化学储能功率转换系统的研究

吴国荣，李志强，王思耕，鹿怀骥

（北京华电天仁电力控制技术有限公司，北京 100039）

1 引言

当前风电、光伏等间歇式新能源的大规模并网给传统的电网调度系统带来一定难度。采用储能系统平抑间歇式新能源功率波动是解决上述问题的有效方法之一。研究表明，在风电场侧，集中配置一定比例的储能单元，可有效平抑风电场输出有功功率的波动，提供紧急暂态有功功率输出和弥补风功率预测的误差，提高电网对风电等新能源的接纳能力［1］。本文以国内某储能型风电场建设项目为背景，对储能系统功率转换单元开展深入研究，搭建了仿真平台，并开发了一套1 MW级的储能系统变流器单元样机。

2 原理与设计

2.1 PCS 拓扑结构

本项目经过前期调研，能量转换单元PCS采用图1所示的DC－DC变换器与DC－AC逆变器双级式主电路拓扑结构。储能电池直接接入前级直流侧，前级直流侧由18组双向DC－DC变换器并联升压，后级由DC－AC网侧全功率逆变器接入三相交流电网。18组双向DC－DC分别接入18组锂电池，避免了锂电池整体并联后的电池内部环流问题。另外此种结构，也方便电池管理单元对电池组长时间运行后储能电池SOC容量的离散性进行差异化处理［1］。

图1 1 MW储能系统PCS原理结构图Fig.1 1 MW energy storage PCS topology

2.2 双向DC－DC拓扑及控制

双向DC－DC在分布式发电、电动汽车、储能系统和可再生能源发电领域有着广阔的应用前景［2］。双向DC-DC拓扑结构较多，为适合大功率等级，并考虑到系统可靠性和简洁性，采用非隔离型双向BUCK/BOOST拓扑结构，如图2所示。2

图2 双向BUCK/BOOST变换器拓扑Fig.2 Bi-directional BUCK/BOOST converter topology

.2.1 双向DC-DC电流闭环控制

对于DC-DC与DC-AC两级主电路拓扑结构组成的PCS结构，需要总体考虑两级变换器的协调控制策略［2］。对于并网型的PCS，由DC-AC并网逆变器控制稳定的中间电容环节的直流母线电压，双向DC-DC采用电流环单环控制结构，实现有功功率的调度；对于离网型的PCS，适合于由双向DC-DC控制稳定的直流母线电压，DC-AC变换器实现有功功率和无功功率的调度。在采用PCS并网型控制策略时，DC-DC实现电流单环的闭环控制，如图3所示。

图3 双向DC-DC的电流单闭环控制Fig.3 Single current closed loop control of bidirectional DC-DC converter

2.2.2 双向DC-DC仿真模型

在Matlab/Simulink环境下搭建如图4所示的双向DC-DC的仿真模型。

图4 双向DC-DC变换器的仿真模型Fig.4 Simulation model of bi-directional DC-DC converter

用于仿真中的双向DC-DC变换器参数如下：额定功率80 kW；电池电压768 V；电池规格180 A·h；额定电流（电池侧）100 A；直流母线电压850 V；直流侧电感5 mH；电池侧滤波电容50000μF。

仿真系统中设定的电池放电特性如图5所示。

图5 电池放电安时特性曲线Fig.5 Battery discharging amper-hour characteristic curves

下面是相应的双向DC-DC变换器电流单环控制的一些仿真结果。图6中设定充电电流为50 A，直流电感电流为一脉动的电流，纹波电流峰峰值16 A。

图6 设定电流（50 A）和电感电流Fig.6 Setpoint current（50 A） and inductor current

仿真系统中电池侧并有滤波电容，图6中直流电感中含较大纹波的电流，经过滤波电容后，得到图7所示的脉动较小的电池侧电流，电池侧电流平均值47 A，纹波电流峰峰值2 A。

图7 电池充电电流（47 A）Fig.7 Battery charging current（47 A）

仿真中调整电池侧滤波电容参数，设定其容量越大，电池电流所含纹波越小。

对于离网型的PCS，采用双向DC-DC控制稳定的直流母线电压。在电流单闭环控制外，加入外环电压环控制，即可实现双向DC-DC维持直流母线电压恒定。双向DC-DC电压、电流双闭环控制模式如图8所示。

图8 双向DC-DC的电压、电流双闭环控制Fig.8 Double voltage and current closed loop control of bi-directional DC-DC converter

图9所示为双向DC-DC电压、电流双闭环控制的仿真结果，设定直流母线电压为850 V，电容初始电压560 V，反馈直流母线电压存在20 V的超调，启动时直流母线电压迅速跟随设定的电压，稳态基本无静差。

