PEBB结构变流器在全钒液流电池中的应用

沈 璐 万鸾飞

（芜湖职业技术学院电气工程学院 安徽芜湖 241000）

PEBB结构变流器在全钒液流电池中的应用

沈 璐 万鸾飞

（芜湖职业技术学院电气工程学院 安徽芜湖 241000）

文章简要介绍了变流器的相关背景、研制目的，设计基于三个模块的全钒液流储能变流器，克服了传统变流器的一系列缺点。经实验证实，构建的储能变流器在对全钒液流电池充放电时，能获得较好的电流、电压波形，也满足电网谐波的要求，起到了平衡负荷作用。因此，变流器的系统测试结果满足实际使用需求。

全钒液流电池；储能；变流器；PEBB模块

一、研究背景

当今社会，传统的化石能源如石油、煤炭等将逐渐枯竭，而且此类能源造成的环境污染和地球温室效应等问题显得越来越突出，我们要想实现可持续性发展，就必须解决环境保护和能源供给这二者之间的矛盾。清洁能源开发是克服矛盾的必由之路[1]。电能是人类掌握的比较成熟的可再生清洁能源，但储能技术很大程度上限制了电能的广泛应用。如能取得储能技术的突破性进展可以极大地拓展电能的应用范围（如电能汽车等），还可以有效缓解用电高峰期和低谷期的矛盾、提高供电的安全性和稳定性。

目前我们广泛使用电池作为储存电能的载体，但传统电池存在存储能量低、污染严重等很多缺点。全钒液流电池作为一种新型储能装置，具有使用寿命长、循环效率高、支持快速和深度（（DOD〉80%）充放电等优点[2]，非常适合应用于需要大规模电能储存的场合，如，风力发电蓄电、光伏发电蓄电、电网高峰期的调节、分布电站、军用领域蓄电、交通领域、通讯基站和UPS电源等广阔领域[3]。

直流储能设备和交流电网之间的能量转换必须要使用电池储能电流变换器，它最主要的功能是作为直流储能设备的充电器和放电器[4]，完成这两种功能所需控制的目标分别为电池阵列的充电电流和等效负载侧电压。本研究所设计的双向变换器具备双端分时稳压功能，而充放电时开关状态及控制模型不同，所以分别设计控制器。

二、电池储能系统变流器工作原理

电池储能系统变流器(PCS)可以完成直流电与交流电之间的能量转换。图1给出了PCS的基本原理框图,电压源变流器是PCS的核心器件，储能电池在变流器的左侧，交流电网在变流器的右侧，中间辅之以合适的阻抗R和感抗L构成整个系统[5]。

图1 变流器的基本原理框图

现阶段应用的变流器一般采用集中式控制，能量只能单向流动，也就是说对储能电池充电和电能回馈电网这两种过程各自需要单独的设备。由于变流器系统本身结构复杂，集中式控制的缺点就变得很突出，如，电路结构设计难度大，工作可靠性差和使用时可配置性差等。而且为确保时效性，上述两种过程切换时需要用到昂贵的静态开关，提高了系统的成本[6]。本研究将PEBB（power electronic buildingblock）模块应用到变流器中，针对上述缺点进行改进，争取从一定程度上提高变流器的性能指标

三、双模式储能变流器设计

（一）变流器设计。

图2 系统拓扑结构图

由图中可以看出拓扑结构具有以下特点：双向有源整流功能由三相电压源整流器完成，Buck和Boost功能由双向DC/DC的拓扑结构完成。全电路系统具备双PWM控制功能，双向有源整流部分主要由3个半桥PEBB模块构成，交流滤波功能主要由外围的电感和电容实现；3个半桥PEBB模块还和外围器件一起实现双向的DC/DC功能，另外可以通过改变参数来选择Buck或者Boost模式

按照储能变流器150kW的功率进行计算[7]。

（1）电压基值

（二）主电路设计。本研究采用赛米控的软件[8]计算出B1、B2、B3模块可以选用1200V/600A的IGBT模块，同样使用赛米控的软件计算 B4模块参数，结果显示选择1200V/2400A的模块可以满足设计的要求。

（三）交流侧电感设计。

交流电抗器取0.2*pu值

其中L1:L2=1:5,则：

滤波电容取：

（四）直流母线电容值的选取。

（五）交流侧电感设计。

交流电抗器取0.2*pu值

其中L1:L2=1:5,得到

（六）直流母线电容值的选取。

直流电容取3*pu值

（七）储能电池侧电感参数设计。考虑Boost电路的效率，两端的电压值不要超过3倍[9]。直流母线电压采用700V的工作电压，则电池电压工作范围可以在340V-620V。电感L2工作在电流连续模式下，流过的最大电流和最小分别为：

