一种大容量电池储能系统的优化设计方案

1、一种大容量电池储能系统的优化设计方案黑辱TGRID1 引言储能技术已被视为电网运行过程中“采-发-输-配-用-储”六大环节中的重要组成部分。由于电池储能系统具备灵活的有功、无功功率控制能力，因此可应用于不同的发电、输电、配电场合，起到削峰填谷、提高新能源并网能力、孤岛运行、电网调频及备用电源等作用1-3。锂电池具有能量效率高、能源密度大、存储性能优秀等特点，但单体容量较小。在兆瓦级大规模电池储能应用中，为了达到一定的电压、功率和能量等级，锂电池需要大量串并联成组使用。电池串联使用可以提高电池输出端电压，电池并联使用可以倍增电池组的容量。近年来，大容量锂电池储能系统在电力系统领域获得了较好应用甘

2、。能量转换系统是实现锂电池储能系统与电网双向功率交换的核心部件。由于在电池大规模成组过程中，由于电池单体的不一致性，会带来系统可靠性、效率及寿命等方面的一系列问题。同时，电池组端电压在不同充放电状态下的变化范围较宽，且能量双向流动。因此，传统的变流器产品已经满足不了电池储能系统的要求7。本文针对大容量锂电池储能系统的技术特点，深入分析比较适合于大容量电池储能的电网接入技术，以期为大容量电池储能系统的电网接入方案设计提供参考。2 锂电池储能系统的构成厂F柱申.酒址图1锂电池储能系统的结构示意图Fig.1Topologyofalithiumbatteryenergystoragesystem典型的

3、锂电池储能系统结构如图1所示。上层应用服务器在综合电网实时信息、电池管理系统（BMS）上送信息及能量转换系统（PCS）状态信息的基础上，根据预设的控制策略，给PCS下发工作状态（充电、放电、孤岛、待机、停机）指令以及充放电功率（或电流）大小；PCS精确执行上层控制指令，实现电池堆与电网间的双向功率流动；BMS则实时监测、评估电池堆状态和容量信息，供上层应用服务器和PCS控制用。3 电网接入方案设计3.1单级式单级式结构主电路拓扑如图2所示，锂电池堆经三桥臂模块DC/AC逆变后，经输出滤波电路和隔离升压变压器并入三相交流电网。BMTERYSTACK图2单级式DC/AC主电路结构图Fig.2Pow

4、ercircuitofthesingle-stageconverter这种方案的优点是主拓扑结构简单，PCS系统的效率、可靠性均较高；缺点是缺乏针对大容量电池储能系统技术特点的设计与考虑，主要体现在电池堆单一输入，需要将所有单体电池大量串并联，接入同一直流母线，容易出现环流和一致性问题，大大降低了储能系统的可靠性。实际应用时，为提高系统的可维护性，每串电池组可通过直流接触器汇入直流母线，以实现对电池组的独立投退控制，便于各串电池组的独立检测维护。单级式换流器存在直流侧输入电压范围较窄的缺点，但在大容量锂电池储能系统中并无明显的影响：一方面，大容量锂电池储能系统需要大量的单体电池串联成电池组，且

5、单体锂电池额定端口电压（3.2V）较高（明显高于大容量铅酸电池单体的2.0V），所以，成串后的电池组端口电压一般较高（基本在600V900V之间）；另一方面，出于电池成组安全考虑，对应的电池工作荷电状态（SOC）区间一般都在10%90%之间，而根据锂电池的充放电曲线，在这个区间，端口电压变化曲线都很平坦，如图3所示，因而充放电过电网。DGACDC.1ACCJACDGACW.TTFKV-niJAVUBAbRV,'iK阳壮程中，端口电压变化范围不很大。图3某60Ah单体锂电池充电曲线Fig.3Chargecurveofa60AhLi-ionbattery3.2双级式双级式DC/DC+DC/

6、AC主电路拓扑如图4所示，主电路由一个DC/AC和一个DC/DC模块背靠背组成，锂电池组接入前级的DC/DC模块进行升压变换后接入直流母线，直流母线电压经逆变后直接并入三相电网。GRID图4双级式DC/DC+DC/AC主电路结构图Fig.4Powercircuitofthetwo-stageconverter该拓扑相对单级式结构的显著优点是该拓扑中直流母线工作电压稳定，不随输入电压变化而变化，基于此可扩大直流侧输入电压的范围，实现宽范围输入（主要是较低电压输入）。该拓扑结构在直流侧也是采用单一输入的方式，同样存在前述的集中接入导致电池组可靠性降低的问题。前级DC/DC环节的输入侧需安装滤波电容

7、及滤波电感以限制流入电池阵列的纹波电流，增加了相应开关和器件损耗的同时，造成了系统体积、重量及成本的增加。相对于单级式DC/AC变流器，包含DC/DC和DC/AC两级功率变换模块的双级式功率变流器对控制系统的精度有着更高要求：需具备完善的协调控制策略，一方面确保系统稳态运行时的抗干扰能力，另一方面，需有效抑制暂态时直流母线电压的冲击和波动，保证系统的动态稳定性能。3.3多组独立接入多组独立接入换流器结构如图5所示，该拓扑应用于大容量场合时采用多个如图1所示的单级式DC/AC模块并联的方式，根据系统所需容量及电池并联要求设置所需的DC/AC单元并联数量，多个DC/AC单元输出并联后接入外部交流图

