120 kW电池储能系统双向DC/DC变换器的研究

易映萍，徐建烽，肖 飞，梁 燕

（1.上海理工大学，上海 200093；2.许继集团，河南 许昌 461000）

我国负荷峰谷差大，系统装机容量难以满足峰值负荷的需求，随机性、间歇性清洁能源的大规模开发将增加系统的调峰压力。电池储能系统响应时间快、不受地形及地理位置的约束，尤其适应于城市电网的削峰填谷，并可以应对电网中断或大面积停电等突发事件，同时还能够消除风电、光伏发电的波动，改善电力质量，降低离网电力系统的运行成本和碳排放，是智能电网建设重要组成部分[1]。

功率转换子系统（PCS）是电池储能系统的“大动脉”，负责电池和电网之间的能量双向传送，其好坏对接入电网电压的质量和电池的寿命有很大影响。相对以大容量电压源逆变器为核心的单级PCS，引入BDC可避免电池组间环流，实现多路电池组的独立控制和电池电压的宽范围输入，便于系统扩容。本文以120 kW磷酸铁锂电池储能系统为研究对象，设计其双向DC/DC变换器拓扑及控制策略。

1 主电路结构及工作原理

图1 PCS系统结构图

PCS系统结构如图1所示，3路40 kW电池组通过BDC接入公用直流母线，避免电池组间环流；系统通过大容量逆变器接入电网，并为电动车充电站等本地负荷提供能量。通过控制BDC滤波电感电流即可实现电池的充、放电恒流控制：充电状态时，逆变器整流运行，为DC/DC提供前级恒压源，电池从电网抽取有功电流对电池进行恒流充电；放电状态时，电池通过逆变器将能量释放到电网。

由于受隔离型BDC的体积、性价比和复杂控制方法的限制，其功率等级不能适用于本储能系统峰值功率变换，而非隔离Buck/Boost型BDC在可靠性、体积和质量以及转换效率、并联性能等方面优于隔离式BDC和其他非隔离BDC拓扑，适用于大功率变换的场合[2]，且本文研究对象只要求电流双象限运行，故采用非隔离Buck/Boost型BDC拓扑结构，如图2所示。

图2 非隔离Buck/Boost型BDC拓扑结构

直流母线存在较大的寄生电感，逆变器直流滤波电容不能直接利用，加入滤波电容组C1以稳定BDC输出电压，IGBT半桥模块上下桥臂互补导通。储能电感工作在CCM模式，通过控制电感电流决定功率流向。常规单输入电感拓扑无法满足大功率场合电流纹波要求，且电感值和成本过高，本文将LCL滤波电路引入BDC，得到了理想的滤波效果。充电时，BDC工作在Buck模式；放电时，其将电池端电压抬升至直流母线额定值，工作在Boost模式。三组BDC拓扑及控制结构相同。

2 BDC控制系统

独立PWM控制需要利用状态切换逻辑单元来实现Boost和Buck状态的切换，相对而言，采用互补PWM控制策略更为方便有效，容易数字化实现。

DC/DC变换器的控制主要有电压模式和电流模式两种。峰值电流模式控制由于电感电流的峰值与平均值之间的比例和电路占空比有关，占空比变换时电感电流会跟着变换，不能用于电流精确控制的场合。平均电流模式中由于电流反馈网络积分环节的存在，可以控制电感电流平均值跟踪给定，从而精确控制输出电流，并且可以通过调整PI参数消除电流模式控制系统存在的分频震荡现象[3]。

为确保储能电池组的安全，延长其寿命，充电采用二阶段模式[4]，当电池组恒流充电至额定电压后，系统自动转为恒压模式充电，当充电电流衰减到预定值时，充电结束；放电过程为恒流放电，电池电压至欠压保护值时，放电过程结束。单组控制结构如图3所示。

图3 半桥式BDC控制系统框图

电流传感器置于BDC侧，对主开关管进行过流保护，电压传感器置于电容端，稳定直流电压。恒流阶段采用平均电流模式控制，充放电给定电流Iref与单开关周期内电感L检测平均电流iL相比较，差值信号经PI校正后送入PWM控制器，生成互补PWM信号，控制IGBT的通断，使实际的充放电电流快速准确地跟踪给定值，从而达到恒流运行的目的。恒压模式采用双闭环控制策略，当电池电压高于设定值时，恒流控制转为恒压控制，给定电压Uref（其值等于电池组额定电压）与电池端电压Ub比较，误差信号经电压外环PI校正输出电流内环指令信号，电流内环快速响应使系统具备限流能力。

3 仿真研究

为验证主电路及其控制策略的合理性，对本文设计的BDC及控制器进行仿真研究。

在MATLAB/Simulink环境下，使用SimPowerSystem工具箱建立三组电池并联的BDC仿真模型，如图4所示。

图4 三电池组并联BDC仿真模型

三组模块直流母线负极公用，电流信号和电池组电压信号经控制模块control block生成IGBT控制信号。

设置主电路参数如下：直流母线电压V1=500 V，直流等效电阻R s=2.1 Ω，开关频率3 kHz，直流母线电容10 mF，变流器侧电感L1=1 mH，电池侧电感L2=0.5 mH，滤波电容C2=2 mF。电池参数：额定电压400 V，额定容量7 Ah，额定放电电流100 A，其他默认。仿真参数：采样时间5×10－6s，仿真算法ode23tb。

(1)放电过程仿真

初始放电电流设定为50 A，0.5 s时刻阶跃至100 A，单组放电电流波形如图5（a）所示。电流测量模块检测电流以流向电池为正。电池电流响应速度毫秒级，输出纹波电流小于1%。

(2)充电过程仿真

恒流阶段，初始充电电流设定为100 A，1 s时刻阶跃降至50 A，单组充电电流波形如图5（b）所示。电流测量模块检测电流以流向电池为正。电池电流响应速度同样为毫秒级，输入电池纹波电流小于1%；稳压阶段，0.5-1S电源电压加入扰动20 V，验证电压环抗扰性能。从图5（c）可见充电电压几乎不发生改变，电压纹波小于1 V。

图5 充放电单组电池仿真波形

由仿真结果可知，比之单电感滤波，LCL滤波器滤波效果有明显改善，同时保证了电池电流的响应速度。

4 结论

本文以120 kW磷酸铁锂储能系统项目为例分析了PCS后级BDC电路结构及工作原理，并对其控制策略进行了介绍。阶段式运行模式为储能电池组提供了安全、灵活、便捷的充放电解决方案。平均电流控制方法保证了充放电电流的准确跟踪，电压外环则保证了充电第二阶段的电压稳定，LCL滤波电路的引入有效解决了单电感拓扑中电流响应速度和纹波大小的矛盾。通过MATLAB仿真证明其电路参数和控制策略的有效性和正确性，对大功率储能系统的设计有一定的参考价值。

[1]程时杰，文劲宇，孙海顺，等.储能技术及其在现代电力系统中的应用[J].电气应用，2005，24(4)：1-8,19.

[2]童亦斌，吴峂，金新民，等.双向DC/DC变换器的拓扑研究[J].中国电机工程学报，2007，27(13)：82-86.

[3]张方华.双向DC-DC变换器的研究[D].南京：南京航空航天大学，2004.

[4]胡恒生，王慧，赵徐成，等.蓄电池充电方法的分析和探讨[J].电源技术应用，2009，12(8)：1-4.