- 頭條適用于梯次電池利用的電池柔性成組儲能系統2019-09-10 作者：崔強、王慶軍 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語北京交通大學國家能源主動配電網技術研發中心、西安中車永電電氣有限公司的研究人員崔強、王慶軍、童亦斌、王作興、唐泉，在2019年第5期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“基于半橋級聯的電池柔性成組儲能系統及控制策略”），針對退運電池梯次利用，建立了基于半橋級聯型拓撲的電池柔性成組儲能系統架構，并提出了與之相適應的控制策略。儲能拓撲采用半橋級聯的方式實現高壓輸出，模塊間采用無主從獨立控制，具有模塊化設計、結構簡單、等效開關頻率高、控制簡單等優點。根據儲能系統需求，模塊采用基于下垂控制的電流控制策略，由上位機統一指令，各模塊獨立執行，解決了傳統直接電流控制由于采樣誤差造成的系統難以正常工作的問題。該文進行了理論分析和仿真驗證，并搭建了三模塊級聯實驗平臺，驗證了基于下垂控制的電流控制策略的可行性，實現了功率控制及模塊間均衡控制，所建儲能系統適用于梯次電池利用。
近年來，在國家對新能源汽車產業的大力扶持下，動力電池市場需求不斷攀升，退運電池回收處理面臨巨大的壓力。退運電池仍可用于對電池性能要求較低的領域，如儲能系統。
傳統電池儲能系統由大量的電池單體經過串并聯成組后通過DC-AC接入電網，這種拓撲結構簡單，效率高。對于梯次利用電池，由于各單體內阻、容量、SOC的差異，導致單體之間在使用過程中相互制約，電池組的能量利用率大幅降低，增加了其在傳統儲能系統中的應用難度。為了削弱由個別電池單體異常對整個電池儲能系統的影響，柔性成組儲能技術得到廣泛應用。
柔性成組技術將低壓電池模塊和電力電子裝置構成的柔性儲能單元級聯，代替傳統電池組與高壓變流器的組合，實現對每一個電池模塊的獨立控制。文獻[9-14]較詳細地描述了H橋級聯型拓撲（Cascaded H-Bridge,CHB）、模塊化多電平變流器（Modular Multilevel Converter,MMC）和半橋級聯型拓撲（Cascaded Half-Bridge）三種主要級聯拓撲結構及優缺點。
目前國內外多集中于對前兩種拓撲的研究，其均可獨立控制模塊的充放電電流，能量利用率高；采用交流調試控制策略較復雜。半橋級聯型拓撲亦可獨立控制模塊電流，較其他兩種拓撲而言，開關數量少，控制簡單，可靠性高，采用級聯型結構使得開關頻率降低，效率高，并可實現故障冗余功能，故本文將半橋級聯拓撲作為主要研究對象。
目前對于半橋級聯拓撲的應用多集中在級聯拓撲用于降低紋波電流及調制方法上。A. A.A. Hafez 采用內部模型控制（Internal Model Control, IMC），建立了三模塊半橋級聯系統。T. Porselvi、 R.Muthu建立了多級直流逆變器，二者實現了較小的電流紋波控制，縮小了電感的體積，但未實現模塊的獨立控制。N.Mukherjee提出了一種適用于不同種類電池的升降壓型級聯拓撲，且采用前級DC-DC與后級DC-AC分別調制的方法，但前級DC-DC仍為控制器統一調制產生控制信號，應用于級聯模塊數量較多時，控制策略變得復雜，且穩定性變差。
為簡化控制難度，本文基于分布式控制的思想，儲能系統前級DC-DC內各半橋模塊與后級DC-AC均采用獨立調制的方法，大大簡化了系統的控制，提高了級聯系統的穩定性；模塊獨立控制實現了不同種類電池接入的可能性，提高了系統的靈活性。
基于半橋級聯型拓撲，本文設計了電池柔性成組儲能系統架構，分析了半橋級聯拓撲數學模型、工作原理，提出了基于下垂控制的串聯電流控制策略，并針對電池梯次利用分析了均衡控制方法、系統的動態響應及冗余控制，通過仿真分析及實驗實例，驗證了控制策略的可行性，可實現系統的穩定運行及均衡控制。
圖1 半橋級聯儲能系統架構
圖4 組串控制框圖
圖8 實驗平臺
結論
本文介紹了基于半橋級聯的柔性儲能系統架構、工作原理，分析了儲能組串的數學模型，并提出了基于I-V下垂的模塊間協調控制策略、均衡方法及儲能組串控制策略、均衡策略。通過理論分析、仿真和實驗驗證得到如下結論：
1）本文所提基于I-V下垂的控制策略，適用于采用分布式控制的半橋級聯拓撲儲能系統，削弱了由采樣誤差帶來的模塊間出力嚴重不均的影響，提高了系統的穩定性。
2）本文所提控制方法靈活地實現了儲能組串的電流控制及模塊間的均衡控制，二次調節實現了系統的精確控制。
3）均衡控制實現了電池電流的獨立控制，體現了半橋級聯柔性成組拓撲的優越性，對于梯次利用電池的應用推廣具有一定的價值。
