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摘要：为实现高母线电压、大容量的城网储能，结合链式DC/AC变流器拓扑及多重化双向DC/DC变流技 术，提出一种适合于大容量、多储能模块的电池储能系统结构。该储能系统可以不通过升压变压器直接接 入10 kV以上电压等级母线，并可在较低开关频率下达到良好的输出谐波特性；系统中每个串联单元的直 流电压可在电池组端电压的基础上进一步提高，并允许多组电池并联接入。针对三角接链式系统提出了三 级电池充放电均衡策略。电磁暂态仿真实验的结果验证了相关控制策略的有效性。

 

关键词：电池储能；链式变流器；多重化双向DC/DC;电池充放电均衡控制

 

本文结合多重化双向DC/DC变流技术提出 了一种适合于大容量电池储能的链式系统拓扑，-在保持串联单元数的情况下进一步提高装置容量。

 

串联电池储能系统运行的关键问题在于系统充 放电时各电池组间荷电状态(S0C)的平衡。如文献 [5]中提出了以S0C值为反馈量的链式系统S0C均 衡控制。针对本文提出的拓扑结构，文中以5角接链 式系统为例，提出了链式储能系统的三级充放电均 衡策略:通过调节零序电流相量、变流器单元调制波幅 值及DC/DC参考电流等方法在运行中维持各电池 组的S0C值趋同，优化储能容量。基于EMTDC/ PSCAD软件的相关仿真证明了本文提出的主电路 拓扑及控制系统的有效性。

 

1基于链式结构的大容量电池储能

 

链式储能系统主电路结构如图1所示。装置 每相由n个变流器单元串联而成，通过滤波电抗直 接与电网相连，在省去升压变压器的同时还可利用 多电平脉冲生成方式提高系统等效开关频率，并通 过模块冗余提升系统可靠性。

 

根据电网接入方式的不同，可将链式系统分为 星接与三角接2种，见图1。图中,ia、ibA为注人系统 的相电流，、乙为三角接线电流。

 

目前，对于链式储能系统的研究多直接将电压型 储能模块串联，经电容滤波后置于单元直流侧。该 方法在结构及控制上较为简单,但应用在电池储能系 统中则存在以下不足：

 

a.由于直流电压须高于交流输出电压幅值，电 池组的串联数取决于单元变流器的直流母线电压等 级,而过高的串联数将降低装置可靠性；

 

b.为防止环流，电池组之间不能直接并联，储能 系统容量受限于单组电池的最大充放电电流。

 

对此，本文结合变压器升压型大容量电池储能 系统_中多储能模块共用直流母线的结构，提出了 一种单元变流器拓扑，如图2所示。

 

图中，每组电池通过单独的双向DC/DC变流 器接入直流母线,Boost升压作用降低了对单组电池 的端电压要求；同时，每组DC/DC可独立调节电池 电流，避免了充放电电流不均，也可以人为提供偏差 以调节各电池组的荷电状态。电池管理系统BMS (Battery Management System)除监控电池运行状态 外,还负责向控制系统反馈各组电池的S0C值。双向

 

DC/DC变流器的引人在相同电压等级的条件下扩 展了系统容量，为链式拓扑应用于大容量储能打下 了基础。

 

2链式电池储能系统的控制策略

 

针对本文提出的储能系统的特点，其控制系统 除具有传统的系统级控制、装置级控制与开关脉冲 控制_之外，还包括变流器单元内直流母线电压稳 定控制与电池充放电均衡控制2个重要部分。

 

以定功率控制为例，系统级控制策略如图3所示， 其中，匕、&^为有功、无功参考值，在系统相电压 平衡时可开环计算出系统电流的dq坐标系下参 考值为系统电压的d轴分量。同时，参考 值与实测值P、(？间的误差通过积分器XE A累加， 作为前馈量以消除跟踪误差。求得的4、。再经由坐 标变换转化为=相电流参考值送至系统内 环电流控制器。

其中，Aiat#为单元内电池充放电均衡策略给出 的电流偏置量,将作为链式系统充放电均衡策略的 一部分在第3节中予以说明。

 

3三角接链式储能系统充放电均衡策略

 

在串联型电池储能系统运行中，如何控制各组 电池处于相同的SOC,是保证系统运行于额定容量 的基础。针对这个问题，本文基于三角接链式电池储 能系统结构，提出了相应的电池充放电均衡策略。 该策略分为相间均衡、串联单元间均衡与单元内均 衡3个层次。

 

3.1等效SOC值计算与均衡策略

 

链式系统的充放电均衡控制是一套将储能电池 SOC值，以及各单元、各相的等效SOC值作为反馈 量的闭环控制策略。这里首先定义储能电池SOC值 的函数:S柳为ab相第；组串联变流器单元中第j 个并联电池组的SOC值，其值由对应的BMS模块 计算得到。串联单元的等效SOC值可由并联于直流 母线上的各组电池SOC值平均得到，如ab相第；单 元的等效SOC值可表示为

 

其中，S&为单元i等效SOC值为并联于直流母 线的电池组数。在此基础上,装置ab相等效SOC值 可表示为

BMS

图3链式储能系统定功率控制

 

链式系统每一串联单元的直流母线上都并联m 组DC/DC,各组电池通过与直流母线之间的功率交 换来维持母线电压稳定。DC/DC的控制采用二阶状 态反馈，具有稳定性强、参数适应性强、响应速度快 等特点_，同时可以限制并合理分配各并联电池组 的充放电电流。ab相i单元第j组DC/DC的控制策 略如图4所示，单元貞流电压参考值uA与实测值 的误差经PI控制器校正，再经充放电均衡调整，作 为该组DC/DC的电流内环参考值4#。电池电流 反馈值经平均化得内环误差由比例控制器& 放大，根据此刻的充放电状态计算占空比，并 通过三角波比较法生成相应开关管的脉冲。

脉冲

 

其中,Sab为ab相等效SOC值,n为ab相串联单兀数 量。bc、ca两相的计算同ab相。

 

以SOC函数为反馈量，包含电池充放电均衡策 略的链式储能系统控制如图5所示。

 

 

图5包含电池充放电均衡策略的控制系统示意图

 

 

其中，相间均衡利用各相等效SOC值计算三角 接系统所需的零序电流参考值直接电流控制器计 算得到的系统输出线电压参考值经由单 元间均衡策略的波形调整，生成不同的调制波（如ab 相各单元调制波分别为UaW~UahJ送往各变流器单 元。脉冲发生器采用载波移相技术™，生成的脉冲被 送往相应开关管。单元内均衡策略作用于图4中的 并联DC/DC控制器内。