一种基于大规模动力电池组测试设备的交直流混合微网系统

龙 波 孙宏斌 王 彬 姚书琴 方 旭 姚高祥

（1.电子科技大学机械电子工程学院 成都 610054 2.电力系统国家重点实验室 清华大学 北京 100084 3.渤海装备新世纪机械制造有限公司 天津 300280）

1 引言

随着我国电动汽车相关技术的快速发展，电动汽车动力蓄电池组的各项性能指标成为了影响电动汽车能否成功推广的关键因数，目前我国已经成为了电动车用动力电池的最大生产国，电池生产厂家已经达到了700～800家，由于电池组生产后需要对其的性能进行评估，因此需要对电池组进行充放电测试。为了达到较高的测试精度，目前国内大多数电池企业在充电测试时使用电网电能，放电测试时将测试变流器中的功率器件工作在放大区，采用大功率电阻作为放电负载，因此，绝大部分的放电测试能量都被白白浪费掉了。直到现在，我国电池生产厂家每天还在大量的浪费电能。据深圳子木公司相关数据统计，光是电池充放电测试，每年耗费电能73 600万度，直接经济损失达到5.18亿元。

为了解决上述问题，以美国Aerovomental、必测公司和德国Arbin、迪卡龙（Digatron）公司为代表开发了一种能量回收型的电池组测试设备，该设备设计思想是将动力电池组放电测试的电能进行升压并网进而实现高效的回收，在实现大功率动力电池组测试的同时，也大大的节约了电能。初步估计采用该技术的设备单个厂家每年几百万的电费，只需要三十几元就够了。因此，采用能量回收型的电池测试系统（Energy Recovery Power Accumulator Battery Pack Testing System，ERPABPTS）是十分紧迫且必要的，我国目前也有了一些企业开发了类似的产品，但目前大多还处于学习和仿制阶段。与此截然相反的是，大规模组网节能型动力电池组测试系统却在我国应用较少，只是在一些较大规模有实力的厂家中应用，究其原因主要有以下三个方面：

（1）ERPABPTS设备的研发单位大多侧重于测试设备本身拓扑、并网逆变器控制方法的研究[1-4]，或者是单一的电源测试设备接入方面的研究工作，从多测试设备、大容量、高渗透率组网的角度方面还未形成系统的研究方法和技术，未能从系统组网能量回馈效率最优方面考虑。

（2）由于ERPABPTS组成的局部微网发电系统单机容量大，目前已知的单台设备最大功率可做到250kW，因此接入渗透率较高，在与主网脱离或接入瞬间，可能导致主网电压跌落或者上升，对主网（AC380V）的稳定运行容易产生较大的影响，另外如果设备控制的不好，容易产生较大的谐波，很有可能周边设备正常运行产生影响。而且目前的测试设备没有防孤岛运行功能，在这些影响因素尚未明确，接入时暂态特性不明确，发电设备相关接入标准也尚未健全的情况下，电力部门禁止该类型设备并接入主电网。

（3）与传统的分布式发电系统不同，电池生产厂中存在集中的大量的使用不同拓扑结构、不同功率等级的单/三相并网发电设备，各种负载。其组成了一种复杂的、特殊的微网结构（见图1）。其中，单个测试设备微源变流器内部主要由两部分组成，一个是双向 DC-DC变流器，主要负责实现大电流充放电测试；一个双向 AC-DC变换器，主要实现单位功率因数的整流/逆变控制，实现与电网能量的双向流动。双向 DC-DC变流器和 AC-DC变流器拥有共同的直流母线，这种结构需要进行两级功率变换，效率较低，不能实现电网能量的高效利用，有的测试变流器方案中采用效率低、体积大的工频变压器作为与网侧的接口，测试设备的整体效率就更低了，往往还达不到70%，但是价格却比较昂贵。目前已知的 200kW的 Aerovomental公司的双通道测试设备AV900，卖价达到了120万左右，125kW的ABC-150达到80万左右，这也是使得电池生产厂家放弃大规模的购买和使用。

由于上述原因，研究高效、节能、价格低廉、可靠性高的整套动力电池测试系统成为了我国电池生产测试行业的迫切需求，它的诞生将每年为我国节约上亿元的电费。

当前普遍采用的基于 ERPABPTS的多变流器交流微网系统组成如图1所示，以三相并网动力电池组测试设备为例，工作原理如下：进行放电测试时，动力电池组首先通过一个双向的 DC-DC变换器，在实现高精度放电测试时，将 DC-DC变换器工作在升压模式，使得输出侧直流母线电容端电压升高，为了将这部分能量回收再利用，直流母线侧增加了一个 DC-AC并网变流器，将直流侧电容的存储能量逆变并网，以达到节能测试的目的。需要充电测试时，动力电网AC380V经过AC-DC变流器实现单位功率因数升压整流，然后经由双向DC-DC变换器实现降压斩波充电控制。因此，图1中的 AC-DC-DC是一个组合变流器，当前动力电池企业中大量使用的这种电池测试设备组成了一个复杂的交流微网发电系统。

图1 大规模动力电池组交流微网系统组成结构图Fig.1 System configuration of massive power battery AC micro-grid

