一种大容量电池储能系统的优化设计方案

作者简介：周志超（1980-），男，博士生，工程师，Email:[e-mail].一种大容量电池储能系统的优化设计方案周志超1,2，许伟2，潘磊2(1.天津大学电气与自动化工程学院，天津300072；2.国电联合动力技术有限公司，北京100039)摘要：大容量锂电池储能系统由大量的电池单体串、并联组成，储能双向换流器的设计必须充分考虑电池成组的优化接入，为储能系统的安全、高效及长寿命周期运行提供必要前提。在对电力系统中大容量电池储能系统的技术特点进行分析的基础上，提出并分析讨论了几种适合于电池储能的电网接入技术。结果表明，支持独立多分组接入的单级式并联换流器拓扑结构是大容量锂电池储能系统的一个优选方案。关键词：电池储能系统；能量转换系统；电力系统；拓扑AnOptimalDesignSolutionforLargeScaleLithiumBatteryEnergyStorageSystemZHOUZhi-chao1,2，XUWei2,PANLei2(1.TianjinUniversity，Tianjin300072,China；2.GuoDianUnitedPowerTechnologyCompanyLTD.,Beijing100039,China)Abstract:Largescalelithiumbatteryenergystoragesystem(BESS)consistsoflargeamountofbatterycellsinseriesandparallel.Thedesignofthebi-directionalpowerconversionsystem(PCS)mustfullyconsidertheoptimizationofthecharacteristicsofli-ionbatteriesbeforeandaftergrouped,itisveryimportantforthesafe,efficientandhighlife-cycleuseofBESS.Onthebasisofanalyzingthecharacteristicsofthegrid-connectedBESS,severalgridaccesssolutionssuitedforpowersystemareproposedanddiscussedinthispaper.Theresultsshowthat,themulti-DC/ACparallelconverterisanoptimalsolutionforlargescaleBESS,asitprovidestheinterfaceforindependentmulti-serialbatteries.Keywords:BatteryEnergyStorageSystem(BESS)，PowerConversionSystem(PCS),PowerSystem,Topology1引言储能技术已被视为电网运行过程中“采-发-输-配-用-储”六大环节中的重要组成部分。由于电池储能系统具备灵活的有功、无功功率控制能力，因此可应用于不同的发电、输电、配电场合，起到削峰填谷、提高新能源并网能力、孤岛运行、电网调频及备用电源等作用[1-3]。锂电池具有能量效率高、能源密度大、存储性能优秀等特点，但单体容量较小。在兆瓦级大规模电池储能应用中，为了达到一定的电压、功率和能量等级，锂电池需要大量串并联成组使用。电池串联使用可以提高电池输出端电压，电池并联使用可以倍增电池组的容量。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[4-6]。能量转换系统是实现锂电池储能系统与电网双向功率交换的核心部件。由于在电池大规模成组过程中，由于电池单体的不一致性，会带来系统可靠性、效率及寿命等方面的一系列问题。同时，电池组端电压在不同充放电状态下的变化范围较宽，且能量双向流动。因此，传统的变流器产品已经满足不了电池储能系统的要求[7]。本文针对大容量锂电池储能系统的技术特点，深入分析比较适合于大容量电池储能的电网接入技术，以期为大容量电池储能系统的电网接入方案设计提供参考。2锂电池储能系统的构成图1锂电池储能系统的结构示意图Fig.1Topologyofalithiumbatteryenergystoragesystem典型的锂电池储能系统结构如图1所示。上层应用服务器在综合电网实时信息、电池管理系统(BMS)上送信息及能量转换系统(PCS)状态信息的基础上，根据预设的控制策略，给PCS下发工作状态(充电、放电、孤岛、待机、停机)指令以及充放电功率(或电流)大小；PCS精确执行上层控制指令，实现电池堆与电网间的双向功率流动；BMS则实时监测、评估电池堆状态和容量信息，供上层应用服务器和PCS控制用。3电网接入方案设计3.1单级式单级式结构主电路拓扑如图2所示，锂电池堆经三桥臂模块DC/AC逆变后,经输出滤波电路和隔离升压变压器并入三相交流电网。图2单级式DC/AC主电路结构图Fig.2Powercircuitofthesingle-stageconverter这种方案的优点是主拓扑结构简单，PCS系统的效率、可靠性均较高；缺点是缺乏针对大容量电池储能系统技术特点的设计与考虑，主要体现在电池堆单一输入，需要将所有单体电池大量串并联，接入同一直流母线，容易出现环流和一致性问题，大大降低了储能系统的可靠性。实际应用时，为提高系统的可维护性，每串电池组可通过直流接触器汇入直流母线，以实现对电池组的独立投退控制，便于各串电池组的独立检测维护。单级式换流器存在直流侧输入电压范围较窄的缺点，但在大容量锂电池储能系统中并无明显的影响：一方面，大容量锂电池储能系统需要大量的单体电池串联成电池组，且单体锂电池额定端口电压(3.2V)较高(明显高于大容量铅酸电池单体的2.0V)，所以，成串后的电池组端口电压一般较高(基本在600V~900V之间)；另一方面，出于电池成组安全考虑，对应的电池工作荷电状态(SOC)区间一般都在10%~90%之间，而根据锂电池的充放电曲线，在这个区间，端口电压变化曲线都很平坦，如图3所示，因而充放电过程中，端口电压变化范围不很大。