应用于煤矿井下应急电源的电池电子标准模块设计

周 友，吴 峂，牛建娜，赵璐璐，范玉建



应用于煤矿井下应急电源的电池电子标准模块设计

周 友，吴 峂，牛建娜，赵璐璐，范玉建

（北京低碳清洁能源研究所，北京 102209）

鉴于目前国内只有48 V锂离子电池组能够通过安全标准认证的现实情况，标准电池储能系统不能被直接用来为几百伏额定电压的电机/泵类电器负荷提供应急电源。本文开发了一种名为电池电子标准单元的模块化设计系统，该系统可以将48 V的电池/变频器模块以即插即用的形式根据负荷的实际需要整合到一起。该系统提供了一种新颖的、集成的电池及电力电子系统控制构架，该构架能够在不使用额外的电池管理系统（BMS）的情况下构建稳定可靠的储能系统。基于上述概念，一种新颖的、被定义为能源计算机的分布式能源系统构架被本文提出并与普通个人计算机进行了类比说明。

电池电子标准模块（BEBB）；储能；应急电源应用；蓄电池储能系统；能源计算机；能源操作系统（EOS）

作为国内典型的工业配电网，煤矿供电系统通常采用双电源/双回路构架为重要负荷供电，即以高资本投入和高维护费用换取供电的安全性和可靠性。伴随着主动配电网技术的高速发展，特别是越来越多分布式电源点的加入，使得通过其它替代方案满足以煤矿电网为代表的重要配电网的安全性和可靠性标准要求成为可能。作为世界最大的煤炭生产企业及中国主要的一次能源供应商，神华集团一直积极推进主动配电网及其应用技术的发展。从系统集成及技术应用的角度来说，由于电池储能系统可实现应急电源、功率质量管理、分布式发电平滑以及削峰填谷等多种功能，因而已经成为神华集团重点关注的领域之一。

在所有的电池技术当中，锂离子电池已经被证实在实际应用方面具有最好的技术成熟度以及性价比[1-4]。为达到电能转换系统所需的电压等级，需要将大量的电池单体串联起来使用，因此也导致了人们对其安全性能方面的担忧。目前典型的解决方案是将几百个电池单体串联使用以获得几百伏的电压输出[5]。但是，由于中国煤矿行业的安全标准不允许使用超过48 V的锂离子电池系统，因而基于大规模串联使用的解决方案在煤矿行业实际应用中受到了很大限制。

在现有电力电子标准模块（PEBB）概念的启发下，本文提出了一种名为电池电子标准模块（BEBB）的全新概念，并基于此概念给出了具体的解决方案：① 本方案的主要优势在于可以提供基于低压电池模块的“即插即用”构架，因此可以轻松实现低成本、高可靠性的电池储能系统构建；② 由于在模块级别集成了变流器控制和电池管理系统，因而可以在系统级别轻松实现具有高度灵活性和可扩展性的全分布式控制构架；③ 本概念还可以向外延展到面向更广阔应用的一种标准化的能量内存单元；④ 基于与传统个人计算机的对比，本研究还提出了能源计算机的概念；⑤ 能源计算机的概念重新定义了面向未来能源互联网的分布式能源系统的构架，同时也为未来的智能能源系统拓展了更为广阔的发展空间。

1 煤矿应用

1.1 应用背景

为避免高浓度瓦斯气体在井下采掘工作面的聚集，井下的通风机通常被强制要求采用持续工作方式且其停机时间不得超过5 s。

1.2 现有方案

为满足上述要求，现有煤矿电源系统一般都会采用如图1所示的双电源/双回路/双风机配置方式。为确保双电源的独立性，第二电源通常需要经过长距离电缆与远方的变电所相连。这种冗余设计方式可以有效避免单点故障，但其也带来了投资和维护成本高以及使用率不足（低于5%）等问题。

1.3 基于BESS的方案

为有效节约成本，本文提出的基于BESS的解决方案如图2所示。由于在本地安装了BESS系统，第二电源点的建设及其传输线路的相关投资都可以被节约，从而大大降低了系统的建设和运行成本。

2 BEBB设计

目前，针对井下矿用系统的设计要求，其不能使用单体容量超过60 A·h、总电压超过48 V的锂离子电池包。除此之外，系统之间的并联使用也是不推荐采用的。煤矿通风机负荷的额定电压为400 V。

为应对上述严格的系统要求，本研究提出并设计了电池电子模块单元（BEBB）。图3所示为BEBB的系统构架及其与BESS的关系。

BEBB的方案设计是基于输入/输出通过多绕组隔离变压器共直流母线的多电平H桥电路实现的。其电路示意如图4(a)所示。

与如图4所示的传统设计方案相比，本设计的主要特点为：① 模块化设计；② 极低的电网侧谐波；③ 比传统H桥设计低得多的电池电流纹波；④ 由电池模组所含的电池单体减少带来的更好的控制性能；⑤ 结合BMS与PCS控制的电池参数在线辨识算法；⑥ 即插即用的特性；⑦点对点的控制结构；⑧极低的开关损耗；⑨高容错设计；⑩ 由低电池模组电压带来的高安全性和可靠性； 更低的维护成本； 更易实现的防爆设计。

