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鋰電池儲能并網(wǎng)變換器的設計與實現(xiàn)

中國電力網(wǎng)發(fā)布時間:2016-05-16 00:00:00

  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。利用該設計方案研制了樣機,樣機試驗結(jié)果驗證了該設計方案的可行性,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)領域獲得了較好應用,如可用于電力調(diào)峰、負載平定、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之一,文獻[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)變換器設計方案,分析了系統(tǒng)的硬件設計方法和控制策略,以期為鋰電池儲能并網(wǎng)應用提供參考。

  1鋰電池儲能并網(wǎng)變換器結(jié)構

  鋰電池儲能并網(wǎng)變換器結(jié)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]集成了功率半導體器件、散熱器以及具有保護和監(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,該模塊具有標準接口,其架構如圖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[7]對LCL濾波器參數(shù)的限制條件以及設計步驟做了詳細介紹,本文在此基礎上確定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)采用按功能進行分層控制的架構,充分發(fā)揮了數(shù)字控制和數(shù)字通信的優(yōu)勢,同時該架構的設計更利于實現(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用。

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