一種基于大規(guī)模動力電池組測試設(shè)備的交直流混合微網(wǎng)系統(tǒng)

龍 波 孫宏斌 王 彬 姚書琴 方 旭 姚高祥

（1.電子科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 成都 610054 2.電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 清華大學(xué) 北京 100084 3.渤海裝備新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司 天津 300280）

1 引言

隨著我國電動汽車相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，電動汽車動力蓄電池組的各項(xiàng)性能指標(biāo)成為了影響電動汽車能否成功推廣的關(guān)鍵因數(shù)，目前我國已經(jīng)成為了電動車用動力電池的最大生產(chǎn)國，電池生產(chǎn)廠家已經(jīng)達(dá)到了700～800家，由于電池組生產(chǎn)后需要對其的性能進(jìn)行評估，因此需要對電池組進(jìn)行充放電測試。為了達(dá)到較高的測試精度，目前國內(nèi)大多數(shù)電池企業(yè)在充電測試時(shí)使用電網(wǎng)電能，放電測試時(shí)將測試變流器中的功率器件工作在放大區(qū)，采用大功率電阻作為放電負(fù)載，因此，絕大部分的放電測試能量都被白白浪費(fèi)掉了。直到現(xiàn)在，我國電池生產(chǎn)廠家每天還在大量的浪費(fèi)電能。據(jù)深圳子木公司相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，光是電池充放電測試，每年耗費(fèi)電能73 600萬度，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到5.18億元。

為了解決上述問題，以美國Aerovomental、必測公司和德國Arbin、迪卡龍（Digatron）公司為代表開發(fā)了一種能量回收型的電池組測試設(shè)備，該設(shè)備設(shè)計(jì)思想是將動力電池組放電測試的電能進(jìn)行升壓并網(wǎng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效的回收，在實(shí)現(xiàn)大功率動力電池組測試的同時(shí)，也大大的節(jié)約了電能。初步估計(jì)采用該技術(shù)的設(shè)備單個(gè)廠家每年幾百萬的電費(fèi)，只需要三十幾元就夠了。因此，采用能量回收型的電池測試系統(tǒng)（Energy Recovery Power Accumulator Battery Pack Testing System，ERPABPTS）是十分緊迫且必要的，我國目前也有了一些企業(yè)開發(fā)了類似的產(chǎn)品，但目前大多還處于學(xué)習(xí)和仿制階段。與此截然相反的是，大規(guī)模組網(wǎng)節(jié)能型動力電池組測試系統(tǒng)卻在我國應(yīng)用較少，只是在一些較大規(guī)模有實(shí)力的廠家中應(yīng)用，究其原因主要有以下三個(gè)方面：

（1）ERPABPTS設(shè)備的研發(fā)單位大多側(cè)重于測試設(shè)備本身拓?fù)洹⒉⒕W(wǎng)逆變器控制方法的研究[1-4]，或者是單一的電源測試設(shè)備接入方面的研究工作，從多測試設(shè)備、大容量、高滲透率組網(wǎng)的角度方面還未形成系統(tǒng)的研究方法和技術(shù)，未能從系統(tǒng)組網(wǎng)能量回饋效率最優(yōu)方面考慮。

（2）由于ERPABPTS組成的局部微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)單機(jī)容量大，目前已知的單臺設(shè)備最大功率可做到250kW，因此接入滲透率較高，在與主網(wǎng)脫離或接入瞬間，可能導(dǎo)致主網(wǎng)電壓跌落或者上升，對主網(wǎng)（AC380V）的穩(wěn)定運(yùn)行容易產(chǎn)生較大的影響，另外如果設(shè)備控制的不好，容易產(chǎn)生較大的諧波，很有可能周邊設(shè)備正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。而且目前的測試設(shè)備沒有防孤島運(yùn)行功能，在這些影響因素尚未明確，接入時(shí)暫態(tài)特性不明確，發(fā)電設(shè)備相關(guān)接入標(biāo)準(zhǔn)也尚未健全的情況下，電力部門禁止該類型設(shè)備并接入主電網(wǎng)。

（3）與傳統(tǒng)的分布式發(fā)電系統(tǒng)不同，電池生產(chǎn)廠中存在集中的大量的使用不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、不同功率等級的單/三相并網(wǎng)發(fā)電設(shè)備，各種負(fù)載。其組成了一種復(fù)雜的、特殊的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)（見圖1）。其中，單個(gè)測試設(shè)備微源變流器內(nèi)部主要由兩部分組成，一個(gè)是雙向 DC-DC變流器，主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)大電流充放電測試；一個(gè)雙向 AC-DC變換器，主要實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)的整流/逆變控制，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)能量的雙向流動。雙向 DC-DC變流器和 AC-DC變流器擁有共同的直流母線，這種結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行兩級功率變換，效率較低，不能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)能量的高效利用，有的測試變流器方案中采用效率低、體積大的工頻變壓器作為與網(wǎng)側(cè)的接口，測試設(shè)備的整體效率就更低了，往往還達(dá)不到70%，但是價(jià)格卻比較昂貴。目前已知的 200kW的 Aerovomental公司的雙通道測試設(shè)備AV900，賣價(jià)達(dá)到了120萬左右，125kW的ABC-150達(dá)到80萬左右，這也是使得電池生產(chǎn)廠家放棄大規(guī)模的購買和使用。

