多電池組儲能系統雙向DC-DC變換器的研制

摘要：介紹了多電池組儲能系統中常用幾種電池充放電變換器的主電路拓撲和工作原理，并對與電池連接的雙向DC-DC 變換器的控制策略進(jìn)行了研究。研制了一臺由3 路雙向DC-DC 變換器和1 路雙向PWM 變流器構成的電池充放電系統，功率為120 kW,能滿(mǎn)足3 路電池的獨立充放電要求。在鋰電池儲能系統中的實(shí)驗結果表明，研制的雙向DC-DC 變換器，具有電池充電、電池放電、孤島運行和電池互充放電等多種功能，而且充電電流紋波電流小于0.5%,波形平滑，可適用于多組，寬范圍電壓的電池組的充放電要求。

0 引言

在當今全球綠色能源、節能減排戰略中，不僅把風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、生物發(fā)電和核能發(fā)電技術(shù)作為優(yōu)先發(fā)展和政策扶持的對象，而且將能量?jì)Υ婕夹g(shù)也作為今后的研究方向，特別是電池儲能系統，它不僅猶如一家特殊銀行,可以將夜間的谷電存起來(lái)白天用，或是將平日富余的電能存起來(lái)，到電力緊張甚至供電中斷時(shí)拿出來(lái)一解燃眉之急。

而且也是城市電網(wǎng)削峰填谷的調度高手,更是風(fēng)光互補儲能系統的關(guān)鍵設備不管是新能源的發(fā)展、還是智能電網(wǎng)的發(fā)展都離不開(kāi)它。

在電池儲能系統有兩個(gè)重要的組成部分，第一就是號稱(chēng)心臟的電池儲能系統中的電池，負責能量的存儲和釋放;第二個(gè)就是號稱(chēng)大動(dòng)脈的電池儲能系統中的充放電變換器，它是電池儲能系統能量傳遞的雙向高速通道。二者缺一不可，密不可分。

電池儲能系統中的電池不再單單采用傳統的鉛酸蓄電池，鈉硫電池、釩電池、鋰電池和鎳氫電池等也紛紛在電池儲能系統中使用，因此電池儲能系統對充放電變化器的要求也越來(lái)越高，他不僅要求充放電變化器具有傳統的充放電功能，還需滿(mǎn)足電池電壓的寬范圍運行、快速充放運行、瞬時(shí)大功率輸出運行、無(wú)功補償運行、孤島運行及多組電池的充放電運行要求。

本文對多電池組儲能系統中電池充放電變換器的主電路拓撲和工作原理進(jìn)行了分析，特別是與電池接口的雙向DC-DC 變換器進(jìn)行了研究，在此基礎上，研制了一臺由多路雙向DC-DC 變換器和雙向并網(wǎng)變流器構成的120 kW 電池儲能系統變換器。并在3 組鋰電池組構成的電池儲能系統中進(jìn)行了試驗驗證，為多電池組儲能系統各路電池獨立充放電提供了一個(gè)成熟的解決方案。

1 主電路拓撲和工作原理

在電池儲能系統中，如果是單組電池，則只需一個(gè)由三相IGBT 全橋電路構成的雙向并網(wǎng)變換器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)PWM 雙向并網(wǎng)變換器)就可以實(shí)現電池的充放電功能。

在多電池組儲能系統中，各電池不能并聯(lián)，需獨立充放電，僅一個(gè)PWM 雙向并網(wǎng)變換器滿(mǎn)足不了系統要求，雖然也可以每個(gè)電池組均配一個(gè)PWM 雙向并網(wǎng)變換器，但這樣的成本較高、體積較大，性?xún)r(jià)比低。對于多電池組儲能系統，采用圖1 所示主電路拓撲(多個(gè)DC-DC 變換器+ 1 個(gè)PWM 雙向并網(wǎng)變流器)結構簡(jiǎn)潔緊湊、性?xún)r(jià)比高，即在電網(wǎng)端配置一個(gè)PWM 雙向并網(wǎng)變流器，在電池端則根據電池組數量，配置相應數量的DC-DC 變換器，如果將DC-DC 變換器和PWM 雙向并網(wǎng)變流器連接點(diǎn)電壓稱(chēng)為直流母線(xiàn)電壓(Vdc)，則當電池充放電時(shí)，DC-DC 變換器只需根據系統要求，往直流母線(xiàn)回饋或吸收能量，而PWM 雙向并網(wǎng)變流器則通過(guò)與電網(wǎng)能量的雙向流動(dòng)，保證直流母線(xiàn)電壓(Vdc)的穩定。

圖1 主電路拓撲

DC-DC 變換器拓撲也有多種類(lèi)型，文獻[3]介紹了一種多重化雙向DC/DC 變換器，文獻[4]也介紹了圖2 所示雙向雙全控橋DC/DC 變換器，該變換器的特點(diǎn)是電池和直流母線(xiàn)隔離、兩邊均為單相全控橋變換器、可以工作在零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)模式，但該變換器的缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)器件多、驅動(dòng)及控制電路復雜、受高頻變壓器的限制，其變換器容量不能做得太大，僅適用中小功率系統。

圖2 雙向雙全控橋DC/DC 變換器。

文獻[5]詳細介紹了雙極性控制的全橋SPWM雙向變流器的系統構成及原理，采用單相拓撲，并研制了一臺1 kW 樣機進(jìn)行測試，其特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率高，對電網(wǎng)污染小。文獻[3-5]共同特點(diǎn)是幾十千瓦以下的中小功率變換器，針對的也是一組電池的充放電。對于100 kW 以上的大功率和多組電池的充放電還需采用更加適用的變換器。

圖3 所示另一種雙向DC-DC 變換器，當電池放電時(shí)，變換器以Boost 模式工作;當電池充電時(shí)，變換器以Buck 模式工作。該變換器的特點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)器件數量少、損耗小、驅動(dòng)和控制電路簡(jiǎn)單、電池側輸出采用LCL 濾波，能有效地減小電池端的紋波電壓和紋波電流，該變換器的不足是電池和直流母線(xiàn)不隔離，共地。

圖3 雙向DC-DC 變換器。

本文研制的120 kW 鋰電池儲能系統雙向DC-DC 變換器則采用圖3 所示拓撲。該系統有3 組獨立電池，每組電池和變換器直流母線(xiàn)電壓參數如下：

單組電池額定電壓：DC400 V;

單組電池電壓范圍：DC330~DC460 V;

單組電池最大充電電流：110 A;

單組電池最大放電電流：110 A;

變換器直流母線(xiàn)額定電壓Vdc:DC500 V

為了與其他產(chǎn)品兼容，本文研制的120 kW 雙向DC-DC 變換器采用2 個(gè)三相IGBT 全橋電路(PWM1 和PWM2)構成，圖4 所示，兩個(gè)半橋輸出并聯(lián)作為1 路DC-DC 變換器，采用該拓撲還有一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)是雙向DC-DC變換器與PWM雙向并網(wǎng)變換器均是采用的三相IGBT 全橋電路，因此二者的IGBT 功率模塊(IGBT、散熱器、電容)IGBT的驅動(dòng)及控制電路均可以借用，減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間、維護也比較方便。

圖4 3 組電池儲能系統雙向DC-DC 變換器。