锂电池储能并网变换器的设计与实现

侯朝勇，胡学浩，惠东

（中国电力科学研究院，北京市海淀区100192）

摘要：并网变换器为锂电池储能系统实现并网的核心部件，为实现锂电池储能系统与电网的双向功率交换，提出了锂电池储能并网变换器设计方案。该系统以赛米控智能集成功率模块作为主要功率器件，通过电感–电容–电感(LCL)滤波器接入电网，控制系统采用开放的分层控制架构。利用该设计方案研制了样机，样机试验结果验证了该设计方案的可行性，样机能够完成锂电池储能系统的不同充电模式，相关参数可以满足并网要求。

0引言

锂电池具有能源效率高、能源密度高、存储性能优秀等特点，可进行并联或串联以获得高容量或高电压。近年来大容量锂电池储能系统在电力系统领域获得了较好应用，如可用于电力调峰、负载平定、电能质量甚至频率控制等多种场合[1-3]。

锂电池储能系统主要由单体电池、电池管理系统、监控保护系统、并网变换器等组成。并网变换器为储能系统实现并网的核心部件，经变换后相关参数需满足并网条件，其中注入电网的电流谐波是重要指标之一，文献[4-5]要求总谐波失真小于5%。

本文根据锂电池特性提出了锂电池并网变换器设计方案，分析了系统的硬件设计方法和控制策略，以期为锂电池储能并网应用提供参考。

1锂电池储能并网变换器结构

锂电池储能并网变换器结构如图1所示，其主要由电压源变换器(voltage source converter，VSC)、电感–电容–电感(LCL)滤波电路和工频隔离变压器组成。图1中：udc(t)、idc(t)分别为锂电池电压和电流；L1、L2为滤波电感；C0为滤波电容；ii(t)为流过VSC侧滤波电感L1的电流；ig(t)为流过滤波电感L2即注入电网的电流；uc(t)为滤波电容C0的电压；ic(t)为流过滤波电容C0的电流；ea(t)、eb(t)、ec(t)分别为电网a、b、c三相电压；SVPWM(space vector pulse width modulation)为空间矢量脉宽调制模块。

储能并网变换器主要实现锂电池与交流电网间的双向能量传递，通过适当调节并网变换器输出电压的幅值和相位，既可从电网吸收有功，也可将电池能量回馈到电网。并网变换器具有节能、输入功率因数高、电流谐波畸变率低等特点。LCL滤波器与单电感滤波器相比，对电流高频分量具有更强的抑制能力，可以实现较好的滤波效果，满足并网谐波要求。

并网变换器采用工频变压器实现电气隔离，降低了电池对地绝缘的要求，系统运行更加安全，同时也能更好地匹配电池组运行电压范围。

控制系统采用分层控制策略，主控单元采用德州仪器公司的DSP2812和Altera公司的CycloneII-EP2C20为核心控制芯片。DSP2812为数字信号处理器(digital signal processor，DSP)，软件编写灵活。II-EP2C20为现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)，其在重复计算和大规模计算方面具有优势。该控制系统利用DSP完成应用层控制，利用FPGA完成底层控制(如多路AD采样、数字锁相环的实现、功率器件的驱动等)，充分发挥了2个控制器的特性，也更有利于系统扩展。

2主电路设计

锂电池储能并网变换器既要满足电网侧的电流谐波、功率因数等要求，又要满足锂电池自身的充放电特性。

赛米控智能集成功率(Semikron integrated intel-ligent power，SKIIP)模块[6]集成了功率半导体器件、散热器以及具有保护和监测电路的门极驱动电路，并具有用于短路和过电流保护的闭环电流传感器，同时还集成了温度传感器。采用SKIIP模块[6]可以大大简化逆变器主电路，提高系统的抗干扰能力，该模块具有标准接口，其架构如图2所示。

相对于传统的单电感滤波器，3阶LCL滤波器能更好地抑制并网变换器引起的电流谐波。LCL滤波器的参数对系统的动态及稳态性能影响很大，文献[7]对LCL滤波器参数的限制条件以及设计步骤做了详细介绍，本文在此基础上确定LCL滤波器的参数。根据VSC侧电流最大允许纹波得到VSC侧电感L1的最小值，根据系统的无功功率限定值求得滤波电容C0，最后根据并网电流总谐波得到网侧电感L2。

根据上述分析，最终确定的滤波器参数为：

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

r＝0.36。

3控制系统设计

3.1控制系统功能

传统的电力电子控制系统基本以集中式控制模式为主，控制系统与底层硬件的相互依赖性较大，且灵活性和扩展性较差[8-10]。并网变换器控制系统采用按功能进行分层控制的架构，充分发挥了数字控制和数字通信的优势，同时该架构的设计更利于实现系统的自治控制，也利于上层调度。

参照通信系统的开放系统互连(open system in-terconnection，OSI)模型，并网变换器分层控制功能示意图如图3所示。图3中：θ为电网电压相位；SPLL(software phase loop)为软锁相环[11]；IGBT(insulated gate bipolar transistor)为绝缘栅双极型晶体管。硬件层控制模块由FPGA完成；应用层控制模块由DSP完成算法运算，提高了系统灵活性；系统层控制由上位机完成，可以实现多个储能系统的大规模调度。层次化的并网变换器接口如图4所示。

3.2控制策略

锂电池储能并网变换器的等效电路如图5所示。并网变换器电压v与电网电压e控制的并网电流i之间的关系为

4试验结果分析

利用本文储能并网变换器实现方案研制了试验样机，并进行了锂电池储能系统充放电测试，具体试验内容为恒流充电、恒压充电、恒功率放电以及由充电到放电的过渡。

图7为电池恒流充电时的电池直流侧电压、电流以及电网侧的A相电压和电流。图8为电池恒压充电时的电池直流侧电压、电流以及电网侧的A相电压、电流。图9为恒功率放电时的电网侧A相电压和电流。图10为恒功率放电到恒流充电时的电网侧A相电压、电流和电池直流侧电流。

由样机试验结果可知，该并网变换器成功实现了锂电池储能系统的充电和放电双重功能，向电网反馈能量时能很好地跟踪电网电压和相位，充电时实现了网侧的高功率因数，并能按设定的工作方式工作。

5结论

锂电池储能并网变换器能够实现充电和放电双重功能，采用分层控制策略实现了控制任务的优化分配，既增加了系统的灵活性，又减少了各层之间的相互依赖。试验样机给出了不同工作模式下的试验波形，验证了提出的应用于锂电池储能系统的三相双向并网变换器的可行性和实用性，该样机已在100kW的锂离子电池储能并网变换器中得到了良好的应用。

参考文献

[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]孙涛，王伟胜，戴慧珠，等.风力发电引起的电压波动和闪变[J].电网技术，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．功率模块应用手册[M]．纽伦堡：赛米控国际公司，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´ıguez 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，陈琛，王菁，等．基于恒流/恒压方式的锂电池充电保护芯片设计[J]．浙江大学学报：工学版，2008，42(4)：632-635．

[15]贾英江，傅孝忠．锂电池充电方法分析[J]．科技咨询，2009(2)：123．

[16]文峰，姜久春，张维戈，等．电动汽车用锂电池组充电方法[J]．汽车工程，2008，30(9)：792-795．

[17]张崇巍，张兴．PWM 整流器及其控制[M]．北京：机械工业出版社，2003：137-138．

[18]姜齐荣，谢小荣，陈建业．电力系统并联补偿–结构、原理、控制与应用[M]．北京：机械工业出版社，2004：95-98．