一种电池储能功率转换系统研究

秦立新

（海军驻上海江南造船(集团)有限公司军事代表室， 上海 201913）

一种电池储能功率转换系统研究

秦立新

（海军驻上海江南造船(集团)有限公司军事代表室， 上海 201913）

电池储能系统适合于电网调频调峰以及重要负荷应急保障等场合。在电池储能系统中，功率转换系统是储能电池与电网能量交互的接口。研究了一种适合大容量应用的电池储能并网逆变器的电路和控制策略，实现了电池充放电功率控制和电网侧功率四象限控制。构建了电池储能实验平台来验证提出的理论和方法。

电池储能；功率转换系统；锂电池

0 引言

随着社会的不断发展，电力需求越来越大，电力系统规模不断扩大，电网复杂程度不断增加，对电力供应的可靠性和电能质量需求越来越高；同时，面对日益严峻的能源短缺及环境污染问题，各国对可再生能源的开发变得越来越积极。而大容量储能技术在一定程度上能够解决以上问题。

电池储能系统无运动部件、对场地和地理条件无特殊要求、具有良好的动态特性，适合应用于风电场或光伏电站功率波动平滑、城市电网调频调峰以及重要负荷应急保障等场合[1]。基于上述特点，电池储能已成为应对电网负荷波动和保证供电可靠的重要手段之一[2]，广泛应用于电网调峰调频、新能源波动功率平滑、重要负荷应急保障等应用场合[3]。

电池储能系统主要包含储能电池以及电池管理系统、储能功率转换系统(PCS)、监控系统、高级应用系统和安防系统等，其中储能PCS是储能电池模组和交流电网之间的接口，是实现储能电池模组电网接入和充放电管理的关键设备，由于储能电池成本较高，研究高效率、高可靠性的电池储能PCS具有重要意义。

研究了基于三相两电平变流器的电池储能PCS，设计了关键电路元件参数，分析了PCS控制策略，构建了实验样机并进行了实验验证。

基于上述需求分析，以三相两电平网侧变流器为电路拓扑，设计储能PCS如图1所示，图中S1～S6为主功率开关器件，三相电网电压和网侧电流瞬时值分别为vsa、vsb、vsc和ia、ib、ic，O点为交流电压参考点；L和R分别为滤波电感及其寄生电阻和线路电阻值，C表示PCS输出直流滤波电容，B表示PCS储能电池。idc和iB分别表示开关侧直流母线电流和电池侧充放电电流，vdc表示电池电压，N点表示直流母线参考点。设功率开关器件是理想开关，可以列出三相PCS的基本方程：

图1 储能PCS电路拓扑

由于三相三线PCS中三相网侧电流瞬时值之和等于零：

结合式(2)，把式(1)中前三式相加可得到：

把式(3)代入式(1)并写成矩阵形式，可以得到三相PCS状态方程(式(4))，根据式(4)可以进行PCS控制环路推导和控制环补偿网络设计。

2 PCS控制策略

2.1 锁相环算法[4-6]

对储能PCS的控制中，需要实时掌握电网侧电压的频率和相位信息，以便进行同步旋转坐标变换。

在三相电网电压不平衡(相位突变、幅值不变)条件下(图2)，装置控制系统能够快速、准确地锁定电网电压相位，实现旋转坐标系d-p与电网电压合成矢量的同步。

图2 三相不平衡相位发生偏移示意图

三相锁相环技术是把对与电网电压矢量同步的q轴电压分量uq进行闭环控制，令其逼近给定值0，从而锁定电源相位，达到准确检测电网电压相位的目的。

建立如图3所示的相位反馈控制系统。该系统将锁相误差输入PI调节器，为加快锁相速度，将输出值加上初始工频角频率ω0，从而得到锁相的角频率输出，经过积分得到锁相相位值。根据锁相环计算出d-p与d’- p’坐标系之间的锁相相位值，使得原有d- p坐标系在新的相位角下进行旋转直至与d’- p’坐标轴重合 (φ=0)，从而保证uq=0。

图3 锁相环控制系统框图

2.2 系统控制算法[7-10]

