基于储能电池的H桥功率模块对拖试验研究

郭志超 陈杰 张亚鹏 谭雯 董露 赵俊强

摘  要：主要研究基于储能电池的H桥功率模块对拖试验相关内容。首先介绍了主回路和控制回路拓扑设计，每个H桥功率模块直流侧均并联一个储能电池。然后提出了整个试验系统的保护协调配合及动作原则，主控制器负责总体保护及保护的协调配合，功率模块、水冷系统、BMS负责各自保护。最后提出有功无功对拖控制策略及具体试验流程，实现两个功率模块的有功和无功满功率试验。

关键词：功率模块  H桥  储能电池  对拖试验

中图分类号：TM91

Research on the Twin Trawling Test of H-Bridge Power Modules Based on Energy Storage Batteries

GUO Zhichao  CHEN Jie  ZHANG Yapeng  TAN Wen  DONG Lu

ZHAO Junqiang

Beijing Electric Power Automatic Equipment Co.， Ltd.， Beijing， 100044 China

Abstract： This article mainly studies the relevant content of the twin trawling test of H-bridge power modules based on energy storage batteries. Firstly， it introduces the topology design of the main circuit and control circuit， with an energy storage battery connected in parallel on the DC side of each H-bridge power module. Then， it proposes the coordination and action principles of the  protection of the entire test system： the main controller is responsible for overall protection and its coordination， and the power module， water cooling system and BMS are responsible for their own protection. Finally， it proposes control strategies for the twin trawling of active and reactive power and their specific test processes to achieve the full power test of the active and reactive power of two power modules.

Key Words： Power module; H-bridge; Energy storage battery; Twin trawling test

直流配用电系统是指采用直流电源供电，并通过配电网络将电能分配给各类负载的电力系统。与传统的交流配电系统相比，直流配电系统具有更高的电能传输效率、更简单的系统结构和更灵活的电能调度能力，因此，在分布式能源、电动汽车充电站、数据中心、照明、轨道交通等领域得到了广泛应用[1]。

H桥链式变换器具有高效、可靠、模块化等优点，广泛应用于高压电机驱动及大功率无功补偿等领域[2，3]。在直流配用电系统中，H桥功率模块作为关键的功率转换与控制元件，发挥着至关重要的作用。H桥功率模块可以将直流电源输出的电能转换为适合负载需求的电压和电流，通过改变开关器件的通断状态和控制策略，满足不同类型负载的用电需求，实现对电能的精确调度和控制[4，5]。

1  主回路和控制回路拓扑设计

1.1 主回路硬件拓扑设计

如图1所示，主回路包括电池1、开环功率模块、连接电感、闭环功率模块、电池2。其中开环功率模块与闭环功率模块由主控制器通过光纤控制，主控制器向开环功率模块与闭环功率模块发送驱动信号和各项参数，开环功率模块与闭环功率模块向主控制器上传各自的实际电容电压、开关器件温度、告警和故障等各种信息。开环功率模块与闭环功率模块的主回路与控制回路完全相同，仅通过光纤收到的驱动信号不同。

1.2 控制回路拓扑设计

控制回路拓扑结构如图2所示，主控制器对外通信均采用光纤通信，实现电气隔离，确保试验人员操作主控制器时人身安全。主控制器、电池的BMS、水冷系统均采用AC220V供电，功率模块就地控制器电源取自功率模块直流侧。

主控制器与功率模块就地控制器采用自定义协议通信，数据采用曼彻斯特编码，定时收发一帧信息。通信信息包括命令、状态故障回报，主控制器下发给就地控制器的命令为闭锁、复位、解锁、IGBT开通关断信号，就地控制器上传给主控制器的信息为直流侧电容电压、就地控制器的状态位。

主控制器与BMS通信采用CAN总线协议，BMS定时上传给主控制器信息，定时时间根据上传内容重要性不同而不同，越重要的数据上传时间间隔越短，定时时间为100 ms、200 ms、500 ms、1 s、10 s不等。BMS定时上传内容主要包括继电器状态、电池电压、温度、绝缘采集信息、充放电功率/电量、故障信息等。主控制器下发给BMS的命令包括绝缘采集、故障复位、累计充放电量清零、分合继电器，上述命令均采用事件触发方式。除命令外，主控制器定时下发给BMS心跳帧，用于BMS判断通信是否正常。

