邊的電流最大采樣誤差曲線如圖6所示。由圖可見，在電池電流0.5 C（23.25 A）運行范圍內(nèi)，所選器件引入的電流采樣最大誤差在1 A以內(nèi)，滿足電流控制精度要求。

圖6 電流采樣最大誤差曲線Fig.6 Maximal sampling error curve of current

2.2.2 電壓采樣誤差分析

電壓采樣的誤差來源主要有：電壓霍爾傳感器誤差、運放失調(diào)誤差以及DSP的AD轉(zhuǎn)換誤差，其中運放及AD誤差已經(jīng)分析過，現(xiàn)分析電壓霍爾傳感器誤差。

電壓霍爾傳感器的原邊為采樣電壓，副邊為轉(zhuǎn)換后的電壓信號，則副邊電壓轉(zhuǎn)換誤差為

式中：RN0為原邊測量電阻；V為原邊電壓值。

電壓經(jīng)過采樣調(diào)理模數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)后進入控制器的總誤差 Vv_Err_all（V）為

表3 為所選電壓采樣調(diào)理元器件的指標(biāo)參數(shù)，經(jīng)式（9）計算并轉(zhuǎn)換到原邊的電壓最大采樣誤差曲線如圖7所示，可見，電池電壓在392～450 V范圍內(nèi)，所選器件引入的電壓采樣最大誤差在5 V以內(nèi)，滿足電池電壓運行范圍內(nèi)的控制精度要求。

表3 電壓采樣元器件指標(biāo)參數(shù)Tab.3 Parameters of voltage sampling

圖7 電壓采樣最大誤差曲線Fig.7 Maximal sampling error of voltage

3 實驗

為了驗證鋰電池功率變換單元設(shè)計的可行性，進行鋰電池功率變換單元測試和模式切換實驗。鋰電池功率變換單元實驗平臺的參數(shù)如表4所示。

表4 鋰電池功率變換器參數(shù)Tab.4 Parameters of Li-ion battery power converter

圖8 為功率變換器實測充電恒壓值（450 V）和放電截止電壓值（392 V）在不同電流條件下的控制誤差曲線，由圖可以看出，控制誤差小于5 V。

圖8 功率變換器電壓控制誤差Fig.8 Voltage control error of battery power conversion

圖9 為功率變換器實測電感電流平均值控制誤差曲線。由圖可以看到，實測的充放電方向電流控制誤差在0.1～0.5 C范圍內(nèi)，小于1 A。

圖9 功率變換器電流控制誤差Fig.9 Control error of the current

圖10 為鋰電池0.5 C恒流/恒壓的充電曲線，在充電開始至110 min時間內(nèi)，電池電壓遠低于恒壓值450 V，電池按23.25 A進行恒流充電，實際恒流平均值為23.07 A，控制精度0.8%。充電至110 min時，電池電壓444.6 V，接近恒壓值450 V，電池由恒流充電轉(zhuǎn)為恒壓充電，實測恒壓平均值448.9 V，控制精度0.25%。當(dāng)充電至124 min時，充電電流為4.96 A時充電結(jié)束，預(yù)設(shè)充電截止電流4.65 A，控制誤差0.31 A。

圖10 鋰電池0.5 C恒流/恒壓充電曲線Fig.10 CC/CV charging curve of Li-ion battery（0.5 C）

圖11 為電網(wǎng)掉電瞬間鋰電池功率變換單元緊急支撐母線的波形。其中圖11（a）為鋰電池功率變換單元充電時，電網(wǎng)掉電的切換波形，此時鋰電池功率變換單元緊急轉(zhuǎn)為電壓源放電模式并提供負載所需的4 kW功率；圖11（b）為鋰電池功率變換單元處于待機備電，電網(wǎng)掉電的切換波形，此時鋰電池功率變換單元轉(zhuǎn)為電壓源放電模式并提供負載所需10 kW功率。鋰電池功率變換單元在充電和待機狀態(tài)下均很好的實現(xiàn)了母線緊急支撐作用，符合系統(tǒng)要求。

