磷酸铁锂电池储能系统防环流技术研究

贾磊磊

摘 要：本文通过分析储能系统电路拓扑结构的特性、储能系统拓扑结构的原理，介绍了项目实施中磷酸铁锂储能系统电路拓扑结构防环流的各种措施、技术特性及优缺点比较。

关键词：磷酸铁锂；电池储能系统；环流；DC/DC电路

中图分类号：TM464 文献标识码：A

0.引言

磷酸铁锂电池系统在大规模成组使用中需要解决一致性差异引起的环流问题。环流是指在电池组内部存在较大的环路电流。因为电池内阻比较小，通常为毫欧级，电压差异即使为几伏，环路电流可达到几百安甚至上千安。这种电流会对电池产生冲击，影响电池系统的使用寿命，甚至可能引起严重的安全事故。因此，防环流技术成为大规模电池成组过程中需要重点解决的关键技术问题之一。

1.采取防环流技术原因

解决环流的根本方法是提高电池的一致性，但是因为材料、工艺等各种原因，不可能彻底解决一致性差异，因此需在其他方面采用相关的技术措施，降低一致性差异的影响。

通常在系统设计时考虑电池容量的选取和添加外部拓扑电路两种方式。采用大容量电池，可以减少电池并联的数量和电池总量，降低故障机率。电池组接入端的电路从环路中降低电流或者抑制电流，均是有效的解决方式。

电池组通常采用先并联再串联的方式，不但可以减少电池组的数量，而且可以减小环路电流，同时可以成倍的节省电池管理系统的数量，有利于成本的优化。

2.增加预充电阻方式

电池组接入系统时可采用预充功率电阻的方式。在回路中并联两个直流预充电接触器，将预充功率电阻和其中一个接触器串联，如图1所示。当此电池组退出维护后，会与其他电池组产生电压差。先闭合预充接触器，由于功率电阻的作用，可以有效降低其他电池组流入的电流，即环路电流。待此组与其他组电压平衡后，再闭合主接触器，并断开预充接触器切除功率电阻，即可达到电路平衡。

预充功率电阻方式存在以下不足：

第一，电池组接入后必须进行不同组之间的充放电，浪费了电池组的可用能量，不利于提高直流侧的能量利用率。

第二，判断电池组接入条件技术复杂，只有在电压相差不多时接入，否则因电池簇本身的内阻非常小（约0.5mΩ 左右），这就会导致两个电池簇之间会产生难以控制的、很大的环流，对电池造成严重的危害，影响其寿命，因此电池组接入前必须将两组电池尽可能调整一致。

第三，接触器的控制逻辑复杂，两个接触器不能同时都工作，必须在预充接触器闭合后，并经过一段时间才能闭合另一接触器；而且接触器带载动作会严重缩短其使用寿命。

3.AC＼DC与DC＼DC双级模块型PCS

如图2所示为直接并联储能电池子系统示意图。图3所示为包含DC/DC 和DC/AC 环节的PCS拓扑结构示意图，这是一种双级结构的方案（DC/DC 变换器是第一级，双向并网变流器是第二级），在很多场合（尤其是光伏发电系统）得到了应用。利用双向DC/DC 变流器的电压调节作用，可以将特性差别很大的（发电）系统连接到同一直流母线上，并且能实现能量的双向流动。

该种模式不足点为除了并网变流器的损耗外，DC/DC 环节也存在损耗，并且该损耗与并网变流器的损耗相当。由于半导体器件的非线性，在相同的总负载电流条件下，该结构的系统将导致系统的总体效率降低。

蓄电池充电时，PWM变换器工作在整流状态，将电网侧交流电压整流为直流电压，该电压经双向DC/DC 变换器降压得到蓄电池充电电压；

放电时，PWM 变换器工作在逆变状态，双向DC/DC 变换器升压向逆变器提供直流侧输入侧电压，经逆变器输出合适的交流电压。这种含DC/DC 和DC/AC 环节拓扑结构的PCS的主要优点是适应性强，可实现对多串并联的电池模块的充放电管理；由于DC/DC 环节可实现直流电压的升、降，使得蓄电池的容量配置更加灵活；适于风电、光伏等波动性比较强的分布式电源的接入配合，抑制其直接并网可能带来电压波动。

4.AC/DC单级模块型PCS

如图4所示为仅含DC/AC 环节的PCS拓扑结构，直接并网的电池储能系统并网拓扑结构中，PWM变换器的输出部分接有升压变压器，以便其电压与所并联的交流网络电压相匹配，同时起到将电池储能系统与外部系统的电气隔离作用。蓄电池系统充电时，PWM 变换器工作在整流器状态，将系统侧交流电转换为直流电，将能量储存在蓄电池中；放电时PWM 变换器工作在逆变器状态，将蓄电池释放的能量由直流转换为交流回馈外部系统。

这种仅含DC/AC 环节的PCS 拓扑结构的优点是适于电网中分布式独立电源并网，结构简单，PCS环节能耗相对较低。

但该结构的缺点是：

系统体积大、造价高；储能系统的容量选择缺乏灵活性；

电网侧发生短路故障有可能在PCS直流側产生短时大电流，对电池系统产生较大冲击；

多个AC/DC模块同时工作时，会因同一时刻各个内部PWM变换器在整流或逆变时的相序、瞬间电压、频率不同等因素造成各个模块之间产生严重的共模电压干扰问题，严重干扰直流端电压稳定性，对电池及BMS系统造成严重不良影响。

结论

（1）与电池组直接并联的PCS 装置的电池储能系统相比，含DC/DC和DC/AC 环节双级结构的PCS 装置的电池储能系统，其电池组的配置更灵活，对电池的充放电管理更准确、可靠。

（2）降低DC/DC模块的功率损耗将是以后能量变换装置研发的一个重要目标。

（3）DC/DC拓扑结构的特性及控制研究是MW级PCS 装置研发的重要方向。

（4）改进AC/DC单级PCS功率模块的抗干扰性能及提升控制策略，是以后单级式研发的重要方向。

参考文献

[1]李战鹰，胡玉峰，吴俊阳，等.大容量电池储能系统PCS 拓扑结构研究[J].南方电网技术，2010 ，4（5）：39-42.

[2]董亦斌，吴峂，金新民，等.等腰三角形双向DC/DC 变换器的拓扑研究[J].中国电机工程学报，2007，27（13）：81，86.

[4]张方华，严仰光. 一族正反激组合式双向DC-DC 变换器[J].中国电机工程学报，2004，24（5）：157-162.

[4]廖志凌，阮新波.独立光伏发电系统能量管理控制策略[J].中国电机工程学报，2009，29（21）：46，52.

[5]金一丁，宋强，刘文华.电池储能系统的非线性控制器[J].电力系统自动化，2009，33（7）：75-80.

[6]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

[7]郭新生，赵知辛，冯小龙，等.垂直轴螺旋型风轮-光伏电池互补发电装置[J].电网与清洁能源，2008，24（7）：49，51.