链式储能系统电池侧二次脉动功率的抑制方法

陈 强 李 睿 蔡 旭,2

链式储能系统电池侧二次脉动功率的抑制方法

陈 强1李 睿1蔡 旭1,2

（1. 上海交通大学电子信息与电气工程学院风力发电研究中心 上海 200240 2. 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院海洋工程国家重点实验室 上海 200240）

链式变换器的电路结构适合应用于电池储能领域，然而单相变换器的本质决定了电池组与电网能量交换时有二次脉动功率，这将危害电池组的寿命。为了抑制传统链式储能系统电池侧的二次脉动功率，在电池与链式变换器之间插入一级双向升降压变换器，构成双级链式变换器。本文对比分析了传统单级链式与双级链式变换器在电池侧的功率脉动情况，提出双级链式变换器的控制策略，通过控制中间直流电容的电压纹波缓冲电池侧的功率脉动。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。

链式变换器 电池储能系统 二次脉动功率 升降压变换器

1 引言

由于电池储能系统（Battery Energy Storage System，BESS）具有响应速度快、能量密度高、环境条件好及技术成熟等优势，已经广泛应用于电力系统中的各个方面[1]。为配合新能源发电入网，平滑区域电力负荷，提高配电网可靠性等应用领域，大容量 BESS的需求日益增加。随着 BESS容量的增加，一般需要接入 10kV以上电压等级电网。

传统的BESS中功率转换系统（Power Conversion System，PCS）一般采用三相六开关两电平变换器拓扑，采用工频升压变压器接入中高压电网。如图 1所示。采用链式变换器[2-4]作为 PCS拓扑，可在单个模块的电压、电流等级较低的情况下，通过级联的方式接入高电压等级的电网。另外，链式变换器模块化的结构也使其具有较好的冗余特性，以上特点使得链式变换器适合作为大容量电池储能的 PCS[5-7]。文献[7]对基于链式变换器的电池储能系统进行了分析，系统地研究了功率控制和电池荷电状态（SOC）均衡控制等[8-9]。

图1 传统电池储能的链式变换器Fig.1 Traditional cascaded H-bridge converter for BESS

大容量 BESS中电池成本占主要部分，保证电池安全可靠运行，以延长电池寿命至关重要。然而链式变换器的每一个H桥单元均为单相变换器，H桥单元与电网交互能量时有二次脉动功率直接流过储能电池组，引起电池温度升高，进而影响电池的寿命[10]。传统 LC无源滤波的方式，由于需要滤除100Hz的纹波，所用的无源器件都比较庞大。而对于有源的方式，多数需要改变H桥的拓扑，且控制策略比较复杂[11-14]，不适合链式结构。

为了抑制传统链式变换器电池侧的二次脉动功率，本文在电池组与链式系统之间插入双向升降压电路，通过控制中间直流侧电容的电压波动来缓冲脉动功率。这种方法不改变H桥结构，控制简单，容易实现，并且对无源元件的要求不高，适合链式储能系统。

2 电池侧功率脉动分析

2.1 单级单相变换器

单级链式变换器的模块等效为单级单相变换器，如图2所示。直流侧电压由电池支撑，电池简单地等效为有内阻的电压源，所并联的电容起到滤除高频纹波的作用。

图2 单级单相变换器及主要波形Fig.2 Single-stage single phase converter and main waveforms

假设单级单相变换器输出电压的基波与电流为

式中，Uac为单级单相变换器输出电压基波的有效值，Iac为输出电流的有效值。则此时变换器与电网所交互的瞬时功率为

由式（2）可以看出，电池组与 H桥单元交互的功率分为有功功率和二次脉动功率，且二次脉动功率的大小仅与交流侧电压、电流有效值有关。

设电池电流为

式中，Ib为电池电流平均值，Δi为电池电流脉动幅值。忽略电池内阻上的功率，由有功功率守恒可得

直流侧电容所需缓冲的功率为

则在半个功率脉动周期，电容需要缓冲的能量为

根据电容电压与能量关系，有

式中，UC为电容的电压平均值，Δu为电容脉动幅值。忽略电池内阻上的压降，电容脉动幅值与电池电流脉动幅值有如下关系

联合式（4）、式（6）～式（8）可得电池侧功率脉动幅值为

由于电容电压 UC与电池电压 E相差不大，则式（9）可简化为

由式（10）可知，电池侧脉动功率与电池内阻以及所并联的电容有关。所并联的电容越大，电池侧脉动功率越小；电池内阻越小，电池侧脉动功率越大。假设Rb=0.5Ω，则电容取3.3mF时，只能使电池侧的脉动功率幅值减小为原来的 1/2。因此，单纯使用直流侧电容来缓冲脉动功率的方法是不可行的。