CA60FIHighratechargeperformance2.42.62.83.03.23.43.63.8010203040506070Capacity(Ah)Voltage(V)0.3C0.5C1C2C图3某60Ah单体锂电池充电曲线Fig.3Chargecurveofa60AhLi-ionbattery3.2双级式双级式DC/DC+DC/AC主电路拓扑如图4所示，主电路由一个DC/AC和一个DC/DC模块背靠背组成，锂电池组接入前级的DC/DC模块进行升压变换后接入直流母线，直流母线电压经逆变后直接并入三相电网。图4双级式DC/DC+DC/AC主电路结构图Fig.4Powercircuitofthetwo-stageconverter该拓扑相对单级式结构的显著优点是该拓扑中直流母线工作电压稳定，不随输入电压变化而变化，基于此可扩大直流侧输入电压的范围，实现宽范围输入(主要是较低电压输入)。该拓扑结构在直流侧也是采用单一输入的方式，同样存在前述的集中接入导致电池组可靠性降低的问题。前级DC/DC环节的输入侧需安装滤波电容及滤波电感以限制流入电池阵列的纹波电流，增加了相应开关和器件损耗的同时，造成了系统体积、重量及成本的增加。相对于单级式DC/AC变流器，包含DC/DC和DC/AC两级功率变换模块的双级式功率变流器对控制系统的精度有着更高要求：需具备完善的协调控制策略，一方面确保系统稳态运行时的抗干扰能力，另一方面，需有效抑制暂态时直流母线电压的冲击和波动，保证系统的动态稳定性能。3.3多组独立接入多组独立接入换流器结构如图5所示，该拓扑应用于大容量场合时采用多个如图1所示的单级式DC/AC模块并联的方式，根据系统所需容量及电池并联要求设置所需的DC/AC单元并联数量，多个DC/AC单元输出并联后接入外部交流电网。图5多DC/AC并联换流器主电路结构图Fig.5Powercircuitofthemulti-DC/ACparallelconverter该种方案的优点是主拓扑结构相对简单，易于模块化，系统扩展性好，单元故障时的降额运行能力强，可靠性较高。在这种方案中，直流侧分多组接入，可以减少电池成组时每组电池中的串并联数目，甚至可以实现电池组单串接入，大大降低了电池组并联时环流与均流问题出现的概率，有利于电池维护、均衡管理，提高电池系统的可靠性；同时，直流侧低功率运行时，该方案能支持多组电池轮换工作，保证电池的工作寿命趋于一致，有效提高了低功率下的系统效率和直流侧电能质量，实现电池组均衡使用，保证电池寿命及一致性。和单级式DC/AC换流器类似，该方案有着直流母线工作电压范围相对较窄的缺点，同时，由于电力电子元器件较多，控制系统相对复杂，输入输出接口资源要求较大，对控制系统的计算处理能力也提出了高的要求。也可通过各组独立的前级DC/DC功率变换模块来实现电池组的多组独立接入，为简化系统拓扑结构，多个DC/DC可以直接并联于同一直流母线，然后再通过后级DC/AC变换模块与电网相连，如图6所示[8]。该方案有着前述双级式变流器的优缺点，有着适合于大容量电池储能系统技术特点的电池组多组独立接入设计，但控制系统更为复杂，对控制系统要求更高。图6多DC/DC并联双级式换流器主电路结构图Fig.6Powercircuitofthemulti-DC/DCparalleltwo-stageconverter4控制策略设计4.1DC/AC模块控制[9]并网运行时，双向DC/AC变流器通过直流母线电容与直流侧解耦，采用如图7所示的双环控制策略，其中外环为直流母线电压闭环，内环为基于空间矢量调制（SVPWM）的dq电流解耦闭环控制。直流电压环给定电压udc*和反馈电压udc相比较后的误差经PI调节器输出id*,而iq*由功率因素的性质决定。id*、iq*分别与对应的反馈值id、iq相比较后的误差经过PI调节器调节后输出，再与各自的解耦补偿项和电网电压扰动前馈补偿项相运算后得到变换器交流侧参考电压urd、urq，然后经坐标变换后进行SVPWM调制，产生驱动信号实现对网侧变换器的控制。EUIiidqabcdiqiuiudcGRIDBatterySVPWMuusuKPuddt电压补偿计算dqaSbScS---++*aru*ruPIPI+-+-PI+-udc*dcudiqi*di*qi'dru'qru*dru*qrudruqru图7DC/AC模块控制框图Fig.7ControldiagramoftheDC/ACmodule4.2DC/DC模块控制如图4所示，用于电池储能系统的DC/DC换流器模块工作电流需双向流动。当电路需要工作功率流向为正(电池放电)的状态时，IGBTS2处于PWM工作状态，IGBTS1关断，此时电路为BOOST升压电路；当电路需要工作功率流向为负(电池充电)的状态时，IGBTS1处于PWM工作状态，IGBTS2关断，此时电路为BUCK升压电路。DC/DC模块的控制随着电池的充放电形式以及充放电阶段的不同而不同，包括电池电流控制和电池组端口电压控制两种。电池电流控制目标为控制电感电流IL为给定值，一般采用电流闭环控制策略，如图8所示。给电池放电时，电流为正，下桥臂开通；充电时，电流为负，上桥臂开通；指定功率充放电控制实质上为直流电流控制。IL_ref+IL-PI控制器功率管调制信号Ton_switch-+UbatUref/UdcUerrurefPbat_refPbat_ref/UbatUbat图8电池电流控制Fig.8Batterycurrentcontrolscheme电池组端口电压控制对应蓄电池恒压充电状态，控制目标为保持直流源端电压batU恒定，DC/DC工作于BUCK降压状态（上桥臂进行PWM控制，下