考虑电流连续状态，10%的纹波电流系数，3.2k开关频率

直流电感取最大值1.2mH[10]。

全钒液流储能变流器充放电的控制过程如下：母线上的电流为定时检测的对象，并将检测值与设定值进行比较，如小于设定值时，变流器控制电网向蓄电池充电；如大于设定值时，变流器控制蓄电池将储备的电能回馈电网[11]。

三、全钒液流电池充放电实验

变流器输出的电压和电流是否符合要求最终还是要通过实验来验证，综合考虑本研究的适用范围，将主要目标定为验证变流器系统在全钒液流电池大电流充放电状态下的动态响应能力。

（一）大电流充电实验。考虑系统和实用的因素[12]，本系统对电池充电设定条件为：恒定电流100A，电压截止条件为310V。变流器直流输出端电流波形如图3所示。

图3 充电时电池端的充电电流波形

变流器交流端电流、电压波形及谐波波形如图4所示。

图4 全钒液流电池充电谐波记录

（二）大电流电网回馈实验。同样考虑系统和实用的因素，设定电流电网回馈实验的实验条件：放电电流为50A恒定电流，放电电压截止条件为200V。在变流器直流端所测到的电流波形、网侧电压、网侧电流波形如图5所示。

图5 电网回馈时实验电流电压波形

此时变流器交流端的电流、电压波形及谐波如图6所示。

图 6电网回馈实验谐波记录

从图5、6中可以得出结论，当蓄电池进行大电流电能回馈电网时，放电电流比较稳定，但精度不是很高，网侧电流电压稳定。虽然开始阶段电压和电流还存在较大的谐波，但随着电流的增大，情况得到了好转。综合观察整个电能回馈电网的过程运行稳定，完全满足实际需求。

结语

从以上实验可以看出，引入标准化、通用性的PEBB模块构建的储能变流器适合大规模大电流的全钒液流电池，充放电时电池侧和网侧的电流、电压均达到实际使用要求而且实现了平滑负荷功能。该变流器系统的充放电纹波电流小，具有很好的推广价值。

[1]刘素琴,黄可龙,刘又年,等.储能钒液流电池研发热点及前景[J].电池，2005（5）.

[2]张文亮,丘明,来小康.储能技术在电力系统中的应用[J].电网技术,2008，32(7).

[3]程时杰，文劲宇，孙海顺.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).

[4]宋文涛.基于电力电子结构块和USB技术的三相电压源逆变器设计[D].浙江:浙江大学,2006.

[5]宁改娣，杨旭.新一代PEBB控制系统软硬件结构[J].西安科技大学学报,2005，25(1).

[6]赵平,张华民,周汉涛,等.我国液流储能电池研究概况[J].电池工业，2005（2）.

[7]彭声谦,蔡世明,许国镇,等.钒电池充电过程中钒价态及其变化的现场分析[J].理化检验(化学分册)，1998（7）.

[8]王彩虹.全钒氧化还原液流电池的研究[D].电子科技大学，2005.

[9]赵平，张华民，周汉涛,等.10-kW级全钒液流储能电池组研制及性能[A].第二十七届全国化学与物理电源学术年会论文集[C].2006.

[10]宋文涛,吴国忠,董新伟.基于电力电子结构块和USB技术的三相电压源逆变器设计[J].电源技术应用，2006，9(8).

[11]陈茂斌,李晓兵,张胜涛,等.钒氧化还原液流电池的充放电特性[J].电池，2008(2).

[12]Manitoba HVDC Center．PSCAD/EMTDC user’s guide Version 4.2.Winipeg，Canada：Manitoba HVDC Center，April, 2005．

[责任编辑 郑丽娟]

The PEBB Technology Converter Be Applied in VRB

Shen Lu Wan Luanfei
（Wuhu Profession and Technology College,WuHu,Anhui 241000）

This paper briefly introduces the relevant background of the converter,the purpose of the design, the design of three modules based on the vanadium flow energy storage converter,to overcome the traditional converter a series of shortcomings.Experiments show that the built-in energy storage converter in the full vanadium flow battery charge and discharge,which can get a better current,voltage waveform,meet the requirements of harmonic harmonics,and play a balanced load.Therefore,the converter system test results meet the actual needs of the use.

VRB;energy storage;converter;PEBB

TM912

A

2095-0438（2017）05-0148-05

2016-12-28

沈璐（1978－），男，安徽芜湖人，芜湖职业技术学院电气工程学院副教授，硕士，研究方向：应用电子，电气技术。

安徽省质量工程项目（2015zy085）;芜湖职业技术学院2016教学研究建设项目。