電池充放電變換器的研究

電池充放電變換器的研究

0電池儲(chǔ)能系統(tǒng)變換器的研發(fā)在當(dāng)前世界綠色能源和節(jié)能環(huán)保戰(zhàn)略中，不僅要優(yōu)先考慮風(fēng)能發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、生物發(fā)電和能源發(fā)電技術(shù)，還要優(yōu)先考慮風(fēng)能存儲(chǔ)技術(shù)?，F(xiàn)在，尤其是電池管理系統(tǒng)，它不僅是一個(gè)特殊的“銀行”，而且可以在白天使用夜間“糧電”，并將日常剩余的能源消耗以緩解能源緊張和電力中斷時(shí)產(chǎn)生焦點(diǎn)。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(chǔ)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(kāi)它。在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)有兩個(gè)重要的組成部分,第一就是號(hào)稱“心臟”的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電池,負(fù)責(zé)能量的存儲(chǔ)和釋放;第二個(gè)就是號(hào)稱“大動(dòng)脈”的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中的充放電變換器,它是電池儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)中使用,因此電池儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)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(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(wú)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(duì)多電池組儲(chǔ)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(tái)由“多路雙向DC-DC變換器”和“雙向并網(wǎng)變流器”構(gòu)成的120kW電池儲(chǔ)能系統(tǒng)變換器。并在3組鋰電池組構(gòu)成的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,為多電池組儲(chǔ)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雙向dc-dc變換器在電池儲(chǔ)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(jiǎn)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(chǔ)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(duì)于多電池組儲(chǔ)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(jiǎn)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(guò)與電網(wǎng)能量的雙向流動(dòng),保證直流母線電壓(Vdc)的穩(wěn)定。DC-DC變換器拓?fù)湟灿卸喾N類型,文獻(xiàn)介紹了一種多重化雙向DC/DC變換器,文獻(xiàn)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(kāi)關(guān)(ZVS)模式,但該變換器的缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)器件多、驅(qū)動(dòng)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)。文獻(xiàn)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(tái)1kW樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試,其特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率高,對(duì)電網(wǎng)污染小。文獻(xiàn)共同特點(diǎn)是幾十千瓦以下的中小功率變換器,針對(duì)的也是一組電池的充放電。對(duì)于100kW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(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)器件數(shù)量少、損耗小、驅(qū)動(dòng)和控制電路簡(jiǎn)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。本文研制的120kW鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向DC-DC變換器則采用圖3所示拓?fù)洹Ｔ撓到y(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:DC400V;單組電池電壓范圍:DC330~DC460V;單組電池最大充電電流:110A;單組電池最大放電電流:110A;變換器直流母線額定電壓Vdc:DC500V為了與其他產(chǎn)品兼容,本文研制的120kW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(dòng)及控制電路均可以借用,減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間、維護(hù)也比較方便。本文研制的120kW鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向DC-DC變換器,在電網(wǎng)斷電時(shí),還能作為電壓源輸出,即以Boost模式工作,輸出電壓Vdc穩(wěn)定,后級(jí)PWM雙向并網(wǎng)變流器則做孤島運(yùn)行,斷開(kāi)KM1、閉合KM2,保證關(guān)鍵負(fù)荷供電。