2  保护协调配合及动作原则

2.1 功率模块的就地控制器保护

功率模块的就地控制器负责功率模块本身的实时保护，保护分为告警、闭锁两个级别。告警仅通过光纤通信向主控制器发送信号，闭锁则直接关断功率模块自身的4个IGBT。触发告警的事件消失后，告警信号自动复归。触发闭锁的事件消失后，闭锁信号保持，需要主控制器发送复归命令后才能复归闭锁信号。触发告警的事件主要包括直流母线电压轻微过压、直流母线欠压、同步信号丢失、板卡输入电源轻微过压、温度继电器过温告警、窄/宽脉冲异常、开关频率过低/过高、AD芯片异常等。触发闭锁的事件主要包括直流母线电压严重过压、主控制器通信异常、取能电源故障、板卡电源故障、温度继电器超温等。

2.2  水冷系统保护

水冷系统与主控制器之间既有485通信，也有开关量。水冷系统通信内容级别为“告警”的作为告警信息在后台显示，级别为“闭锁”的主控制器需执行功率模块闭锁操作。水冷控制系统送至主控制器的闭锁、报警及系统运行等采用信号硬接线方式接入，且主控制器下发至水冷系统信号也采用的硬接点信号。开关量告警信息主要包括水冷系统报警、请求停水冷。开关量闭锁信息主要包括水冷系统跳闸、水冷系统掉电、水冷控制系统故障。主控制器通过开关量启动和停止水冷系统运行，模块对拖时，先启动水冷系统，后解锁功率模块，试验停止时，先闭锁功率模块，后停止水冷系统。

水冷系统通过 RS485 通信接口与控制保护系统进行软报文通信。告警事件主要包括交流动力电源故障、主循环泵故障、风机故障、补水泵/充气泵故障、电加热器故障、缓冲罐液位开关下限、补水罐/缓冲罐液位低、系统泄漏、供水/回水温度超限、供水/回水压力超限、缓冲罐压力/液位超限、冷却水电导率高/流量低、温度/压力/液位变送器故障、电导率/流量变送器故障、主过滤器污堵等。闭锁事件主要包括主流量超低且供水压力低、主流量超低且供水压力高、供水压力超低且主流量低、主流量超低且供水压力传感器故障、供水压力超低且主流量传感器故障、主流量和供水压力传感器均故障、缓冲罐液位超低且液位开关下限、缓冲罐液位传感器故障且液位开关下限、供水温度传感器均故障、供水温度超高、电导率超高等。

2.3  储能电池保护

储能电池的BMS可控的仅有本身的继电器和风扇。风扇由BMS根据电池温度、电流自动控制，BMS自身轻微故障时仅通过CAN通信上传，继电器不动作，BMS自身严重故障时直接断开所有继电器，主控制器闭锁。另外，BMS上传的变量“最大可用放电电流、最大可用充电电流、最大可用放电功率、最大可用充电功率”和储能电池本身的温度和告警信息相关，主控制器需要保证实际的充放电不超过相应功率和电流。

告警事件主要包括总电压过高过低、充电单体互差、放电单体互差、静置单体互差、充放电电流过大、温度过高过低、温升过快、SOC过高过低等。闭锁事件主要包括BMS内部通信故障、绝缘模块通信故障、与主控制器通信故障、极限过压欠压、极限过温低温、参数配置故障、温度采集线开路或短路、接触器故障、标定故障等。

2.4  主控制器保护

主控制器本身需采集试验回路的电压和电流信息作为保护条件。触发告警的事件主要包括交流侧轻微过压、电感电流轻微过流。触发闭锁的事件主要包括交流侧严重过压、电感电流严重过流、与水冷系统通信故障、与电池BMS通信故障。

另外，主控制器作为整个系统的控制核心，功率模块的就地控制器、水冷系统、储能电池本身的告警和闭锁事件均上传至主控制器，主控制器检测到相应的事件会告警或闭锁全部IGBT且断开所有储能电池继电器。

3  有功无功对拖控制策略及试验流程

3.1  对拖控制策略

如图3所示，闭环功率模块目标有功电流、目标无功电流、开环功率模块调制比这3个参数由试验人员通过主控制器的触摸屏设置。实际电感电流由主控制器通过霍尔传感器采集图1中连接电感L流过的电流得到。开环功率模块调制波由主控制器转换为具体的开关器件驱动信号后，通过光纤发送给开环功率模块，控制开关器件动作，开环功率模块为开环控制，相当于单相电压源。闭环功率模块调制波由主控制器转换为具体的开关器件驱动信号后，通过光纤发送给闭环功率模块，控制开关器件动作，闭环功率模块为闭环控制，相当于单相并网逆变器。图3中的控制框图由主控制器负责具体实现。