2.2 双级单相变换器

双级链式变换器的模块等效为双级单相变换器，其示意图如图3所示，即在电池与单相变换器间增加一个双向升降压电路。此时，直流侧电容不再直接与电池并联，因此可通过增大电容电压脉动幅值来缓冲二次脉动功率。

图3 双级单相变换器及主要波形Fig.3 Two-stage single phase converter and main waveforms

变换器与电网所交互的瞬时功率见式（2），假设二次脉动功率完全由直流侧吸收，则

此时在半个功率脉动周期，电容需要缓冲的能量为

联合式（7）、式（12）可以得到直流侧电容电压脉动幅值与电容值的关系

由上式可知，双级单相变换器可以完全吸收二次脉动，此时电池侧仅有功功率通过。链式变换器的单个模块的功率并不是很大，一般仅几十千瓦，因此可以在较小电容的前提下抑制电池侧的功率脉动。

3 双级链式变换器的控制策略

3.1 整体控制策略

单级链式变换器的控制策略已经比较成熟，底层控制器负责功率模块电压电流的采样、保护以及模块 IGBT的脉冲发生等；而主控制器则需要采样电网电压、电流，根据电网指令进行功率控制计算，下传占空比指令，以及根据电池管理系统（Battery Manage System, BMS）的信息来均衡电池的荷电状态（State of Charge, SOC）等。

双级链式变换器的控制策略与单级相比，主要是在底层控制器中增加了双向升降压变换器的控制。为了使单级链式变换器中的 SOC均衡等控制策略能够继续使用，链式变换器和双向升降压变换器必须分别独立控制：链式变换器完成功率控制，电池组SOC均衡控制；双向升降压变换器控制各H桥模块直流侧电容的电压平均值恒定，同时保证电池侧电流无脉动。

链式变换器的功率控制由电流解耦控制实现，根据瞬时功率理论，变流器的电流指令可由下式得到

式中，vsd、vsq为电网三相电压的 d、q轴分量，而idref、iqref为链式变换器的有功和无功功率指令。则变换器的输出电压指令为

链式变换器在生成输出电压指令后，根据BMS所反馈的 SOC信息，通过注入零序电压调节各 H桥单元与电网交换的功率，实现相间电池组的均衡控制；通过调节各H桥逆变器交流输出电压，实现相内各电池组的 SOC均衡控制[9]，这里不再赘述。

为了抑制电池侧的二次功率脉动，功率模块的直流侧电压有较大的纹波，势必对每个模块的输出有影响。而且在 SOC均衡时，每个模块的功率并不完全相同，从而每个模块的直流侧电压纹波幅值略不相同。因此主控制器只计算每个模块的输出电压指令，由底层控制器根据其模块直流侧电压计算占空比，生成脉冲信号。详细的控制示意图如图4所示。

图4 双级链式变换器控制示意图Fig.4 Control scheme of two-stage cascaded H-bridge converter

3.2 双向升降压变换器的控制策略

升降压变换器的电路结构简单，作为双向DC-DC变换器已有很多文献描述[15-17]。双向升降压变换器的控制目标是直流侧电容的电压平均值，本文选用电压、电流双闭环控制的方法，其控制框图如图5所示。其中UCref是直流侧电容电压参考值，uC是电容电压，ib是电池侧电流，D是输出占空比信号，经过载波比较后生成最终的PWM信号。

图5 双向Buck/Boost变换器控制框图Fig.5 Control scheme of bi-directional Buck/Boost converter

虽然给定的电容电压参考值是恒定值，但却希望其有100Hz的脉动纹波。由于直流侧电压纹波固定为100Hz，因此本文在直流侧电压反馈时增加了平均值环节，从而滤除低频脉动。另外平均值滤波环节的延时约为0.01s，基本上可以满足电压环的响应速度，从而减小功率突变时直流侧电压的波动。双级链式变换器参数如下表所示。图6给出了表中所描述系统的补偿前、后电压环增益的伯德图。可以看到，补偿后截止频率为 13.1 rad/s，保证了 100Hz的波动不会引入电流环，能够达到抑制二次脉动的目的。

表 双级链式变换器参数Tab. Main parameters of two-stage cascaded H-bridge converter

图6 电压环的伯德图Fig.6 Bode diagram of the voltage loop

4 仿真验证

根据上述控制策略，在Matlab/Simulink环境下搭建了一个单相双级链式变换器的模型。

双级链式变换器的主要电路参数见上表。双级链式储能变换器接入220V电网，额定功率为4kW，级联H桥的个数N=2，H桥模块开关频率fH=15kHz，滤波电感 1.2mH，H桥直流侧电压 200V，电池组电压96V，双向 Buck/Boost变换器的开关频率fbb= 15kHz。