基于BEBB构架，电池管理系统可以被简化，并与PCS控制集成到一起。其设计示意图如图5所示。基于输入直流侧多并联H桥单元的设计结构，额定工况下电池输出电流的纹波可以被控制在0.2%以下。为更准确地计算电池的SOC和SOH，本设计提出了一种用于电池参数在线辨识的0.2～800 Hz高频注入算法。上述简化的在线电化学阻抗分析算法如图6所示。

在PCS控制实现方面，图6所示的控制方法可以被看作是图7所示的基于无速度传感器的经典高频注入电机控制方法的另一种应用方式。其唯一的不同点在于高频注入的对象从电机变为电池。

3 系统仿真

本设计提出一种更为通用的电路拓扑设计（图8）。其电路拓扑为直流侧共享电池输入的级联式多电平H桥变流器。其输出经由多绕组变压器的输入侧进行串联，从而可以在变压器的输出侧得到2+1的电压波形。

图9所示为在PSIM中建立的11级BEBB仿真模型，其负载为阻性负荷，电源系统由电网和BEBB构成。

系统中共有15个H桥在输入侧并联且交流输出侧的每一相由5个H桥经由变压器单独的输入绕组串联组成。此电路拓扑的优点为：① 由直流输入带来的谐波将会在H桥电路中相互抵消，从而使得输入侧电流具有极低的谐波（小于0.2%），如图10中的第一组和第二组波形所示；② H桥交流输出侧的电压谐波也会经由多绕组变压器相互抵消，从而确保输出电压具有极低的谐波（小于10%），如图10中的第三组波形所示；③ 得益于级联式多电平电路拓扑的使用，变流装置的开关频率仅为400 Hz，而其等效开关频率为4000 Hz。

第一组波形—直流电流（60 A），总负载电流（蓝色），电网电源输出电流（红色），BEBB 输出电流（绿色）；第二组波形—放大的直流电流（min：58.85，max：59.1，∆<0.5%）；第三组波形—滤波器前端的11级变流器输出波形；第四组波形—每个直流模块的调制波形（400 Hzsw）

图10 正常工况下的仿真结果

Fig.10 Simulation results at nominal condition

除上述内容外，本研究还对频率注入功能进行了仿真，其结果证明了这一方法的有效性以及其针对0.2～800 Hz宽频率范围的适用性。具体仿真结果如图11所示。

（f）阻抗图谱曲线

图11 应用于锂离子电池的频率注入算法的阻抗曲线

Fig.11 Impedance spectrums for lithium-ion battery based on frequency injection

通过对电池系统阻抗的在线辨识，可以进一步开发更为复杂的算法以获得更为准确的电池SOC及SOH。

4 系统实现

9级3 kW的BEBB样机效果示意图如图12所示，其输出侧有4台三相变压器串联组成。级联H桥电路采用如图13所示的全PCB化设计，其由4套使用分离MOSFETs器件搭建的完全相同的电路构成。

单台原型机如图14所示，原型机为500 Hz的开关频率并采用主动冷却。原型机系统配置为4台并联后作为应急电源驱动一个电机负荷。

5 BEBB的并联运行

为避免主从设计和下垂设计带来的问题，本研究开发了一种使用DDS（data distribution service）现场信息总线的通用逆变器并联运行算法，其具体内容如图15所示。

针对实时系统的数据分配服务是一种机器对机器的中间设备对象管理组织标准，其目标为实现可扩展的、实时的、可靠的、高性能的发布方与接收方之间的协作数据交换。DDS主要面向以金融交易、航空流量控制、智能电网管理为代表的大数据需求。该标准主要被应用于智能手机操作系统、交通系统、软件控制无线电以及医疗领域。DDS还可能被应用于互联网领域的特定应用。

在DDS领域，一家名为 RTI的公司在市场上占有主导地位。该公司曾在2014年9月被福布斯评为在该领域最具影响力的公司如图16所示。

图17给出了基于BEBB系统运行的更为通用的RTI_DDS系统架构。通过工业互联网技术的分布式控制构架的引入，该构架为基于能量转换系统的非集中式功率/能源系统设计和应用提供了一条新的出路，使得此类系统能够被构建在分布式发电、分布式储能以及分布式负荷的集成系统基础上。

6 能量计算机概念的提出

由于基于分布式智能平台的工业互联网的应用，即便没有人能够准确地指出或者预言分布式系统将怎样改变我们的世界，储能系统及分布式功率/能源系统都已经成为了未来能源互联网研究的关键领域[6-9]。基于BEBB概念，本文在业内首先提出了一种类比于以个人电脑（PC）为代表的分布式计算机系统的未来分布式能源系统。

现代计算机非集中式构架的基本理论由冯诺伊曼提出，其主要包含五个基本元素：数据输入、数据输出、数据存储、算法以及控制器。其中最后两项内容可以被合并称作中央处理单元（CPU），系统的示意图如图18(a)所示。

