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，如可用于電力調峰、負載平定、電能質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)變換器結構
鋰電池儲能并網(wǎng)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(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側電流最大允許紋波得到VSC側電感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電壓、電流以及電網(wǎng)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(wǎng)側的A相電壓、電流。圖9為恒功率放電時的電網(wǎng)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(wǎng)側A相電壓、電流和電池直流側電流。
由樣機試驗結果可知，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)側的高功率因數(shù)，并能按設定的工作方式工作。
5結論
鋰電池儲能并網(wǎng)變換器能夠實現(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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