多電池組儲能系統(tǒng)雙向DC-DC變換器的研制

摘要：介紹了多電池組儲能系統(tǒng)中常用幾種電池充放電變換器的主電路拓?fù)浜凸ぷ髟恚εc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(gòu)成的電池充放電系統(tǒng)，功率為120 kW,能滿足3 路電池的獨(dú)立充放電要求。在鋰電池儲能系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yùn)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(dāng)今全球綠色能源、節(jié)能減排戰(zhàn)略中，不僅把風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(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，而且將能量儲存技術(shù)也作為今后的研究方向，特別是電池儲能系統(tǒng)，它不僅猶如一家特殊銀行,可以將夜間的谷電存起來白天用，或是將平日富余的電能存起來，到電力緊張甚至供電中斷時(shí)拿出來一解燃眉之急。

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

在電池儲能系統(tǒng)有兩個(gè)重要的組成部分，第一就是號稱心臟的電池儲能系統(tǒng)中的電池，負(fù)責(zé)能量的存儲和釋放;第二個(gè)就是號稱大動脈的電池儲能系統(tǒng)中的充放電變換器，它是電池儲能系統(tǒng)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(tǒng)中的電池不再單單采用傳統(tǒng)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(tǒng)中使用，因此電池儲能系統(tǒng)對充放電變化器的要求也越來越高，他不僅要求充放電變化器具有傳統(tǒng)的充放電功能，還需滿足電池電壓的寬范圍運(yùn)行、快速充放運(yùn)行、瞬時(shí)大功率輸出運(yùn)行、無功補(bǔ)償運(yùn)行、孤島運(yùn)行及多組電池的充放電運(yùn)行要求。

本文對多電池組儲能系統(tǒng)中電池充放電變換器的主電路拓?fù)浜凸ぷ髟磉M(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(chǔ)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(gòu)成的120 kW 電池儲能系統(tǒng)變換器。并在3 組鋰電池組構(gòu)成的電池儲能系統(tǒng)中進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，為多電池組儲能系統(tǒng)各路電池獨(dú)立充放電提供了一個(gè)成熟的解決方案。

1 主電路拓?fù)浜凸ぷ髟?/strong>

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

在多電池組儲能系統(tǒng)中，各電池不能并聯(lián)，需獨(dú)立充放電，僅一個(gè)PWM 雙向并網(wǎng)變換器滿足不了系統(tǒng)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，性價(jià)比低。對于多電池組儲能系統(tǒng)，采用圖1 所示主電路拓?fù)?多個(gè)DC-DC 變換器+ 1 個(gè)PWM 雙向并網(wǎng)變流器)結(jié)構(gòu)簡潔緊湊、性價(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(jù)電池組數(shù)量，配置相應(yīng)數(shù)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)電壓稱為直流母線電壓(Vdc)，則當(dāng)電池充放電時(shí)，DC-DC 變換器只需根據(jù)系統(tǒng)要求，往直流母線回饋或吸收能量，而PWM 雙向并網(wǎng)變流器則通過與電網(wǎng)能量的雙向流動，保證直流母線電壓(Vdc)的穩(wěn)定。

圖1 主電路拓?fù)?/p>

DC-DC 變換器拓?fù)湟灿卸喾N類型，文獻(xiàn)[3]介紹了一種多重化雙向DC/DC 變換器，文獻(xiàn)[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)是電池和直流母線隔離、兩邊均為單相全控橋變換器、可以工作在零電壓開關(guān)(ZVS)模式，但該變換器的缺點(diǎn)是開關(guān)器件多、驅(qū)動及控制電路復(fù)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(tǒng)。

圖2 雙向雙全控橋DC/DC 變換器。

文獻(xiàn)[5]詳細(xì)介紹了雙極性控制的全橋SPWM雙向變流器的系統(tǒng)構(gòu)成及原理，采用單相拓?fù)?，并研制了一臺1 kW 樣機(jī)進(jìn)行測試，其特點(diǎn)是開關(guān)頻率高，對電網(wǎng)污染小。文獻(xiàn)[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(dāng)電池放電時(shí)，變換器以Boost 模式工作;當(dāng)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(jié)構(gòu)簡單、開關(guān)器件數(shù)量少、損耗小、驅(qū)動和控制電路簡單、電池側(cè)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(tǒng)雙向DC-DC 變換器則采用圖3 所示拓?fù)?。該系統(tǒng)有3 組獨(dú)立電池，每組電池和變換器直流母線電壓參數(shù)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(gòu)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?fù)溥€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(qū)動及控制電路均可以借用，減少了開發(fā)時(shí)間、維護(hù)也比較方便。

圖4 3 組電池儲能系統(tǒng)雙向DC-DC 變換器。