8、5多DC/AC并联换流器主电路结构图Fig.5Powercircuitofthemulti-DC/ACparallelconverter该种方案的优点是主拓扑结构相对简单，易于模块化，系统扩展性好，单元故障时的降额运行能力强，可靠性较高。在这种方案中，直流侧分多组接入，可以减少电池成组时每组电池中的串并联数目，甚至可以实现电池组单串接入，大大降低了电池组并联时环流与均流问题出现的概率，有利于电池维护、均衡管理，提高电池系统的可靠性；同时，直流侧低功率运行时，该方案能支持多组电池轮换工作，保证电池的工作寿命趋于一致，有效提高了低功率下的系统效率和直流侧电能质量，实现电池组均衡使用，保证电池寿命及

9、一致性。和单级式DC/AC换流器类似，该方案有着直流母线工作电压范围相对较窄的缺点，同时，由于电力电子元器件较多，控制系统相对复杂，输入输出接口资源要求较大，对控制系统的计算处理能力也提出了高的要求。也可通过各组独立的前级DC/DC功率变换模块来实现电池组的多组独立接入，为简化系统拓扑结构，多个DC/DC可以直接并联于同一直流母线，然后再通过后级DC/AC变换模块与电网相连，如图6所示8。该方案有着前述双级式变流器的优缺点，有着适合于大容量电池储能系统技术特点的电池组多组独立接入设计，但控制系统更为复杂，对控制系统要求更高。DCBUS图6多DC/DC并联双级式换流器主电路结构图Fig.6Pow

10、ercircuitofthemulti-DC/DCparalleltwo-stageconverter4 控制策略设计4.1DC/AC模块控制并网运行时，双向DC/AC变流器通过直流母线电容与直流侧解耦，采用如图7所示的双环控制策略，其中外环为直流母线电压闭环，内环为基于空间矢量调制（SVPWM）的dq电流解耦闭环控制。直流电压环给定电压u*和反馈电压udcdc相比较后的误差经PI调节器输出i*,而i*由功dq率因素的性质决定。i*、i*分别与对应的反馈值dqi、i相比较后的误差经过PI调节器调节后输dq出，再与各自的解耦补偿项和电网电压扰动前馈补偿项相运算后得到变换器交流侧参考电压u、rdu

11、，然后经坐标变换后进行SVPWM调制，产生驱rq动信号实现对网侧变换器的控制。9d7*dlidrdrzBatterydSVPWMKP电压补偿计算图7DC/AC模块控制框图Fig.7ControldiagramoftheDC/ACmodule4.2DC/DC模块控制如图4所示，用于电池储能系统的DC/DC换流器模块工作电流需双向流动。当电路需要工作功率流向为正（电池放电）的状态时，IGBTS2处于PWM工作状态，IGBTS1关断，此时电路为BOOST升压电路；当电路需要工作功率流向为负（电池充电）的状态时，IGBTS1处于PWM工作状态，IGBTS2关断，此时电路为BUCK升压电路。DC/DC模

12、块的控制随着电池的充放电形式以及充放电阶段的不同而不同，包括电池电流控制和电池组端口电压控制两种。电池电流控制目标为控制电感电流Il为给定值，一般采用电流闭环控制策略，如图8所示。给电池放电时，电流为正，下桥臂开通；充电时，电流为负，上桥臂开通；指定功率充放电控制实质上为直流电流控制。图8电池电流控制Fig.8Batterycurrentcontrolscheme电池组端口电压控制对应蓄电池恒压充电状态，控制目标为保持直流源端电压ub恒定，batDC/DC工作于BUCK降压状态（上桥臂进行PWM控制，下桥臂关断），一般采用电压外环和电流内环双环控制策略，如图9所示。UbatILILr_fpi控

13、制器+；图9直流端口电压控制Fig.9DCportvoltagecontrolscheme5 实验结果与分析以某实际工程用300kW双级式储能换流器为例说明。该换流器拓扑结构如图6所示，前级DC/DC变流模块6组并联，每组额定容量50kW,对应6组完全独立电池组输入；后级DC/AC额定容量300kW，与外电网直接并联。由于独立分组接入系统中，电力电子元器件较多，限于接口资源和运算能力限制，采用两套控制控制板分别控制前级DC/DC模块和后级DC/AC模块，相互间通过直流母线电压解耦控制，同时设有专用光纤来实现必要的保护和控制信号传输。主要技术参数如下：电网额定交流电压380V,额定电流456A,

14、锂电池组额定电压690V,电池组工作电压范围605V780V,电池最大充放电电流100A,开关频率4kHz。换流器放电功率指令为250kW,共五组电池组均分功率指令。运行过程中，设备自身实际录波波形图（经调理板滤波后）如下所示，图10a为DC/AC换流器实际波形，分别为三相线电压、三相电流、直流母线电压和对应的IGBT调制信号；图10b为第一电池组的实际放电波形，分别为电池组端口电压、电池放电电流和对应的IGBT调制信号。补充说明的是，PCSDC/AC换流器采用电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）方法，在正弦调制信号上注入了零序三次分量，提高了直流电压利用率，并对开关频率要求较低。EF5E-.!

15、Ers03(b)充电功率ChargingPower图11动态特性的RTDS仿真结果Fig.11SimulationresultsofdynamiccharacteristicsbyRTDS(a)交流侧ACside(b)直流侧DCside图10实验波形Fig.10Experimentalwave由图看出，系统所示运行时间内，直流母线电压稳定，在设定值800V的上下2V范围内扰动;交流侧电流波形和电池组电压和放电电流均平稳光滑。从现场长期运行实测数据，该系统运行时电池侧和交流侧电能质量均满足相关标准要求。对双级式储能换流器的动态性能进行了深入的实验研究10，发现在充放电功率实时切换时，直流母线电压有明显的冲击和波动。图11为RTDS仿真情况下，500kW双级式储能换流器在充电功率变化时的动态响应特性。良好的储能系统稳态特性及暂态特性，需要在系统拓扑结构、协调控制策略以及控制参数调节等方