图9 双向DC-DC变换器的直流母线电压控制效果Fig.9 DC bus voltage control result of bidirectional DC-DC converter

2.3 三相DC-AC拓扑及控制

三相DC-AC并网逆变器，采用如图10所示的经典的三相半桥式结构。

图10 DC-AC并网逆变器拓扑Fig.10 DC-AC grid connected invertertopology

2.3.1 三相DC-AC控制策略

采用如图11所示的并网PCS控制策略，DCAC变换器控制恒定的直流母线电压，同时设定无功功率为0的控制目标，以实现较高的网侧功率因数。

图11 DC-AC并网逆变器控制框图Fig.11 DC-AC grid connected inverter control block diagram

2.3.2 三相DC-AC仿真模型

在Matlab/Simulink环境下搭建如图12所示的三相DC-AC并网逆变器的仿真模型。三相DC-AC并网逆变器参数如下：额定功率1 MW；网侧交流线电压380 V；网侧电感0.1 mH；直流母线电压850 V；负载722 kW。

以下为DC-AC并网逆变器的仿真结果，图13设定直流母线电压为850 V，初始时刻直流母线电容电压560 V，反馈母线电压在0.07 s内上升至设定值，启动阶段无超调，稳态控制无静差。

图12 三相DC-AC变换器的仿真模型Fig.12 Simulation model of three phase DC-AC converter

图14对应于启动阶段的网侧三相电流波形，所接负载为722 kW，启动阶段三相电流幅值抑制在2500 A以内。

图13 直流母线电压控制效果Fig.13 DC-bus voltage control effect

图14 三相电流波形Fig.14 Three phase current ware forms

3 实验

以搭建的双向DC-DC和DC-AC并网逆变器仿真系统为依托，以PCS样机为实验平台，开展了大量的锂电池充、放电和DC-AC并网逆变器实验研究，现将部分实验波形罗列如下。图15a所示为电池充电电流波形，其中设定充电电流为50 A，实验测得充电电流51.2 A，电池侧纹波1.37 A。

图15b所示为电池放电电流波形，其中设定放电电流为50 A，实验测得放电电流51.2 A，电池侧纹波0.3 A。

图15 电池设定50 A时的充、放电电流Fig.15 50 A setpoint battery charging curren and discharging current

图16中曲线1为设定的放电电流50 A，曲线2为反馈的电感电流，其纹波电流峰峰值30 A，曲线3为双向DC-DC的上桥臂IGBT功率器件的导通、关断信号，其开关周期3.79 kHz。

图16 设定50 A放电电流时的电感电流Fig.16 Inductor current of 50 A setpoint battery discharging current

从以上实验波形可明显看出，大部分高频纹波电流经电池侧滤波电容滤除，电池电流较平滑，纹波较小，这点由仿真模型和实验模型得到了相同的结论。且在相同幅值的充、放电电流时，放电时刻电池电流纹波要小于充电时，这是由于放电时功率管开关频率高造成的。

图17是DC-AC并网逆变器的背靠背环流测试的电流波形，相电流有效值983 A，环流功率达680 kW。

图17 DC-AC背靠背环流测试电流Fig.17 DC-AC back to back test current

上述实验结果表明，两级式PCS样机实现了并网协调控制策略，DC-AC并网逆变器维持恒定的直流母线电压，并经受68%大功率负荷运行，双向DC-DC实现高质量的储能电池充、放电，纹波电流控制在1%左右，满足设计要求。

4 结论

本文对储能系统核心的功率转换单元进行了深入的仿真研究和实验研究，开发的样机实现了基于DC-DC和DC-AC两级式PCS并网协调控制策略，完成了PCS的工厂级实验测试。双向DC-DC实现了高质量的化学储能电池充、放电功能，同时DC-AC并网逆变器经受了大功率负载运行的考验，为下一步现场调试提供了很好的基础平台。

［1］金一丁，宋强，陈晋辉，等.大容量电池储能电网接入系统［J］.中国电力，2010，43（2）：16－19.

［2］许海平.大功率双向DC／DC变换器拓扑结构及其分析理论研究［D］.北京：中国科学院电工研究所，2005.

［3］张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［4］苑国峰，李永东，柴建云,等.双馈1.5 MW变速恒频双馈风力发电机组励磁控制系统试验研究［J］. 电工技术学报，2009，24（2）：42－47.

［5］李谦，李永东.三相PWM整流器闭环控制研究［J］.电气传动，2007，37（11）：18－21.