摘要：并網(wǎng)變換器為鋰電池儲能系統(tǒng)實現(xiàn)并網(wǎng)的核心部件，為實現(xiàn)鋰電池儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)的雙向功率交換，提出了鋰電池儲能并網(wǎng)變換器設(shè)計方案。該系統(tǒng)以賽米控智能集成功率模塊作為主要功率器件，通過電感–電容–電感(LCL)濾波器接入電網(wǎng)，控制系統(tǒng)采用開放的分層控制架構(gòu)。利用該設(shè)計方案研制了樣機，樣機試驗結(jié)果驗證了該設(shè)計方案的可行性，樣機能夠完成鋰電池儲能系統(tǒng)的不同充電模式，相關(guān)參數(shù)可以滿足并網(wǎng)要求。
0引言
鋰電池具有能源效率高、能源密度高、存儲性能優(yōu)秀等特點，可進(jìn)行并聯(lián)或串聯(lián)以獲得高容量或高電壓。近年來大容量鋰電池儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)領(lǐng)域獲得了較好應(yīng)用，如可用于電力調(diào)峰、負(fù)載平定、電能質(zhì)量甚至頻率控制等多種場合[1-3]。
鋰電池儲能系統(tǒng)主要由單體電池、電池管理系統(tǒng)、監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)、并網(wǎng)變換器等組成。并網(wǎng)變換器為儲能系統(tǒng)實現(xiàn)并網(wǎng)的核心部件，經(jīng)變換后相關(guān)參數(shù)需滿足并網(wǎng)條件，其中注入電網(wǎng)的電流諧波是重要指標(biāo)之一，文獻(xiàn)[4-5]要求總諧波失真小于5%。
本文根據(jù)鋰電池特性提出了鋰電池并網(wǎng)變換器設(shè)計方案，分析了系統(tǒng)的硬件設(shè)計方法和控制策略，以期為鋰電池儲能并網(wǎng)應(yīng)用提供參考。
1鋰電池儲能并網(wǎng)變換器結(jié)構(gòu)
鋰電池儲能并網(wǎng)變換器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由電壓源變換器(voltage source converter，VSC)、電感–電容–電感(LCL)濾波電路和工頻隔離變壓器組成。圖1中：udc(t)、idc(t)分別為鋰電池電壓和電流；L1、L2為濾波電感；C0為濾波電容；ii(t)為流過VSC側(cè)濾波電感L1的電流；ig(t)為流過濾波電感L2即注入電網(wǎng)的電流；uc(t)為濾波電容C0的電壓；ic(t)為流過濾波電容C0的電流；ea(t)、eb(t)、ec(t)分別為電網(wǎng)a、b、c三相電壓；SVPWM(space vector pulse width modulation)為空間矢量脈寬調(diào)制模塊。
儲能并網(wǎng)變換器主要實現(xiàn)鋰電池與交流電網(wǎng)間的雙向能量傳遞，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)并網(wǎng)變換器輸出電壓的幅值和相位，既可從電網(wǎng)吸收有功，也可將電池能量回饋到電網(wǎng)。并網(wǎng)變換器具有節(jié)能、輸入功率因數(shù)高、電流諧波畸變率低等特點。LCL濾波器與單電感濾波器相比，對電流高頻分量具有更強的抑制能力，可以實現(xiàn)較好的濾波效果，滿足并網(wǎng)諧波要求。
并網(wǎng)變換器采用工頻變壓器實現(xiàn)電氣隔離，降低了電池對地絕緣的要求，系統(tǒng)運行更加安全，同時也能更好地匹配電池組運行電壓范圍。
控制系統(tǒng)采用分層控制策略，主控單元采用德州儀器公司的DSP2812和Altera公司的CycloneII-EP2C20為核心控制芯片。DSP2812為數(shù)字信號處理器(digital signal processor，DSP)，軟件編寫靈活。II-EP2C20為現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array，F(xiàn)PGA)，其在重復(fù)計算和大規(guī)模計算方面具有優(yōu)勢。該控制系統(tǒng)利用DSP完成應(yīng)用層控制，利用FPGA完成底層控制(如多路AD采樣、數(shù)字鎖相環(huán)的實現(xiàn)、功率器件的驅(qū)動等)，充分發(fā)揮了2個控制器的特性，也更有利于系統(tǒng)擴展。
2主電路設(shè)計
鋰電池儲能并網(wǎng)變換器既要滿足電網(wǎng)側(cè)的電流諧波、功率因數(shù)等要求，又要滿足鋰電池自身的充放電特性。
賽米控智能集成功率(Semikron integrated intel-ligent power，SKIIP)模塊[6]集成了功率半導(dǎo)體器件、散熱器以及具有保護(hù)和監(jiān)測電路的門極驅(qū)動電路，并具有用于短路和過電流保護(hù)的閉環(huán)電流傳感器，同時還集成了溫度傳感器。采用SKIIP模塊[6]可以大大簡化逆變器主電路，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，該模塊具有標(biāo)準(zhǔn)接口，其架構(gòu)如圖2所示。