由于上述原因，研究高效、節(jié)能、價(jià)格低廉、可靠性高的整套動力電池測試系統(tǒng)成為了我國電池生產(chǎn)測試行業(yè)的迫切需求，它的誕生將每年為我國節(jié)約上億元的電費(fèi)。

當(dāng)前普遍采用的基于 ERPABPTS的多變流器交流微網(wǎng)系統(tǒng)組成如圖1所示，以三相并網(wǎng)動力電池組測試設(shè)備為例，工作原理如下：進(jìn)行放電測試時(shí)，動力電池組首先通過一個(gè)雙向的 DC-DC變換器，在實(shí)現(xiàn)高精度放電測試時(shí)，將 DC-DC變換器工作在升壓模式，使得輸出側(cè)直流母線電容端電壓升高，為了將這部分能量回收再利用，直流母線側(cè)增加了一個(gè) DC-AC并網(wǎng)變流器，將直流側(cè)電容的存儲能量逆變并網(wǎng)，以達(dá)到節(jié)能測試的目的。需要充電測試時(shí)，動力電網(wǎng)AC380V經(jīng)過AC-DC變流器實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)升壓整流，然后經(jīng)由雙向DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)降壓斬波充電控制。因此，圖1中的 AC-DC-DC是一個(gè)組合變流器，當(dāng)前動力電池企業(yè)中大量使用的這種電池測試設(shè)備組成了一個(gè)復(fù)雜的交流微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。

圖1 大規(guī)模動力電池組交流微網(wǎng)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System configuration of massive power battery AC micro-grid

由圖1可以看出，該交流型微網(wǎng)中，既有儲能設(shè)備，也有測試系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電設(shè)備。該測試系統(tǒng)單元可以工作于多種模式（比如恒流、恒壓、恒功率的充/放電等）。測試系統(tǒng)和微網(wǎng)之間的能量可以雙向流動，因此ERPABPTS可有三種狀態(tài)：停止工作、微網(wǎng)向ERPABPTS供電、ERPABPTS向微網(wǎng)饋能。此外，并網(wǎng)功率也是隨放電測試電流的指令值大小變化的，并網(wǎng)設(shè)備的容量也有很大的差別，大的到上百千瓦，小的只有幾個(gè)或幾十個(gè)千瓦，而且圖1所示的系統(tǒng)需要對各微源變流器并聯(lián)輸出交流母線的電壓的相位和頻率進(jìn)行跟蹤，并網(wǎng)接入和孤島運(yùn)行也存在著同樣的問題。因此，該交流微網(wǎng)系統(tǒng)組成具有工作模式多樣、多測試變流器并聯(lián)帶來的協(xié)調(diào)控制、系統(tǒng)中儲能設(shè)備與并網(wǎng)電池組測試設(shè)備共存，小功率與大功率并存、單相與多相并存等特點(diǎn)，情況較為復(fù)雜。

與上述交流微網(wǎng)系統(tǒng)相比，直流微網(wǎng)具有很多優(yōu)勢[5-7]，首先，直流微網(wǎng)不需要對電壓的相位和頻率進(jìn)行跟蹤，無需考慮同步性，因此可控性和可靠性大為提高，因而更加適合分布式發(fā)電系統(tǒng)與負(fù)載的接入；其次，從理論上講，直流型微網(wǎng)僅僅需要一級變流器便能方便地實(shí)現(xiàn)與分布式發(fā)電系統(tǒng)和負(fù)載的連接，具有更高的轉(zhuǎn)換效率；再次，負(fù)載不受電壓調(diào)整、電壓閃變、三相不平衡以及諧波的影響；最后，直流電在傳輸過程中不受沖擊電流、單相負(fù)載和單相發(fā)電機(jī)影響。不需要考慮配電線路的渦流損壞和線路吸收的無功能量，線路損耗得到降低。

針對這些問題，本文首先提出一種含儲能設(shè)備、直流母線電壓分層的動力電池組測試設(shè)備交直流混合微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，然后與當(dāng)前使用的方案進(jìn)行對比，最后給出了組網(wǎng)系統(tǒng)的能量優(yōu)化方案。

2 交直流混合微網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 基于ERPABPTS的混合微網(wǎng)系統(tǒng)