圖11 電網(wǎng)掉電瞬間切換過程Fig.11 Switch process when grid faults

圖12 為其他能源控制直流母線時，鋰電池功率變換單元充電模式和電流源模式的切換波形。圖12（a）為充電模式（-9.3 A）切換至恒流源（10 A）模式的波形，圖 12（b）為恒流源（10 A）模式切換至充電模式（-9.3 A）的波形，切換過程電感電流尖峰均較小，符合設(shè)計要求。

圖12 其他能源控制母線時的切換過程Fig.12 Switch process when others sources control the bus

4 結(jié)語

本文探討了超級UPS中鋰電池功率單元的接入需求，為提高電池充放電的精度，重點分析了檢測通道的誤差。最后，在10 kW實驗平臺上，對功率變換單元的控制精度進行了驗證，并在超級UPS系統(tǒng)中，進行了鋰電池功率單元模式切換的實驗驗證。

[1]Zhao Biao,Song Qiang,Liu Wenhua,et al.Next-Generation Multi-Functional Modular Intelligent UPS System For Smart Grid[C].Industrial Electronics,IEEE Transactions on,2012,66（9）：3602-3618.

[2]Choi W,Enjeti P,Howze J W.Fuel Cell Powered UPS Systems：Design Considerations[C].The 34th IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference.Acapulco,United States,2003：385-390.

[3]Graditi G,Apicella A,Scognamiglio A,et al.Integration of PV and UPS：Analysis and Technical Evaluation[C].Proc.of PV in Europe from PV technology to energy solutions.Rome,Italy,2002：833-836.

[4]翁桃，佃松宜，蘇敏，等.小型直流UPS向 AC-DC模塊設(shè)計[J].電源學(xué)報，2011,9（4）：25-30.Weng Tao,Dian Songyi,Su Min,et al.Design of AC-DC module for a miniature DC UPS[J].Journal of Power Supply，2011,9（4）：25-30（in Chinese）.

[5]Li Haijin,Zhang Wenping,Xu Dehong.High-Reliability Long-Backup-time Super UPS with Multiple Energy Sources[C].IEEE Energy Conversion Congress and Exposition,2013：4926-4933.

[6]馬柯，朱棟才，李霄，等.燃料電池不間斷電源的功率變換拓撲研究[J].電源學(xué)報，2009,7（2）：155-163.Ma Ke,Zhu Dongcai,Li Xiao,et al.Power conversion topology study for fuel cell based UPS[J].Journal of Power Supply,2009,7（2）：155-163（in Chinese）.

[7]Panday A,Bansal H O.Temperature Dependent Circuit-Based Modeling Of High Power Li-Ion Battery For Plug-In Hybrid Electrical Vehicles[C].IEEE,2013：1-6.

[8]Bhide S，Shim T.Novel Predictive Electric Li-Ion Battery Model Incorporating Thermal and Rate Factor Effects[C].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2011,60（3）：819-829.

[9]Velasco D L F D,Rodri guez C L T,Garcera,G,et al.Photovoltaic Power System with Battery Backup with Grid-Connection and Islanded Operation Capabilities[C].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013,60（4）：1571-1581.

[10]Yu Xunwei,Huang Alex,Burgos Rolando,et al.A fully autonomous power management strategy for DC microgrid bus voltages.Applied Power Electronics Conference and Exposition （APEC）,2013.

[11]胡壽松.自動控制理論[M].北京：科學(xué)出版社,2013.

[12]李琳,集成運算放大器的誤差分析[J].計量與測試技術(shù),2006（12）：19-20.Li Lin.Error analysis of integrated operational amplifier[J].Measurement and Testing Technology,2006 （12）：19-20（in Chinese）.

[13]張佳民,楊寧.放大器失調(diào)電壓對交流有效值轉(zhuǎn)換器的影響分析[J].電測與儀表,2009,46（7）：60-61,80.Zhang Jiamin,Yang Ning.Analysis of amplifier offset voltage impacts the ac RMS[J].Electron Measurement and Instrument,2009,46（7）：60-61,80（in Chinese）.