鋰離子電池儲能并網變換器的設計與實現

侯朝勇，胡學浩，惠東

（中國電力科學研究院，北京市海淀區100192）

摘要：并網變換器為鋰離子電池儲能系統實現并網的核心部件，為實現鋰離子電池儲能系統與電網的雙向功率交換，提出了鋰離子電池儲能并網變換器設計方案。該系統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，控制系統采用開放的分層控制架構。利用該設計方案研制了樣機，樣機實驗結果驗證了該設計方案的可行性，樣機能夠完成鋰離子電池儲能系統的不同充電模式，相關參數可以滿足并網要求。

0引言

鋰離子電池具有能源效率高、能源密度高、存儲性能優秀等特點，可進行并聯或串聯以獲得高容量或高電壓。近年來大容量鋰離子電池儲能系統在電力系統范疇獲得了較好使用，如可用于電力調峰、負載平定、電能質量甚至頻率控制等多種場合[1-3]。

鋰離子電池儲能系統主要由單體電池、電池管理系統、監控保護系統、并網變換器等組成。并網變換器為儲能系統實現并網的核心部件，經變換后相關參數需滿足并網條件，其中注入電網的電流諧波是緊要指標之一，文獻[4-5]要求總諧波失真小于5%。

本文依據鋰離子電池特性提出了鋰離子電池并網變換器設計方案，分解了系統的硬件設計辦法和控制策略，以期為鋰離子電池儲能并網使用提供參考。

1鋰離子電池儲能并網變換器結構

鋰離子電池儲能并網變換器結構如圖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)分別為鋰離子電池電壓和電流；L1、L2為濾波電感；C0為濾波電容；ii(t)為流過VSC側濾波電感L1的電流；ig(t)為流過濾波電感L2即注入電網的電流；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a、b、c三相電壓；SVPWM(space vector pulse width modulation)為空間矢量脈寬調制模塊。

儲能并網變換器主要實現鋰離子電池與交流電網間的雙向能量傳遞，通過適當調節并網變換器輸出電壓的幅值和相位，既可從電網吸收有功，也可將電池能量回饋到電網。并網變換器具有節能、輸入功率因數高、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，可以實現較好的濾波效果，滿足并網諧波要求。

并網變換器采用工頻變壓器實現電氣隔離，降低了電池對地絕緣的要求，系統運行更加安全，同時也能更好地匹配電池包運行電壓范圍。

控制系統采用分層控制策略，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為數字信號解決器(digital signal processor，DSP)，軟件編寫靈活。II-EP2C20為現場可編程門陣列(field programmable gate array，FPGA)，其在重復計算和大規模計算方面具有優點。該控制系統利用DSP完成使用層控制，利用FPGA完成底層控制(如多路AD采樣、數字鎖相環的實現、功率器件的驅動等)，充足發揮了2個控制器的特性，也更有利于系統擴展。

2主電路設計

鋰離子電池儲能并網變換器既要滿足電網側的電流諧波、功率因數等要求，又要滿足鋰離子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]集成了功率半導體器件、散熱器以及具有保護和監測電路的門極驅動電路，并具有用于短路和過電流保護的閉環電流傳感器，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，提高系統的抗干擾能力，該模塊具有標準接口，其架構如圖2所示。

相對于傳統的單電感濾波器，3階LCL濾波器能更好地抑制并網變換器引起的電流諧波。LCL濾波器的參數對系統的動態及穩態性能影響很大，文獻[7]對LCL濾波器參數的限制條件以及設計步驟做了具體解析，本文在此基礎上確定LCL濾波器的參數。依據VSC側電流最大準許紋波得到VSC側電感L1的最小值，依據系統的無功功率限定值求得濾波電容C0，最后依據并網電流總諧波得到網側電感L2。

依據上述分解，最終確定的濾波器參數為：

L1＝0.56mH，L2＝0.2mH，C0=100μF，fres＝1.31kHz，

r＝0.36。

3控制系統設計

3.1控制系統功能

傳統的電力電子控制系統基本以聚集式控制模式為主，控制系統與底層硬件的相互依靠性較大，且靈活性和擴展性較差[8-10]。并網變換器控制系統采用按功能進行分層控制的架構，充足發揮了數字控制和數字通信的優點，同時該架構的設計更利于實現系統的自治控制，也利于上層調度。

參照通信系統的開放系統互連(open system in-terconnection，OSI)模型，并網變換器分層控制功能示意圖如圖3所示。圖3中：θ為電網電壓相位；SPLL(software phase loop)為軟鎖相環[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；使用層控制模塊由DSP完成算法運算，提高了系統靈活性；系統層控制由上位機完成，可以實現多個儲能系統的大規模調度。層次化的并網變換器接口如圖4所示。

3.2控制策略

鋰離子電池儲能并網變換器的等效電路如圖5所示。并網變換器電壓v與電網電壓e控制的并網電流i之間的關系為

4實驗結果分解

利用本文儲能并網變換器實現方案研制了實驗樣機，并進行了鋰離子電池儲能系統充放電探測，詳盡實驗內容為恒流充電、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電壓、電流以及電網側的A相電壓和電流。圖8為電池恒壓充電時的電池直流側電壓、電流以及電網側的A相電壓、電流。圖9為恒功率放電時的電網側A相電壓和電流。圖10為恒功率放電到恒流充電時的電網側A相電壓、電流和電池直流側電流。

由樣機實驗結果可知，該并網變換器成功實現了鋰離子電池儲能系統的充電和放電雙重功能，向電網反饋能量時能很好地跟蹤電網電壓和相位，充電時實現了網側的高功率因數，并能按設定的工作方式工作。

5結論

鋰離子電池儲能并網變換器能夠實現充電和放電雙重功能，采用分層控制策略實現了控制任務的優化分配，既增加了系統的靈活性，又減少了各層之間的相互依靠。實驗樣機給出了不同工作模式下的實驗波形，驗證了提出的使用于鋰離子電池儲能系統的三相雙向并網變換器的可行性和實用性，該樣機已在100kW的鋰電池儲能并網變換器中得到了良好的使用。

參考文獻

[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.風力發電引起的電壓波動和閃變[J].電網技術，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．功率模塊使用手冊[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，Francisco 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/恒壓方式的鋰離子電池充電保護芯片設計[J]．浙江大學學報：工學版，2008，42(4)：632-635．

[15]賈英江，傅孝忠．鋰離子電池充電辦法分解[J]．科技咨詢，2009(2)：123．

[16]文峰，姜久春，張維戈，等．電動車用鋰離子電池包充電辦法[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：機械工業出版社，2003：137-138．

[18]姜齊榮，謝小榮，陳建業．電力系統并聯補償–結構、原理、控制與使用[M]．北京：機械工業出版社，2004：95-98．

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