當(dāng)前直流微網(wǎng)逐漸成為了研究熱點(diǎn)。因此可在借鑒交流微網(wǎng)相關(guān)控制技術(shù)研究成果的基礎(chǔ)上，提出一種針對動力電池組測試設(shè)備的交直流混合微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)（組網(wǎng)結(jié)構(gòu)詳見研究內(nèi)容部分圖2和圖3）。從圖2中可以看出，如果以每一個(gè)測試分廠為單元模塊，各個(gè)測試分廠組成了一個(gè)交流微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，如果從測試分廠單元模塊內(nèi)部來看，其組成了一個(gè)直流母線電壓分層直流微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)（見圖3）。因此，圖2實(shí)際上是一個(gè)具有交流微網(wǎng)和直流微網(wǎng)的混合微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。

圖2 基于能量回收的動力電池組測試設(shè)備的大規(guī)模混合微網(wǎng)系統(tǒng)組成Fig.2 System configuration of massive hybrid micro-grid based on ERPABPTS

圖2中，測試一分廠中的直流分層微網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

圖3 基于ERPABPTS的多變流器直流母線電壓分層控制微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structure of hierarchical control of ERPABPTS-based hybrid AC-DC micro-grid

圖3中顯示了單個(gè)測試分廠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以看出其組成了一個(gè)交直流混合微網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由兩層直流母線組成，分別為高壓直流母線和低壓直流母線，根據(jù)并網(wǎng)測試系統(tǒng)設(shè)備的功率等級來決定其并聯(lián)在哪一級，大功率測試設(shè)備并聯(lián)在高壓側(cè)，小功率測試設(shè)備并聯(lián)在低壓側(cè)。低壓直流母線側(cè)和高壓直流母線側(cè)分別與待測動力電池組通過雙向DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)能量的交互。高/低壓直流母線之間采用雙向DC-DC變換器（圖3中白色框所示）相連接。系統(tǒng)中高/低壓直流母線側(cè)分別設(shè)置了儲能系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對能量的緩沖與維持直流母線電壓的穩(wěn)定。為了防止由于待測電池組變流器工作模式、測試電流等的改變帶來的工作直流母線電壓的瞬間跌落、閃變等問題，項(xiàng)目提出的方案中采用了超級電容組，充分利用其瞬間大電流充放電接受和釋放能力，來對維系高/低壓直流母線側(cè)電壓穩(wěn)定的暫態(tài)需求。

2.2 工作原理及其方案對比

對比圖1中傳統(tǒng)的基于ERPABPTS的交流微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，圖2和圖3中提出的交直流混合微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有如下四個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

（1）傳統(tǒng)的 ERPABPTS微源變流器內(nèi)部由DC-DC和DC-AC兩級復(fù)合而成（見圖4b），屬于兩級變換，而論文中的微源型變流器內(nèi)部由DC-DC變換器一級組成（見圖4a），因此，在動力電池組測試電壓/電流的精度和測試能量回饋效率方面具有較大的優(yōu)勢。另外，由于結(jié)構(gòu)簡化，測試設(shè)備的軟件量較低、可靠性也大為提高。

（2）傳統(tǒng)的ERPABPTS微源變流器需要實(shí)現(xiàn)與主網(wǎng)的電壓幅值和相位保持同步，另外，為了降低并網(wǎng)電流諧波含量，往往需要復(fù)雜的接入濾波器和控制算法，較為復(fù)雜，而本項(xiàng)目中只需要控制直流母線電壓，不牽涉同步問題，控制方式較為簡化。

（3）項(xiàng)目提出的混合交直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，待測動力電池組之間能量的交互可在直流母線層一級完成，而傳統(tǒng)的交流微網(wǎng)中的變流器則需要從主網(wǎng)一級完成，如圖4中藍(lán)色箭頭所示，故傳統(tǒng)方案中間過程較多、效率低、變流器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)總的能量利用效率較低。

（4）能量優(yōu)化盡量在直流微網(wǎng)內(nèi)部完成，例如，有電池組做充電測試，有的在進(jìn)行放電測試，此時(shí)無需向傳統(tǒng)方案中經(jīng)由主網(wǎng)兩級完成，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部能量之間均衡的直接控制，與主網(wǎng)的 DC-AC變流器參與頻率較低。

3 結(jié)論

針對傳統(tǒng)基于交流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的能量回收動力電池組測試系統(tǒng)中存在的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，能量回收效率低，價(jià)格成本高等特點(diǎn)，提出了一種交直流混合微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，將測試變流器按照功率等級的不同，分別接在高壓和低壓側(cè)直流母線中。高低壓側(cè)設(shè)置了DC-DC變換器，實(shí)現(xiàn)能量的交互。

圖4 提出方案與傳統(tǒng)方案對比Fig.4 System comparison between the proposed s cheme and conventional scheme

上述方法能夠較高的實(shí)現(xiàn)電池充放電測試過程中的能量再利用效率，同時(shí)，由于電池測試變流器均為一級DC-DC變換器，故其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大為簡化，由于直流微網(wǎng)級無需實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)電壓、頻率和相位的同步控制，系統(tǒng)可靠性得到大幅度提高，具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。

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