相對于傳統(tǒng)的單電感濾波器，3階LCL濾波器能更好地抑制并網(wǎng)變換器引起的電流諧波。LCL濾波器的參數(shù)對系統(tǒng)的動態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能影響很大，文獻(xiàn)[7]對LCL濾波器參數(shù)的限制條件以及設(shè)計步驟做了詳細(xì)介紹，本文在此基礎(chǔ)上確定LCL濾波器的參數(shù)。根據(jù)VSC側(cè)電流最大允許紋波得到VSC側(cè)電感L1的最小值，根據(jù)系統(tǒng)的無功功率限定值求得濾波電容C0，最后根據(jù)并網(wǎng)電流總諧波得到網(wǎng)側(cè)電感L2。
根據(jù)上述分析，最終確定的濾波器參數(shù)為：
L1＝0.56mH，L2＝0.2mH，C0=100μF，fres＝1.31kHz，
r＝0.36。
3控制系統(tǒng)設(shè)計
3.1控制系統(tǒng)功能
傳統(tǒng)的電力電子控制系統(tǒng)基本以集中式控制模式為主，控制系統(tǒng)與底層硬件的相互依賴性較大，且靈活性和擴展性較差[8-10]。并網(wǎng)變換器控制系統(tǒng)采用按功能進(jìn)行分層控制的架構(gòu)，充分發(fā)揮了數(shù)字控制和數(shù)字通信的優(yōu)勢，同時該架構(gòu)的設(shè)計更利于實現(xiàn)系統(tǒng)的自治控制，也利于上層調(diào)度。
參照通信系統(tǒng)的開放系統(tǒng)互連(open system in-terconnection，OSI)模型，并網(wǎng)變換器分層控制功能示意圖如圖3所示。圖3中：θ為電網(wǎng)電壓相位；SPLL(software phase loop)為軟鎖相環(huán)[11]；IGBT(insulated gate bipolar transistor)為絕緣柵雙極型晶體管。硬件層控制模塊由FPGA完成；應(yīng)用層控制模塊由DSP完成算法運算，提高了系統(tǒng)靈活性；系統(tǒng)層控制由上位機完成，可以實現(xiàn)多個儲能系統(tǒng)的大規(guī)模調(diào)度。層次化的并網(wǎng)變換器接口如圖4所示。
3.2控制策略
鋰電池儲能并網(wǎng)變換器的等效電路如圖5所示。并網(wǎng)變換器電壓v與電網(wǎng)電壓e控制的并網(wǎng)電流i之間的關(guān)系為
4試驗結(jié)果分析
利用本文儲能并網(wǎng)變換器實現(xiàn)方案研制了試驗樣機，并進(jìn)行了鋰電池儲能系統(tǒng)充放電測試，具體試驗內(nèi)容為恒流充電、恒壓充電、恒功率放電以及由充電到放電的過渡。
圖7為電池恒流充電時的電池直流側(cè)電壓、電流以及電網(wǎng)側(cè)的A相電壓和電流。圖8為電池恒壓充電時的電池直流側(cè)電壓、電流以及電網(wǎng)側(cè)的A相電壓、電流。圖9為恒功率放電時的電網(wǎng)側(cè)A相電壓和電流。圖10為恒功率放電到恒流充電時的電網(wǎng)側(cè)A相電壓、電流和電池直流側(cè)電流。
由樣機試驗結(jié)果可知，該并網(wǎng)變換器成功實現(xiàn)了鋰電池儲能系統(tǒng)的充電和放電雙重功能，向電網(wǎng)反饋能量時能很好地跟蹤電網(wǎng)電壓和相位，充電時實現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)的高功率因數(shù)，并能按設(shè)定的工作方式工作。
5結(jié)論
鋰電池儲能并網(wǎng)變換器能夠?qū)崿F(xiàn)充電和放電雙重功能，采用分層控制策略實現(xiàn)了控制任務(wù)的優(yōu)化分配，既增加了系統(tǒng)的靈活性，又減少了各層之間的相互依賴。試驗樣機給出了不同工作模式下的試驗波形，驗證了提出的應(yīng)用于鋰電池儲能系統(tǒng)的三相雙向并網(wǎng)變換器的可行性和實用性，該樣機已在100kW的鋰離子電池儲能并網(wǎng)變換器中得到了良好的應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
[1]Barton J P，Infield D G．Energy storage and its use with ntermittent renewable energy[J].IEEE Trans on Energy Conversion，2004，19(2)：44l-448．
[2]Norrias B L，Greg J B．Utility test results of a 2-megawatt 10-second reserve-power system[M]．Sandia：Sandia National Laboratories，1999：41-45．
[3]孫濤，王偉勝，戴慧珠，等.風(fēng)力發(fā)電引起的電壓波動和閃變[J].電網(wǎng)技術(shù)，2003，27(12)：62-66．
