磷酸鐵鋰電池儲能系統防環流技術研究

賈磊磊

摘 要：本文通過分析儲能系統電路拓撲結構的特性、儲能系統拓撲結構的原理，介紹了項目實施中磷酸鐵鋰儲能系統電路拓撲結構防環流的各種措施、技術特性及優缺點比較。

關鍵詞：磷酸鐵鋰；電池儲能系統；環流；DC/DC電路

中圖分類號：TM464 文獻標識碼：A

0.引言

磷酸鐵鋰電池系統在大規模成組使用中需要解決一致性差異引起的環流問題。環流是指在電池組內部存在較大的環路電流。因為電池內阻比較小，通常為毫歐級，電壓差異即使為幾伏，環路電流可達到幾百安甚至上千安。這種電流會對電池產生沖擊，影響電池系統的使用壽命，甚至可能引起嚴重的安全事故。因此，防環流技術成為大規模電池成組過程中需要重點解決的關鍵技術問題之一。

1.采取防環流技術原因

解決環流的根本方法是提高電池的一致性，但是因為材料、工藝等各種原因，不可能徹底解決一致性差異，因此需在其他方面采用相關的技術措施，降低一致性差異的影響。

通常在系統設計時考慮電池容量的選取和添加外部拓撲電路兩種方式。采用大容量電池，可以減少電池并聯的數量和電池總量，降低故障機率。電池組接入端的電路從環路中降低電流或者抑制電流，均是有效的解決方式。

電池組通常采用先并聯再串聯的方式，不但可以減少電池組的數量，而且可以減小環路電流，同時可以成倍的節省電池管理系統的數量，有利于成本的優化。

2.增加預充電阻方式

電池組接入系統時可采用預充功率電阻的方式。在回路中并聯兩個直流預充電接觸器，將預充功率電阻和其中一個接觸器串聯，如圖1所示。當此電池組退出維護后，會與其他電池組產生電壓差。先閉合預充接觸器，由于功率電阻的作用，可以有效降低其他電池組流入的電流，即環路電流。待此組與其他組電壓平衡后，再閉合主接觸器，并斷開預充接觸器切除功率電阻，即可達到電路平衡。

預充功率電阻方式存在以下不足：

第一，電池組接入后必須進行不同組之間的充放電，浪費了電池組的可用能量，不利于提高直流側的能量利用率。

第二，判斷電池組接入條件技術復雜，只有在電壓相差不多時接入，否則因電池簇本身的內阻非常小（約0.5mΩ 左右），這就會導致兩個電池簇之間會產生難以控制的、很大的環流，對電池造成嚴重的危害，影響其壽命，因此電池組接入前必須將兩組電池盡可能調整一致。

第三，接觸器的控制邏輯復雜，兩個接觸器不能同時都工作，必須在預充接觸器閉合后，并經過一段時間才能閉合另一接觸器；而且接觸器帶載動作會嚴重縮短其使用壽命。

3.AC＼DC與DC＼DC雙級模塊型PCS

如圖2所示為直接并聯儲能電池子系統示意圖。圖3所示為包含DC/DC 和DC/AC 環節的PCS拓撲結構示意圖，這是一種雙級結構的方案（DC/DC 變換器是第一級，雙向并網變流器是第二級），在很多場合（尤其是光伏發電系統）得到了應用。利用雙向DC/DC 變流器的電壓調節作用，可以將特性差別很大的（發電）系統連接到同一直流母線上，并且能實現能量的雙向流動。

該種模式不足點為除了并網變流器的損耗外，DC/DC 環節也存在損耗，并且該損耗與并網變流器的損耗相當。由于半導體器件的非線性，在相同的總負載電流條件下，該結構的系統將導致系統的總體效率降低。

蓄電池充電時，PWM變換器工作在整流狀態，將電網側交流電壓整流為直流電壓，該電壓經雙向DC/DC 變換器降壓得到蓄電池充電電壓；

放電時，PWM 變換器工作在逆變狀態，雙向DC/DC 變換器升壓向逆變器提供直流側輸入側電壓，經逆變器輸出合適的交流電壓。這種含DC/DC 和DC/AC 環節拓撲結構的PCS的主要優點是適應性強，可實現對多串并聯的電池模塊的充放電管理；由于DC/DC 環節可實現直流電壓的升、降，使得蓄電池的容量配置更加靈活；適于風電、光伏等波動性比較強的分布式電源的接入配合，抑制其直接并網可能帶來電壓波動。

4.AC/DC單級模塊型PCS

如圖4所示為僅含DC/AC 環節的PCS拓撲結構，直接并網的電池儲能系統并網拓撲結構中，PWM變換器的輸出部分接有升壓變壓器，以便其電壓與所并聯的交流網絡電壓相匹配，同時起到將電池儲能系統與外部系統的電氣隔離作用。蓄電池系統充電時，PWM 變換器工作在整流器狀態，將系統側交流電轉換為直流電，將能量儲存在蓄電池中；放電時PWM 變換器工作在逆變器狀態，將蓄電池釋放的能量由直流轉換為交流回饋外部系統。

這種僅含DC/AC 環節的PCS 拓撲結構的優點是適于電網中分布式獨立電源并網，結構簡單，PCS環節能耗相對較低。

但該結構的缺點是：

系統體積大、造價高；儲能系統的容量選擇缺乏靈活性；

電網側發生短路故障有可能在PCS直流側產生短時大電流，對電池系統產生較大沖擊；

多個AC/DC模塊同時工作時，會因同一時刻各個內部PWM變換器在整流或逆變時的相序、瞬間電壓、頻率不同等因素造成各個模塊之間產生嚴重的共模電壓干擾問題，嚴重干擾直流端電壓穩定性，對電池及BMS系統造成嚴重不良影響。

結論

（1）與電池組直接并聯的PCS 裝置的電池儲能系統相比，含DC/DC和DC/AC 環節雙級結構的PCS 裝置的電池儲能系統，其電池組的配置更靈活，對電池的充放電管理更準確、可靠。

（2）降低DC/DC模塊的功率損耗將是以后能量變換裝置研發的一個重要目標。

（3）DC/DC拓撲結構的特性及控制研究是MW級PCS 裝置研發的重要方向。

（4）改進AC/DC單級PCS功率模塊的抗干擾性能及提升控制策略，是以后單級式研發的重要方向。

參考文獻

[1]李戰鷹，胡玉峰，吳俊陽，等.大容量電池儲能系統PCS 拓撲結構研究[J].南方電網技術，2010 ，4（5）：39-42.

[2]董亦斌，吳峂，金新民，等.等腰三角形雙向DC/DC 變換器的拓撲研究[J].中國電機工程學報，2007，27（13）：81，86.

[4]張方華，嚴仰光. 一族正反激組合式雙向DC-DC 變換器[J].中國電機工程學報，2004，24（5）：157-162.

[4]廖志凌，阮新波.獨立光伏發電系統能量管理控制策略[J].中國電機工程學報，2009，29（21）：46，52.

[5]金一丁，宋強，劉文華.電池儲能系統的非線性控制器[J].電力系統自動化，2009，33（7）：75-80.

[6]王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2009.

[7]郭新生，趙知辛，馮小龍，等.垂直軸螺旋型風輪-光伏電池互補發電裝置[J].電網與清潔能源，2008，24（7）：49，51.