采用基于同步旋转坐标系的控制策略，控制框图，如图4所示。将网侧电压、电流经过3s/2r坐标变换，并且对电压进行矢量定向，使d、q轴上的电流分量id、iq分别控制网侧的有功功率和无功功率。根据站控层对储能系统的功率指令，实时计算d轴和q轴电流基准。d轴和q轴电流基准与各自电流反馈之差经过PI调节器后，经过前馈和解耦得到变流器交流侧电压的d、q分量ugd、ugq的调制信号，经过SVPWM调制后生成PWM脉冲信号，进而控制变流器运行。

图4 变换器控制算法

3 损耗计算

所计算的损耗基于 SVPWM 调制方法，且采用对称SVPWM的脉冲产生方式。假设三相对称，以下仅分析A相的损耗，B、C相相同。

3.1 导通损耗

设功率器件开关频率为fw，输出基波频率为fs，在一个基波周期内每个器件开关N次，则：

每次的导通损耗是功率器件上的电流、导通压降和导通时间的乘积[10]。功率器件厂家所提供的数据手册中有开关管的导通压降Uce和续流二极管的导通压降UF关于电流i的曲线，从而可以得到导通压降。

参考电压矢量利用其所在扇区的两个电压矢量和两个零矢量作用不同的时间来合成，设这两个电压矢量的作用时间分别是T1和T2，零矢量的作用时间为T0，则：

式中：M为线电压最大值与直流电压之比；δ为参考电压矢量的空间位置角度。

设参考电压矢量位于第k个扇区，A相上桥臂的导通时间为Tpk，A相下桥臂的导通时间为Tdk=Ts-Tpk，采用对称SVPWM脉冲产生方法时，有：

故单相功率器件的导通损耗Pcon为：

3.2 开关损耗

对于一相桥臂，在每个开关周期开关一次的过程中共产生一次开通损耗、一次关断损耗和一次反向恢复损耗。功率器件厂家所提供的数据手册中有开通一次损耗的能量Eon、关断一次损耗的能量Eoff以及续流二极管关断一次的反向恢复损耗Err关于电流的曲线，因此单相桥臂的开关损耗Pw为：

4 实验结果

为了验证上述理论分析，构建三相PCS实验样机，样机额定容量25kVA，开关频率8kHz，满足四象限功率运行需要。PCS采用TMS320F28335DSP控制，主功率器件为2MBI600VN-120-50功率模块。PCS电池侧电压范围为600V～750V。

图5示出了电网电压对称和不对称时，储能PCS的交流侧电压电流波形，根据实验波形，储能PCS在电网电压对称和不对称时均保持较好的控制效果。

图5 实验波形

5 结论

本文研究了一种适合大容量应用的电池储能并网逆变器的电路和控制策略，实现了电池充放电功率控制和电网侧功率四象限控制。构建了电池储能实验平台，验证了提出的理论和方法。

[1] 刘 刚, 梁 燕, 胡四全, 等. 电池储能系统双向PCS的研制[J]. 电力电子技术, 2010, 44(l0): 12-13.

[2] 桑丙玉, 杨 波, 李官军, 等. 分布式发电与微电网应用的锂电池储能系统研究[J]. 电力电子技术, 2012,44(l0): 57-59.

[3] 罗松涛, 杨军伟. 基于DSP的三相PCS在电池储能中的应用[J]. 电力电子技术, 2011, 45(l0): 37-39.

[4] 吴 昇，吴先良, 郭玉堂. 三相锁相环在蓄电池充放电装置中的应用研究[J]. 电气传动, 2011, 41(11): 38-40.

[5] 琚兴宝, 徐至新, 邹建龙, 等. 基于DSP的三相软件锁相环设计[J]. 通信电源技术, 2004, 21(5): 1-4.

[6] 龚锦霞, 解 大, 张延迟. 三相数字锁相环的原理及性能[J]. 电工技术学报, 2009, 24(10): 94-99.

[7] 徐德鸿. 电力电子系统建模及控制[M]. 北京: 机械工业出版社, 2005.

[8] 魏 星. 基于 LCL 滤波器的三相并网逆变器的研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2011.

[9] 周 杨. 基于LCL滤波器的风力发电网侧变换器的研究[D]. 保定: 华北电力大学, 2010.

[10] 李欣然. 基于LCL滤波的大功率三相电压型PCS的研究与实现[D]. 北京: 北京交通大学, 2011.

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，工程师。研究方向：工业自动化。