2電池儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向dc-dc控制器設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)本文研制的雙向DC-DC變換器,其基本工作原理為Buck和Boost變換,當(dāng)電池放電時(shí),DC-DC變換器以Boost工作模式運(yùn)行,在電池充電時(shí),DC-DC變換器以Buck工作模式運(yùn)行,本文不再對(duì)對(duì)Buck和Boost工作模式的常規(guī)控制策略進(jìn)行累述,僅對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中雙向DC-DC控制器設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的幾個(gè)方面進(jìn)行了分析。2.1“v”/z1+z根據(jù)戴維寧等效電路,圖4所示電路單組電池可做如圖5等效。其中V1、V2分別為兩個(gè)并聯(lián)模塊對(duì)應(yīng)的開(kāi)路電壓(橋臂輸出),Z1、Z2為兩個(gè)模塊等效阻抗,Z3為并聯(lián)接點(diǎn)到電池的阻抗,由于各并聯(lián)模塊銅排的布局、驅(qū)動(dòng)的死區(qū)、以及IGBT的開(kāi)通延時(shí)和上升沿等的不同,導(dǎo)致輸出V1≠V2,同理每個(gè)并聯(lián)模塊輸出電纜長(zhǎng)度和電抗器阻抗不同,一般Z1≠Z2,如果不采用均流控制策略,將導(dǎo)致兩個(gè)模塊輸出電流不一致,且產(chǎn)生環(huán)流,環(huán)流大小為I=(V1-V2)/(Z1+Z2)。環(huán)流的存在不僅導(dǎo)致流過(guò)IGBT的電流增大,同時(shí)也影響系統(tǒng)效率,為有效抑制環(huán)流,實(shí)現(xiàn)兩組變換器均等的輸出電流,必須采用均流控制策略,即是每個(gè)并聯(lián)模塊采用獨(dú)立的反饋控制,以實(shí)現(xiàn)兩并聯(lián)模塊電流相等,實(shí)現(xiàn)均流。當(dāng)采用均流控制后兩個(gè)變換器可等效為圖6所示兩個(gè)并聯(lián)的電流源,通過(guò)控制,當(dāng)I1=I2時(shí),即可避免環(huán)流的產(chǎn)生。兩并聯(lián)模塊的均流控制框圖見(jiàn)圖7所示,為電池給定充放電電流,兩路模塊并聯(lián)時(shí),每個(gè)模塊的電流指令為的一半,分別與對(duì)應(yīng)模塊的電流反饋形成閉環(huán),采用該控制策略能使兩路輸出電流完全相等。圖8為采用均流前后的穩(wěn)態(tài)仿真波形(本文電流波形以充電電流為負(fù)方向,放電電流為正方向),圖8(a)為兩并聯(lián)橋臂為同一個(gè)脈沖,僅L1電流為閉環(huán)控制,因此由于輸出阻抗(設(shè)定L1橋臂5m?,L2橋臂8m?)不同,L2電流與L1差5A左右,輸出總電流也差5A,而圖8(b)波形為兩并聯(lián)橋臂獨(dú)立控制,均流度較好,兩橋臂電流波形重合,達(dá)到了均流目的。在本文研制的120kW雙向DC-DC變換器中,交錯(cuò)并聯(lián)的兩組變換器即采用相同的電流指令(總電流的一半),經(jīng)閉環(huán)控制后即可實(shí)現(xiàn)均流輸出。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于充、放電狀態(tài)時(shí),兩組變換器電流給定值相同;當(dāng)工作于恒壓浮充狀態(tài)時(shí),電流指令由電池電壓環(huán)決定,電壓環(huán)調(diào)節(jié)器輸出一分為二作為兩組變換器電流環(huán)指令;當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于孤島模式時(shí),電流指令由直流母線電壓環(huán)決定,同樣將電壓環(huán)調(diào)節(jié)器輸出一分為二作為兩組變換器的電流指令以實(shí)現(xiàn)均流控制。2.2雙向dc-dc特性在本文研制的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中,要求在電網(wǎng)斷電時(shí),圖1所示變換器能做孤島運(yùn)行,向關(guān)鍵負(fù)荷供電,即雙向DC-DC做Boost模式運(yùn)行,維持直流母線電壓的恒定,而后級(jí)PWM雙向并網(wǎng)變換器則做逆變器運(yùn)行,向關(guān)鍵負(fù)荷供電,通常Boost變換器是不能空載運(yùn)行的,這主要是因?yàn)槠渖龎弘姼性陂_(kāi)關(guān)管導(dǎo)通過(guò)程中的儲(chǔ)能沒(méi)有釋放路徑,直流母線端相當(dāng)于開(kāi)路,電壓將逐漸上升。對(duì)本文研制的雙向DC-DC而言,兩個(gè)源之間的能量交換是自由的,空載穩(wěn)壓運(yùn)行時(shí),由于Boost輸出電壓受控,故可等效為一個(gè)電壓源,這樣電感電流可實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng),不存在傳統(tǒng)Boost變換器空載條件下電感儲(chǔ)能沒(méi)有路徑釋放的問(wèn)題。而傳統(tǒng)采用二極管自然整流輸出作為源也不能實(shí)現(xiàn)空載穩(wěn)壓運(yùn)行。圖9為空載穩(wěn)壓運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)態(tài)仿真波形,波形顯示在直流母線電壓穩(wěn)壓500V運(yùn)行中,電感L1電流是雙向流動(dòng)的。2.3電池放電仿真在本文研制的雙向DC-DC還可以實(shí)現(xiàn)兩組電池的相互充放電功能,既當(dāng)電網(wǎng)斷電時(shí),其中一組電池Boost模式運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)直流母線的穩(wěn)壓功能,另一路電池則可從直流母線取電給自身進(jìn)行充電,該功能在其中一組電池急需充電,而其他電池組還能滿足放電時(shí)就可以采用本文介紹的功能,圖10為仿真波形,圖4所示電池1進(jìn)行穩(wěn)壓(指令電壓為500V),電池組2充電(充電電流指令為-100A),仿真結(jié)果顯示直流母線電壓穩(wěn)定,充電電流平滑。3紋波電流測(cè)試以下實(shí)驗(yàn)波形為圖4所示電池組1(鋰電池)的實(shí)驗(yàn)波形,圖11為恒流充電波形,電池充電電流為86A,L1電流為充電電流的一半,充電時(shí),電池電流紋波電流小于0.5%;圖12為恒流放電波形,放電時(shí),電池紋波電流小于0.5%;圖13為電池放電和充電在線轉(zhuǎn)換波形,充放模式轉(zhuǎn)換無(wú)需停機(jī),且轉(zhuǎn)換過(guò)程中波形平滑。4仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果本文對(duì)多電