由图1可以看出，该交流型微网中，既有储能设备，也有测试系统并网发电设备。该测试系统单元可以工作于多种模式（比如恒流、恒压、恒功率的充/放电等）。测试系统和微网之间的能量可以双向流动，因此ERPABPTS可有三种状态：停止工作、微网向ERPABPTS供电、ERPABPTS向微网馈能。此外，并网功率也是随放电测试电流的指令值大小变化的，并网设备的容量也有很大的差别，大的到上百千瓦，小的只有几个或几十个千瓦，而且图1所示的系统需要对各微源变流器并联输出交流母线的电压的相位和频率进行跟踪，并网接入和孤岛运行也存在着同样的问题。因此，该交流微网系统组成具有工作模式多样、多测试变流器并联带来的协调控制、系统中储能设备与并网电池组测试设备共存，小功率与大功率并存、单相与多相并存等特点，情况较为复杂。

与上述交流微网系统相比，直流微网具有很多优势[5-7]，首先，直流微网不需要对电压的相位和频率进行跟踪，无需考虑同步性，因此可控性和可靠性大为提高，因而更加适合分布式发电系统与负载的接入；其次，从理论上讲，直流型微网仅仅需要一级变流器便能方便地实现与分布式发电系统和负载的连接，具有更高的转换效率；再次，负载不受电压调整、电压闪变、三相不平衡以及谐波的影响；最后，直流电在传输过程中不受冲击电流、单相负载和单相发电机影响。不需要考虑配电线路的涡流损坏和线路吸收的无功能量，线路损耗得到降低。

针对这些问题，本文首先提出一种含储能设备、直流母线电压分层的动力电池组测试设备交直流混合微网发电系统，然后与当前使用的方案进行对比，最后给出了组网系统的能量优化方案。

2 交直流混合微网系统架构

2.1 基于ERPABPTS的混合微网系统

当前直流微网逐渐成为了研究热点。因此可在借鉴交流微网相关控制技术研究成果的基础上，提出一种针对动力电池组测试设备的交直流混合微网发电系统（组网结构详见研究内容部分图2和图3）。从图2中可以看出，如果以每一个测试分厂为单元模块，各个测试分厂组成了一个交流微网发电系统，如果从测试分厂单元模块内部来看，其组成了一个直流母线电压分层直流微网发电系统（见图3）。因此，图2实际上是一个具有交流微网和直流微网的混合微网发电系统。

图2 基于能量回收的动力电池组测试设备的大规模混合微网系统组成Fig.2 System configuration of massive hybrid micro-grid based on ERPABPTS

图2中，测试一分厂中的直流分层微网内部结构组成如图3所示。

图3 基于ERPABPTS的多变流器直流母线电压分层控制微网系统结构框图Fig.3 Structure of hierarchical control of ERPABPTS-based hybrid AC-DC micro-grid

图3中显示了单个测试分厂的内部结构，可以看出其组成了一个交直流混合微网系统，该系统由两层直流母线组成，分别为高压直流母线和低压直流母线，根据并网测试系统设备的功率等级来决定其并联在哪一级，大功率测试设备并联在高压侧，小功率测试设备并联在低压侧。低压直流母线侧和高压直流母线侧分别与待测动力电池组通过双向DC-DC变换器实现能量的交互。高/低压直流母线之间采用双向DC-DC变换器（图3中白色框所示）相连接。系统中高/低压直流母线侧分别设置了储能系统，以实现对能量的缓冲与维持直流母线电压的稳定。为了防止由于待测电池组变流器工作模式、测试电流等的改变带来的工作直流母线电压的瞬间跌落、闪变等问题，项目提出的方案中采用了超级电容组，充分利用其瞬间大电流充放电接受和释放能力，来对维系高/低压直流母线侧电压稳定的暂态需求。

2.2 工作原理及其方案对比

对比图1中传统的基于ERPABPTS的交流微网发电系统，图2和图3中提出的交直流混合微网发电系统具有如下四个方面的优点：

（1）传统的 ERPABPTS微源变流器内部由DC-DC和DC-AC两级复合而成（见图4b），属于两级变换，而论文中的微源型变流器内部由DC-DC变换器一级组成（见图4a），因此，在动力电池组测试电压/电流的精度和测试能量回馈效率方面具有较大的优势。另外，由于结构简化，测试设备的软件量较低、可靠性也大为提高。

（2）传统的ERPABPTS微源变流器需要实现与主网的电压幅值和相位保持同步，另外，为了降低并网电流谐波含量，往往需要复杂的接入滤波器和控制算法，较为复杂，而本项目中只需要控制直流母线电压，不牵涉同步问题，控制方式较为简化。

（3）项目提出的混合交直流微网结构，待测动力电池组之间能量的交互可在直流母线层一级完成，而传统的交流微网中的变流器则需要从主网一级完成，如图4中蓝色箭头所示，故传统方案中间过程较多、效率低、变流器结构复杂、系统总的能量利用效率较低。

（4）能量优化尽量在直流微网内部完成，例如，有电池组做充电测试，有的在进行放电测试，此时无需向传统方案中经由主网两级完成，可实现内部能量之间均衡的直接控制，与主网的 DC-AC变流器参与频率较低。

3 结论

针对传统基于交流微网结构的能量回收动力电池组测试系统中存在的变流器拓扑结构复杂，能量回收效率低，价格成本高等特点，提出了一种交直流混合微网发电系统，将测试变流器按照功率等级的不同，分别接在高压和低压侧直流母线中。高低压侧设置了DC-DC变换器，实现能量的交互。

图4 提出方案与传统方案对比Fig.4 System comparison between the proposed s cheme and conventional scheme

上述方法能够较高的实现电池充放电测试过程中的能量再利用效率，同时，由于电池测试变流器均为一级DC-DC变换器，故其拓扑结构大为简化，由于直流微网级无需实现与电网电压、频率和相位的同步控制，系统可靠性得到大幅度提高，具有重要的工程实用价值。

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