图7给出了根据式（13）得到直流电容和电容电压纹波的关系。这里取直流电容电压纹波幅值为直流侧电压的 5%，即 10V，则选择 C=1 650μF即可满足要求。

图7 直流电容与直流电容电压纹波幅值的关系Fig.7 Relationship between capacitance value and voltage ripple amplitude

图8 给出了储能变换器额定功率放电时，电池电流ib和电容电压的波形。可以看出，直流侧电压的波动为10V，而电池电流已无二次脉动，仅为15kHz的高频脉动。电容电压的平均值为 200V，且有±10V左右的二次工频脉动。因此，双级链式可以在正常工作的情况下，实现对电池侧二次脉动功率的抑制。

图8 双级H桥直流侧电容电压及电池电流波形Fig.8 Transient waveforms of the capacitive voltage and the battery current

5 实验验证

为了验证双级链式变换器对电池侧二次脉动功率的抑制方法，在实验室搭建了实验样机（参数见表）。同时为了对比，也给出了未插入双向 DC-DC变换器单级链式变换器的实验波形。

图9给出链式变换器额定工作时的变换器侧电压、电网电压和电流的波形。可以看到，此时变换器侧电压为正常的五电平波形，电网电压与电流同相，链式储能变换器处于放电状态。

图9 链式变换器实验样机的主要波形Fig.9 Main waveforms of cascaded H-bridge converter

图 10给出了单级链式变换器 H桥侧的电容电压波形和电池电流波形。可以看到，直流侧电容电压基本没有波动，而电池电流为100Hz的脉动，其平均值仅为10A，脉动幅值也为10A。图11则是双级链式变换器H桥的电容电压和电池电流，其中电容电压纹波幅值为 10V。经傅里叶分析可知，电池电流的平均值为22A，二次脉动纹波幅值为0.85A。

图10 单级链式H桥直流侧电容电压及电池电流波形Fig.10 Waveforms of capacitive voltage and the battery current for single-stage CHB converter

图11 双级链式H桥直流侧电容电压及电池电流波形Fig.11 Waveforms of capacitor voltage and the battery current for two-stage CHB converter

由图10与图11的波形对比可知，双级H桥可以有效地缓冲二次脉动功率，减小电池侧电流的二次脉动，从而提高电池储能系统的寿命和可靠性。

6 结论

传统链式储能变换器的电池侧有二次脉动功率，引起电池内阻损耗大幅增加，造成电池的温度升高，严重影响电池的寿命。本文提出使用双级链式变换器来抑制二次脉动功率的方法，针对传统链式和双级链式变换器电池侧功率脉动进行了对比分析，并深入讨论了双级链式变换器的控制策略。在控制双级H桥直流侧电容电压平均值的同时，避免二次脉动引入电流环，从而使电容电压发生波动，吸收二次脉动功率。仿真与实验验证了本文方法的可行性，双级链式变换器可以抑制电池侧二次脉动功率，从而为大容量链式储能系统的实际应用奠定了基础。

[1] 张文亮, 丘明, 来小康. 储能技术在电力系统中的应用[J]. 电网技术, 2008, 32(7): 1-9.

Zhang Wenliang, Qiu Ming, Lai Xiaokang. Application of energy storage technologies in power system [J]. System Technology, 2008, 32(7): 1-9.

[2] 单庆晓, 李永东, 潘孟春. 级联型逆变器的新进展[J]. 电工技术学报. 2004, 19(2): 1-9.

Shan Qingxiao, Li Yongdong, Pan Mengchun. A review on cascaded inverter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2004, 19(2): 1-9.

[3] 袁志昌, 宋强, 滕乐天, 等. 大容量链式 STATCOM 150Hz 优化 PWM 控制策略的研究[J]. 电工技术学报, 2004, 19(8): 83-87.

Yuan Zhichang, Song Qiang, Teng Letian, et al. 150Hz optimal PWM control for high-power STATCOM employing cascade multilevel inverters[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2004, 19(8): 83-87.

[4] 刘庆丰, 王华民, 刘丁. 级联型多电平逆变器中的谐波控制[J]. 电工技术学报, 2006, 21(10): 38-43.

Liu Qingfeng, Wang Huamin, Liu Ding. Study of harmonics control for cascade multilevel inverter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2006, 21(10): 38-43.