[4]IEEE 1547-2003，IEEE standard for interconnecting distributed resources with electric power systems[S]．New York：The Institute of Electrical and Electronics Engineers，2003．
[5]IEEE Std 519-1992．IEEE recommended practices and requirement for harmonic control in electrical power systems[S].New York： IEEE Industry Applications Society Power Engineering Society，1992．
[6]Ulrich N，Peter R W．功率模塊應(yīng)用手冊[M]．紐倫堡：賽米控國際公司，2003：88-98．
[7]Liserre M，Blaabjerg F，Hansen S.Design and control of an LCL filter based three phase active rectifier[J]．IEEE Trans on Industrial Applications，2005，41(5)：1281-1291．
[8]Gateau G，Ruelland R，Aime M.A co-simulation environment for the test and the validation of digital control strategy on a mixed DSP/FPGA architecture[C]//International Power Electronics and Motion Control Conference．Riga，Latvia：IEEE，2004：157-164．
[9]Bielewicz Z，Debowski L，Lowiec E．A DSP and FPGA based integrated controller development solutions for high performance electric drives[C]//IEEE International Symposium on Industrial Elecronics．Warsaw，Poland：IEEE，1996：679-684．
[10]Bueno E J，Hernandez A，F(xiàn)rancisco J R，et a1．A DSP and FPGA based industrial control with high speed communication interfaces for grid converters applied to distributed power generation sytems[J]．IEEE Trans on Industrial Electronics，2009，56(3)：654-669．
[11]Bueno E，Rodr′?guez F J，Espinosa F，et al．SPLL design to flux oriented of a VSC interface for wind power applications[C]//Proceedings of the 31st Annual Conference of the Industrial Electron-ics Society.Alcalá de Henares，Spain： Proceedings of the 31st Annual Conference of the Industrial Electronics Society，2005：2451-2456．
[12]Dweiieydm B R．Constant current/constant voltage current supply：USA，65221 18 B1[P]．[2003-02-18]．
[13]Potaninae E，Potanin V Y.Li-ion battery charger with three-parameter regulation loop[C]//Power Electronics Specialists，2005 IEEE 36th Conference．Recife，Brazil：IEEE，2005：2836-2840．
[14]胡清琮，陳琛，王菁，等．基于恒流/恒壓方式的鋰電池充電保護(hù)芯片設(shè)計[J]．浙江大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2008，42(4)：632-635．
[15]賈英江，傅孝忠．鋰電池充電方法分析[J]．科技咨詢，2009(2)：123．
[16]文峰，姜久春，張維戈，等．電動汽車用鋰電池組充電方法[J]．汽車工程，2008，30(9)：792-795．
[17]張崇巍，張興．PWM 整流器及其控制[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2003：137-138．
[18]姜齊榮，謝小榮，陳建業(yè)．電力系統(tǒng)并聯(lián)補償–結(jié)構(gòu)、原理、控制與應(yīng)用[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2004：95-98．
