基于部分功率控制的电池储能系统设计

发布时间：2020-09-21 21:51

　　传统电池储能系统中,单体电池通过串并联组合来满足高压与大容量的需要,然后与高压变流器进行连接。由于单体电池之间容量、内部电阻等参数存在一定的差异性,在充放电时不同电池组的可用容量不一致,导致电池储能系统的整体容量利用不充分。而目前大多数柔性电池储能系统中,系统功率全部通过充放电控制的变流器,造成变流器设计功率较大,成本较高。针对高压大容量电池直接串并联所引起的容量和功率不均衡及充放电控制设备容量偏大的问题,提出了一种利用隔离DC/DC变换器与H桥逆变器进行充放电控制的部分功率控制方案。围绕本文所采用的系统方案对拓扑结构与工作原理进行阐述,并利用功率流向分析了各种工况下系统的容量需求,指出了流过DC/DC变换器的功率与电池组总输出功率占比等于电压差值跟直流母线电压之比,比值较小,证明了系统充放电控制中只对部分功率加以控制,就能够实现系统整体大功率运行,以小控大,变换器容量得到降低。同时可以对各电池组独立控制,能够实现电池组的容量均衡与系统充放电控制。并联侧利采用全桥移相隔离DC/DC变换器,输入侧串联,输出侧并联,组成了并联均衡电路。采用稳压控制策略,维持输出电压稳定,并依据SOC能够合理分配电池的功率,实现SOC均衡。进行参数计算,搭建了实验平台,利用仿真与实验进行了验证。串联侧采用单相H桥逆变器组成系统充放电控制电路。整个电池组额定电压和直流母线电压一致,但是SOC不同电池组输出电压不同,依据H桥输出调节电池组与直流母线电压间的差值实现充放电控制。采用三环控制方式,系统总功率中只有较小的一部分流过H桥,以小控大,实现了系统充放电控制。进行参数计算,搭建平台,通过仿真和实验进行了验证。对隔离DC/DC变换器和单相H桥逆变器建立了小信号模型,利用零极点分布图进行了DC/DC变换器的控制参数设计。给出DC/DC变换器并联端口的输出阻抗特性和H桥逆变器的输入阻抗,利用阻抗比判据进行了系统稳定性分析,给出了系统充放电控制时稳定运行的H桥控制参数,并进行了仿真验证。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM91;TP273
【部分图文】：

储能系统,梯次,电池,原理图

逦北京交通大学硕士专业学位论文逦逡逑ＤＣ／ＤＣ输出电压之和，每个电池模块的放出或吸收的功率全部通过ＤＣ／ＤＣ变换逡逑器，ＤＣ／ＤＣ功率容量设计较大。该储能系统可在各种情况下快速收敛各电源模块逡逑荷电状态（ＳＯＣ）；各电源模块可在线退出系统，且退出并不会对母线电压造成冲击。逡逑这项研回收后在储能领域的应用具有参考价值。逡逑

原理图,串并联补偿,储能系统,电池

Ｉ卞卞……十Ｉ邋ＤＣ／ＤＣ逦逦逦逡逑Ｉ邋Ｉ＿Ｉ逦Ｌ－ｕ邋＿逦＋｜逦Ｊ＿，逡逑［）邋／？邋－ｐ邋Ｃ２逡逑ＪＴＺＥ邋ＪＩ￣逦１逡逑Ｊ邋Ｊ邋……卞邋ＤＣ／ＤＣ逦？．逦ｎｒｒ＾＼逦逡逑ｉ逦Ｆｉｎ－；邋７邋＝＝邋Ｃｌ逡逑ｊ邋Ｉ逦１＿Ｊ逦逦逦—逡逑Ｔ邋Ｔ逦Ｔ邋ＤＣ／ＤＣ邋＿，逡逑图１－３邋ＤＣ／ＤＣ原理图和梯次电池储能系统逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋ＤＣ／ＤＣ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ａｎｄ邋ｃａｓｃａｄｅ邋ｂａｔｔｅｒｙ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｓｔｏｒａｇｅ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑文献［２６］设计了一种基于串并联补偿电池成组拓扑，利用隔离型双向ＤＣ／ＤＣ逡逑变换器建立与电池模块串联的受控电压源以补偿整串电池电压变化，建立与每个逡逑电池模块并联的受控电流源以实现ＳＯＣ均衡控制。能够实现电池的充放电控制逡逑和电池模块之间的荷电状态（ｓｔａｔｅ邋ｏｆ邋ｃｈａｒｇｅ，ＳＯＣ）均衡。如图１－４所示，在工作中逡逑流过变换器的功率是电池组放出或吸收的一部分，这种方式输入输出电压之间需逡逑求存在差异，变换器输出范围大，当电池电压低输出电压高，电池电压高反而输逡逑出电压低，系统设计功率大于实际运行功率，需要进一步改进。逡逑—邋＋逡逑

示意图,单元串,储能,储能系统

逦北京交通大学硕士专业学位论文逦逡逑构简单，直流侧无变压环节，能耗相对较低。能够明显改善大量单体电池直接串逡逑联时出现的“短板效应”，提高电池利用率，保持直流母线的稳定。逡逑文献［２９，３０］采用了将整串电池按照一定的标准分成若干组，再把ＤＣ－ＤＣ变换逡逑器与之结合组成电池储能单元，将电池储能单元串联或者并联向负载供电。如图１－逡逑７所示，这两种方案分别是储能单元输出侧并联或串联，然后连接负载，储能电池逡逑模块功率全部流过变换器，这样的结构使得每个电池储能单元充电电流和放电电逡逑流可以单独控制，并且可以向负载提供稳定的直流电压。在运行过程中每个电池储逡逑能单元也可因为故障单独退出进行开路测量和维护检修等，以更好的估计电池模逡逑块的荷电状态ＳＯＣ和健康状态（ｓｔａｔｅ邋ｏｆ邋ｈｅａｌｔｈ，ＳＯＨ）。逡逑

【参考文献】