适用于梯次电池利用的电池柔性成组储能系统

北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心、西安中车永电电气有限公司的研究人员崔强、王庆军、童亦斌、王作兴、唐泉，在2019年第5期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“基于半桥级联的电池柔性成组储能系统及控制策略”），针对退运电池梯次利用，建立了基于半桥级联型拓扑的电池柔性成组储能系统架构，并提出了与之相适应的控制策略。

储能拓扑采用半桥级联的方式实现高压输出，模块间采用无主从独立控制，具有模块化设计、结构简单、等效开关频率高、控制简单等优点。根据储能系统需求，模块采用基于下垂控制的电流控制策略，由上位机统一指令，各模块独立执行，解决了传统直接电流控制由于采样误差造成的系统难以正常工作的问题。

该文进行了理论分析和仿真验证，并搭建了三模块级联实验平台，验证了基于下垂控制的电流控制策略的可行性，实现了功率控制及模块间均衡控制，所建储能系统适用于梯次电池利用。

近年来，在国家对新能源汽车产业的大力扶持下，动力电池市场需求不断攀升，退运电池回收处理面临巨大的压力。退运电池仍可用于对电池性能要求较低的领域，如储能系统。

传统电池储能系统由大量的电池单体经过串并联成组后通过DC-AC接入电网，这种拓扑结构简单，效率高。对于梯次利用电池，由于各单体内阻、容量、SOC的差异，导致单体之间在使用过程中相互制约，电池组的能量利用率大幅降低，增加了其在传统储能系统中的应用难度。为了削弱由个别电池单体异常对整个电池储能系统的影响，柔性成组储能技术得到广泛应用。

柔性成组技术将低压电池模块和电力电子装置构成的柔性储能单元级联，代替传统电池组与高压变流器的组合，实现对每一个电池模块的独立控制。文献[9-14]较详细地描述了H桥级联型拓扑（CascadedH-Bridge,CHB）、模块化多电平变流器（ModularMultilevelConverter,MMC）和半桥级联型拓扑（CascadedHalf-Bridge）三种主要级联拓扑结构及优缺点。

目前国内外多集中于对前两种拓扑的研究，其均可独立控制模块的充放电电流，能量利用率高；采用交流调试控制策略较复杂。半桥级联型拓扑亦可独立控制模块电流，较其他两种拓扑而言，开关数量少，控制简单，可靠性高，采用级联型结构使得开关频率降低，效率高，并可实现故障冗余功能，故本文将半桥级联拓扑作为主要研究对象。

目前对于半桥级联拓扑的应用多集中在级联拓扑用于降低纹波电流及调制方法上。A.A.A.Hafez采用内部模型控制（InternalModelControl,IMC），建立了三模块半桥级联系统。T.Porselvi、R.Muthu建立了多级直流逆变器，二者实现了较小的电流纹波控制，缩小了电感的体积，但未实现模块的独立控制。N.Mukherjee提出了一种适用于不同种类电池的升降压型级联拓扑，且采用前级DC-DC与后级DC-AC分别调制的方法，但前级DC-DC仍为控制器统一调制产生控制信号，应用于级联模块数量较多时，控制策略变得复杂，且稳定性变差。

为简化控制难度，本文基于分布式控制的思想，储能系统前级DC-DC内各半桥模块与后级DC-AC均采用独立调制的方法，大大简化了系统的控制，提高了级联系统的稳定性；模块独立控制实现了不同种类电池接入的可能性，提高了系统的灵活性。

基于半桥级联型拓扑，本文设计了电池柔性成组储能系统架构，分析了半桥级联拓扑数学模型、工作原理，提出了基于下垂控制的串联电流控制策略，并针对电池梯次利用分析了均衡控制方法、系统的动态响应及冗余控制，通过仿真分析及实验实例，验证了控制策略的可行性，可实现系统的稳定运行及均衡控制。

结论

本文介绍了基于半桥级联的柔性储能系统架构、工作原理，分析了储能组串的数学模型，并提出了基于I-V下垂的模块间协调控制策略、均衡方法及储能组串控制策略、均衡策略。通过理论分析、仿真和实验验证得到如下结论：

1）本文所提基于I-V下垂的控制策略，适用于采用分布式控制的半桥级联拓扑储能系统，削弱了由采样误差带来的模块间出力严重不均的影响，提高了系统的稳定性。

2）本文所提控制方法灵活地实现了储能组串的电流控制及模块间的均衡控制，二次调节实现了系统的精确控制。

3）均衡控制实现了电池电流的独立控制，体现了半桥级联柔性成组拓扑的优越性，对于梯次利用电池的应用推广具有一定的价值。