通过单极倍频调制将功率模块调制波转换为具体的IGBT动作信号，单极倍频调制输出电压的脉动频率为开关频率的两倍，也就是说用同样的开关频率可以把输出电压中的脉波数提高一倍，这对减少开关损耗和改善输出电压波形质量都是有益的。

3.2  试验流程

初始状态下，所有开关处于分位，首先合主控制器AC220V电源开关，检查触摸屏显示正常，参数设置无误。

依次合电池1、电池2的AC220V控制电源开关，检查主控制器的触摸屏电池界面状态信息显示正常，至此，说明主控制器与BMS的CAN通信正常且硬件无损坏。依次点击主控制器的触摸屏电池界面绝缘采集按钮，电池1、电池2调用各自的绝缘采集模块进行绝缘采集并将采集结果通过CAN上送到主控制器，在主控制器的触摸屏观察到“绝缘故障等级”为“绝缘正常”且“绝缘报警状态”为“无绝缘故障”，则说明电池本身以及电池和功率模块的连接电缆绝缘正常。

点击主控制器的触摸屏电池界面“一键合继电器”按钮，主控制器自动通过CAN通信控制电池的继电器依次动作。如图1所示，以电池1为例，先合电池负极的K12，K12合闸成功后延时0.5 s合K13，K13合闸成功后电池通过充电电阻R11给开环功率模块直流侧电容C1充电，等待电池电压和开环功率模块直流侧电容C1电压压差小于20 V后合K11，K11合闸成功后延时0.5 s分K13，合闸流程结束，合闸流程中出现任何故障则同时断开所有继电器。

电池1、电池2继电器合闸流程成功后，功率模块均正常上电，功率模块就地控制器也上电开始工作，检查主控制器的触摸屏功率模块界面状态信息显示正常，说明主控制器与功率模块就地控制器的通信正常且软硬件完好。

合水冷系统AC220V电源开关，设置水冷系统参数，检查主控制器的触摸屏水冷系统界面状态信息显示正常。点击主控制器的触摸屏“启动水冷系统”界面，等待水冷系统正常启动。

解锁开环功率模块，主控制器通过图3中开环功率模块调制波计算出驱动信号，控制开环功率模块输出电压。逐渐升高开环功率模块调制比，用示波器观察输出电压波形是否正常。

解锁闭环功率模块，闭环功率模块目标有功电流设置为0，目标无功电流逐渐升高到额定无功电流，随后目标有功电流逐渐升高到额定有功电流。此时闭环功率模块和开环功率模块均满功率运行，为正常运行工况，可进行满功率温升试验。

试验停止流程：逐渐降低闭环功率模块目标有功电流和无功电流，降至100 A以内后按下急停按钮，同时闭锁两个功率模块。断开电池1、电池2所有继电器，等待功率模块直流侧电压缓慢下降至0 V左右，关闭水冷系统，断开所有试验电源。

4  结语

直流配用电作为现代电力系统的重要分支，其高效、稳定的电能分配对于整个系统的性能至关重要。而H桥功率模块作为直流配用电中的关键元件，通过精确控制电流的方向和大小，实现了对电能的灵活调节和分配。本文从硬件拓扑、保护配合、控制策略及试验流程几个方面对基于储能电池的H桥功率模块对拖进行研究，以满足产品研发和生产过程中对储能电池和功率模块的调试要求。

参考文献

[1] 龙潭，崔洪敏，何帅.城市轨道交通低压直流配电系统研究[J].都市快轨交通， 2020（12）：127-133.

[2] 张明.级联H桥STATCOM直流侧电压平衡控制策略研究[D].淮南：安徽理工大学，2023.

[3] 乔坤.不平衡电网下低容值级联H桥STATCOM补偿特性与控制研究[D].徐州：中国矿业大学，2023.

[4] 王付胜，戴之强，王佳宁，等.一种基于级联H桥光伏并网逆变器的变移相角载波移相调制策略[J].太阳能学报，2020（8）：144-150.

[5] 李东野. MMC型电力电子变压器的关键技术研究[D].南京：东南大学，2020.