与上述个人计算机系统类似的是，本文提出的面向未来分布式能源互联网的基本非集中式能量计算机构架也有五部分基本元素构成，分别为：能量输入（发电设备）、能量输出（用电负荷）、能量存储（储能设备）、能量变换（变流系统）以及能量控制器（能量管理系统）。其中最后两项内容可以被合并称作能量处理单元（EPU），系统的示意图如图18(b)所示。

为实现对能源计算机的管理，本文提出了能源操作系统（EOS）。该系统与DOS/Windows等电脑操作系统有着类似的发展历史和功能，如图19所示。

基于上述的能源计算机概念，本研究开发的能源操作系统的原始版本如图20所示。在实时仿真中，本研究将采用并行方式运行的基于BEBB的能量内存与基于传统储能方式的能量内存进行了比较。从仿真结果可知，由于采用了非中心化的储能结构，基于BEBB的能量内存的利用率要高于基于传统储能方式的能量内存。

7 结 论

为解决煤矿井下应急电源的问题，本文提出了一种基于电池电子标准模块（BEBB）的电路系统。

该系统能够通过集成的PCS和BMS控制实现更好的电池管理和功率变换控制。本文介绍了一种由RTI公司提供的数据分配服务（DDS）。该功能能够实现真正的点对点多台逆变器并联运行。上述特色功能使得一种被称作能量内存的、新的、基于BEBB能量存储概念成为可能。此外，基于与个人计算机的类比，基于非中心式能源系统构架的能源计算机及其能源操作系统（NICE_ EOS）被一起提出。本文在最后给出了NICE_EOS的原始版本并通过仿真研究证明了基于BEBB能量内存的优势所在。

[1] Peng Jiayue（彭佳悦），Zu Chenxi（祖晨曦），Li Hong（李泓）. Fundamental scientific aspects of lithium batteries（I）— Thermodynamic calculations of theoretical energy densities of chemical energy storage systems[J].（储能科学与技术），2013，2（1）：55-63.

[2] Luo Fei（罗飞），Chu Geng（褚赓），Huang Jie（黄杰），Sun Yang（孙洋），Li Hong（李泓）. Fundamental scientific aspects of lithium batteries（VIII）—Anode electrode materials[J].（储能科学与技术），2014，3（2）：146-163.

[3] Liao Sida（廖斯达），Jia Zhijun（贾志军），Ma Hongyun（马洪运），Wu Xuran（吴旭冉），Wang Baoguo（王保国）. The applications of electrochemistry（Ⅰ）—The development and applications of lead-acid batteries[J].（储能科学与技术），2013，2（5）：514-521.

[4] Wu Xianzhang（吴贤章），Shang Xiaoli（尚晓丽）. A review of electrical energy storage technologies for renewable power generation and smart grids[J].（储能科学与技术），2013，2（3）：316-320.

[5] Wu Tong（吴峂），Zhou You（周友），Niu Jianna（牛建娜）. Application of energy storage system in coal mine smart emergency power supply[J].（储能科学与技术），2015，4（1）：104-109.

[6] Zhang Wenliang（张文亮），Qiu Ming（丘明），Lai Xiaokang（来小康）. Application of energy storage technologies in power grids[J].（电网技术），2008，32（7）：1-9.

[7] Eckroad S. Handbook of energy storage for transmission or distribution applications[R]. Palo Alto，CA，USA：Electric Power Research Institute（EPRI），2002.

[8] Electrical energy storage[R]. Geneva，Switzerland：IEC，2011.

[9] Liao Huaiqing（廖怀庆），Liu Dong（刘东），Huang Yuhui（黄玉辉），Chen Yu（陈羽），Liu Jinsong（柳劲松）. A study on compatibility of smart grid based on large scale energy storage system[J].（电力系统自动化），2010，34（2）：15-19.

BEBB based design for underground coal mine emergency power application

,,,,

(National Institute of Clean-and-Low-Carbon Energy, Beijing 102209, China)

Since safety certification only applies for lithium-ion battery system up to 48V in Chinese Coal Mine Industry for underground application, standard battery energy storage system (BESS) cannot be directly used to provide emergency power for critical motor load such as fan / pump etc, which are normally rated at a few hundreds volts. This paper develops a modular design defined as Battery Electronic Building Block (BEBB) that integrates 48V battery-inverter pack as one “plug & play” module based on load requirement. It provides a novel integrated battery & power electronics control architecture that does not need a dedicated Battery Management System (BMS) to realize a more robust and reliable battery energy storage system. Based on this concept, a novel de-centralized energy system architecture defined as energy computer is further introduced based on an analogy with personal computer system.

battery electronic building block (BEBB); energy storage; emergency power application;battery energy storage system; energy computer; energy operating system (EOS)

10.3969/j.issn.2095-4239.2016.01.011

TM 911

A

2095-4239（2016）01-091-10

2015-10-20；修改稿日期：2015-11-20。

周友（1973—），男，工学博士，国家“千人计划”特聘专家，主要从事分布式能源系统及电力电子变流装置的研究和设计，E-mail：zhouyou@nicenergy.com。