多电池组储能系统双向DC-DC变换器的研制

摘要：介绍了多电池组储能系统中常用几种电池充放电变换器的主电路拓扑和工作原理，并对与电池连接的双向DC-DC 变换器的控制策略进行了研究。研制了一台由3 路双向DC-DC 变换器和1 路双向PWM 变流器构成的电池充放电系统，功率为120 kW,能满足3 路电池的独立充放电要求。在锂电池储能系统中的实验结果表明，研制的双向DC-DC 变换器，具有电池充电、电池放电、孤岛运行和电池互充放电等多种功能，而且充电电流纹波电流小于0.5%,波形平滑，可适用于多组，宽范围电压的电池组的充放电要求。

0 引言

在当今全球绿色能源、节能减排战略中，不仅把风力发电、太阳能发电、生物发电和核能发电技术作为优先发展和政策扶持的对象，而且将能量储存技术也作为今后的研究方向，特别是电池储能系统，它不仅犹如一家特殊银行,可以将夜间的谷电存起来白天用，或是将平日富余的电能存起来，到电力紧张甚至供电中断时拿出来一解燃眉之急。

而且也是城市电网削峰填谷的调度高手,更是风光互补储能系统的关键设备不管是新能源的发展、还是智能电网的发展都离不开它。

在电池储能系统有两个重要的组成部分，第一就是号称心脏的电池储能系统中的电池，负责能量的存储和释放;第二个就是号称大动脉的电池储能系统中的充放电变换器，它是电池储能系统能量传递的双向高速通道。二者缺一不可，密不可分。

电池储能系统中的电池不再单单采用传统的铅酸蓄电池，钠硫电池、钒电池、锂电池和镍氢电池等也纷纷在电池储能系统中使用，因此电池储能系统对充放电变化器的要求也越来越高，他不仅要求充放电变化器具有传统的充放电功能，还需满足电池电压的宽范围运行、快速充放运行、瞬时大功率输出运行、无功补偿运行、孤岛运行及多组电池的充放电运行要求。

本文对多电池组储能系统中电池充放电变换器的主电路拓扑和工作原理进行了分析，特别是与电池接口的双向DC-DC 变换器进行了研究，在此基础上，研制了一台由多路双向DC-DC 变换器和双向并网变流器构成的120 kW 电池储能系统变换器。并在3 组锂电池组构成的电池储能系统中进行了试验验证，为多电池组储能系统各路电池独立充放电提供了一个成熟的解决方案。

1 主电路拓扑和工作原理

在电池储能系统中，如果是单组电池，则只需一个由三相IGBT 全桥电路构成的双向并网变换器(以下简称PWM 双向并网变换器)就可以实现电池的充放电功能。

在多电池组储能系统中，各电池不能并联，需独立充放电，仅一个PWM 双向并网变换器满足不了系统要求，虽然也可以每个电池组均配一个PWM 双向并网变换器，但这样的成本较高、体积较大，性价比低。对于多电池组储能系统，采用图1 所示主电路拓扑(多个DC-DC 变换器+ 1 个PWM 双向并网变流器)结构简洁紧凑、性价比高，即在电网端配置一个PWM 双向并网变流器，在电池端则根据电池组数量，配置相应数量的DC-DC 变换器，如果将DC-DC 变换器和PWM 双向并网变流器连接点电压称为直流母线电压(Vdc)，则当电池充放电时，DC-DC 变换器只需根据系统要求，往直流母线回馈或吸收能量，而PWM 双向并网变流器则通过与电网能量的双向流动，保证直流母线电压(Vdc)的稳定。

图1 主电路拓扑

DC-DC 变换器拓扑也有多种类型，文献[3]介绍了一种多重化双向DC/DC 变换器，文献[4]也介绍了图2 所示双向双全控桥DC/DC 变换器，该变换器的特点是电池和直流母线隔离、两边均为单相全控桥变换器、可以工作在零电压开关(ZVS)模式，但该变换器的缺点是开关器件多、驱动及控制电路复杂、受高频变压器的限制，其变换器容量不能做得太大，仅适用中小功率系统。

图2 双向双全控桥DC/DC 变换器。

文献[5]详细介绍了双极性控制的全桥SPWM双向变流器的系统构成及原理，采用单相拓扑，并研制了一台1 kW 样机进行测试，其特点是开关频率高，对电网污染小。文献[3-5]共同特点是几十千瓦以下的中小功率变换器，针对的也是一组电池的充放电。对于100 kW 以上的大功率和多组电池的充放电还需采用更加适用的变换器。

图3 所示另一种双向DC-DC 变换器，当电池放电时，变换器以Boost 模式工作;当电池充电时，变换器以Buck 模式工作。该变换器的特点是结构简单、开关器件数量少、损耗小、驱动和控制电路简单、电池侧输出采用LCL 滤波，能有效地减小电池端的纹波电压和纹波电流，该变换器的不足是电池和直流母线不隔离，共地。

图3 双向DC-DC 变换器。

本文研制的120 kW 锂电池储能系统双向DC-DC 变换器则采用图3 所示拓扑。该系统有3 组独立电池，每组电池和变换器直流母线电压参数如下：

单组电池额定电压：DC400 V;

单组电池电压范围：DC330~DC460 V;

单组电池最大充电电流：110 A;

单组电池最大放电电流：110 A;

变换器直流母线额定电压Vdc:DC500 V

为了与其他产品兼容，本文研制的120 kW 双向DC-DC 变换器采用2 个三相IGBT 全桥电路(PWM1 和PWM2)构成，图4 所示，两个半桥输出并联作为1 路DC-DC 变换器，采用该拓扑还有一个最大的优点是双向DC-DC变换器与PWM双向并网变换器均是采用的三相IGBT 全桥电路，因此二者的IGBT 功率模块(IGBT、散热器、电容)IGBT的驱动及控制电路均可以借用，减少了开发时间、维护也比较方便。

图4 3 组电池储能系统双向DC-DC 变换器。