[5] Tolbert L M, Peng Fangzheng. Multilevel converters as a utility interface for renewable energy systems[C]. IEEE Power Engineering Society Summer Meeting, Seattle WA, USA, 2000.

[6] Liu Liming, Li Hui, Wu Zhichao, et al. A cascaded photovoltaic system integrating segmented energy storages with self-regulating power allocation control and wide range reactive power compensation[J]. IEEE Trans. on Power Electronics, 2011, 26(12): 3545-3559.

[7] Maharjan L, Yoshii T, Inoue T, et al. A transformerless energy storage system based on cascade multilevel PWM converter with star configuration[J]. IEEE Trans. on Industry Application, 2008, 44(5): 1621-1630.

[8] Maharjan L, T Tsukasa Y, Akagi H Active-power control of individual converter cells for a battery energy storage system based on a multilevel cascade PWM converter[J]. IEEE Trans. on Power Electronics, 2012, 27(3): 1099-1107.

[9] Maharjan L, Inoue S, Akagi H, et al. State-of-charge (SOC)-balancing control of a battery energy storage system based on a cascade PWM converter[J]. IEEE Trans. on Power Electronics, 2009, 24(6): 1628-1636.

[10] Shimizu T, Fujita T, Kimura G, et al. A unity power factor PWM rectifier with DC ripple compensation[J]. IEEE Trans. on Industry Electronics, 1997, 44(4): 447-455.

[11] Larsson T, Ostlund S. Active DC link filter for two frequency electric locomotives[C]. Electric Railways United Europe Conference, 1995.

[12] Shimizu T, Jin Y, Kimura G. DC ripple current reduction on a single-phase PWM voltage-source rectifier[J]. IEEE Trans. on Industry Application, 2000, 36(4): 1419-1429.

[13] Tsuno K, Shimizu T, Wada K. Optimization of the DC ripple energy compensating circuit on a single-phase voltage source PWM rectifier[C]. IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2004.

[14] Wang R, Wang F, Boroyevich D, et al. A high power density single phase PWM rectifier with active ripple energy storage[C]. IEEE Power Electron. Conference, 2010.

[15] 张方华, 朱成花, 严仰光. 双向DC-DC变换器的控制模型[J]. 中国电机工程学报, 2005, 25(11): 46-49.

Zhang Fanghua, Zhu Chenghua, Yan Yangguang. The controlled model of bi-directional DC-DC converter [J]. Proceedings of the CSEE, 2005, 25(11): 46-49.

[16] 金一丁, 宋强, 刘文华. 电池储能系统的非线性控制器[J]. 电力系统自动化, 2009, 33(7): 75-80.

Jin Yiding, Song Qiang, Liu Wenhua. Nonlinear controller for battery energy storage system[J]. Automation of Electric Power Systems, 2009, 33(7): 75-80.

[17] 张国驹, 唐西胜, 齐智平. 超级电容器与蓄电池混合储能系统在微网中的应用[J]. 电力系统自动化, 2010, 34(12): 85-89.

Zhang Guoju, Tang Xisheng, Qi Zhiping. Application of hybrid energy storage system of super-capacitors and batteries in a microgrid[J]. Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(12): 85-89.

Method of Second-Order Ripple Power Suppression for Battery in Cascaded H-Bridge Storage System

Chen Qiang1 Li Rui1 Cai Xu1,2

（1. Wind Power Research Center Shanghai Jiaotong University Shanghai 200240 2. State Key Laboratory of Ocean Engineering Shanghai Jiaotong University Shanghai 200240）

Cascaded H-bridge converter is suitable for battery energy storage system. However, as a sort of single-phase converter, its essence determines that second-order ripple power will exist in the DC bus when power exchanging between battery and the power grid, which will be harm to battery life. In order to restrain the second-order ripple power of traditional cascaded H-bridge converter, a bi-directional Buck/Boost converter is added between battery and cascaded H-bridge converter, which forms two-stage cascaded H-bridge converter. This article compares and analyses the second-order ripple power of traditional and two-stage cascaded H-bridge converter at the battery and then proposes the control strategy. By controlling the ripple voltage of the middle capacitor, the ripple power at the battery side will be buffered. Simulation and experimental results verify the feasibility of the theory.

Cascaded H-bridge converter, battery energy storage system, second-order ripple power, Buck/Boost converter

TM715

陈 强 男，1989年生，博士，研究方向为级联多电平电池储能系统。

国家 863智能电网重大专项（2011AA05A111），上海市科学基金（11dz1200204）资助项目。

2013-05-22 改稿日期 2013-01-01

李 睿 男，1980年生，副教授，研究方向为储能系统、大功率变换器技术。