多電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向DC-DC變換器的研制

　　摘要：介紹了多電池組儲(chǔ)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?duì)與電池連接的雙向DC-DC 變換器的控制策略進(jìn)行了研究。研制了一臺(tái)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(chǔ)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(yáng)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(duì)象，而且將能量?jī)?chǔ)存技術(shù)也作為今后的研究方向，特別是電池儲(chǔ)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(lái)白天用，或是將平日富余的電能存起來(lái)，到電力緊張甚至供電中斷時(shí)拿出來(lái)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(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120 kW 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 主電路拓?fù)浜凸ぷ髟?/FONT>

　　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)洌ǘ鄠€(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。

圖1 主電路拓?fù)?/FONT>

　　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(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)。

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(tái)1 kW 樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，其特點(diǎn)是開關(guān)頻率高，對(duì)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(duì)的也是一組電池的充放電。對(duì)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(jiǎn)單、開關(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。

圖3 雙向DC-DC 變換器。