锂电池储能并网变换器的设计与实现

文章编号：1000-3673（2012）03-0246-06 中图分类号：TM 727 文献标志码：A 学科代码：470·4054

锂电池储能并网变换器的设计与实现

侯朝勇，胡学浩，惠东

（中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192）

Design and Implementation of Grid-Connected Converter for

Lithium Battery Energy Storage System

HOU Chaoyong, HU Xuehao, HUI Dong

(China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China)

ABSTRACT: To achieve bi-directional power exchange be-tween lithium battery energy storage system and power grid, the grid-connected converter is the key component to imple-ment grid-connection of lithium battery energy storage system. A design scheme of grid-connected converter for lithium battery energy storage system is proposed. In the designed grid-connected converter, the Semikron integrated intelligent power, SKIIP) module is used as main power switch that is connected to power grid via LCL filter; an open hierarchical control structure is applied to the control system of the con-verter. Based on the design scheme, a prototype of grid-connected converter is developed and the testing results of the prototype show that different charging modes of lithium battery energy storage system can be implemented and the parameters of the prototype can meet the requirements of grid-connection, thus the feasibility of the proposed design scheme is verified.

KEY WORDS: lithium battery; energy storage; grid-connection; hierarchical control

摘要：并网变换器为锂电池储能系统实现并网的核心部件，为实现锂电池储能系统与电网的双向功率交换，提出了锂电池储能并网变换器设计方案。该系统以赛米控智能集成功率模块作为主要功率器件，通过电感–电容–电感(LCL)滤波器接入电网，控制系统采用开放的分层控制架构。利用该设计方案研制了样机，样机试验结果验证了该设计方案的可行性，样机能够完成锂电池储能系统的不同充电模式，相关参数可以满足并网要求。

关键词：锂电池；储能；并网；分层控制

能优秀等特点，可进行并联或串联以获得高容量或高电压。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，如可用于电力调峰、负载平定、电能质量甚至频率控制等多种场合[1-3]。

锂电池储能系统主要由单体电池、电池管理系统、监控保护系统、并网变换器等组成。并网变换器为储能系统实现并网的核心部件，经变换后相关参数需满足并网条件，其中注入电网的电流谐波是重要指标之一，文献[4-5]要求总谐波失真小于5%。本文根据锂电池特性提出了锂电池并网变换器设计方案，分析了系统的硬件设计方法和控制策略，以期为锂电池储能并网应用提供参考。

1 锂电池储能并网变换器结构

锂电池储能并网变换器结构如图1所示，其主要由电压源变换器(voltage source converter，VSC)、电感–电容–电感(LCL)滤波电路和工频隔离变压器组成。图1中：udc(t)、idc(t)分别为锂电池电压和电流；L1、L2为滤波电感；C0为滤波电容；ii(t)为流过VSC侧滤波电感L1的电流；ig(t)为流过滤波电感L2即注入电网的电流；uc(t)为滤波电容C0的电压；ic(t)为流过滤波电容C0的电流；ea(t)、eb(t)、ec(t)分别为电网a、b、c三相电压；SVPWM (space vector pulse width modulation)为空间矢量脉宽调制模块。

储能并网变换器主要实现锂电池与交流电网间的双向能量传递，通过适当调节并网变换器输出电压的幅值和相位，既可从电网吸收有功，也可将电池能量回馈到电网。并网变换器具有节能、输入功率因数高、电流谐波畸变率低等特点。LCL滤波器与单电感滤波器相比，对电流高频分量具有更强的抑制能力，可以实现较好的滤波效果，满足并网

0 引言

锂电池具有能源效率高、能源密度高、存储性

基金项目：国家电网公司科技项目(DG71-10-007)。

Project Supported by Science and Technology Foundation of the StateGrid Corporation of China(DG71-10-007).

第36卷 第3期 电 网 技 术 247

udc(t)+ ii(t)L1a b cC0− 采样 VSC SVPWM控制系统LCL滤波器采样变压器 ic(t)制控器触接 uc(t)制控器触接 ig(t)L2ea(t) eb(t) ec(t) idc(t)

上位机 图1 锂电池储能并网变换器结构

Fig. 1 Topology of grid-connected converter for lithium battery energy storage system

谐波要求。

并网变换器采用工频变压器实现电气隔离，降低了电池对地绝缘的要求，系统运行更加安全，同时也能更好地匹配电池组运行电压范围。

控制系统采用分层控制策略，主控单元采用德州仪器公司的DSP 2812和Altera公司的Cyclone II-EP2C20为核心控制芯片。DSP 2812为数字信号处理器(digital signal processor，DSP)，软件编写灵活。II-EP2C20为现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)，其在重复计算和大规模计算方面具有优势。该控制系统利用DSP完成应用层控制，利用FPGA完成底层控制(如多路AD采样、数字锁相环的实现、功率器件的驱动等)，充分发挥了2个控制器的特性，也更有利于系统扩展。

通信控制接口电源驱动信号功率电路电压传感器电流传感器温度传感器保护电路 驱动电路散热器图2 SKIIP模块架构

Fig. 2 Chart of SKIIP module

参数。根据VSC侧电流最大允许纹波得到VSC侧电感L1的最小值，根据系统的无功功率限定值求得滤波电容C0，最后根据并网电流总谐波得到网侧电感L2。

L1越大，纹波电流越小，但成本会增加，同时考虑到还有后续的L2C0滤波环节，VSC侧纹波电流限制在额定电流的15%~25%即可，本文选择25%，则

2 主电路设计

锂电池储能并网变换器既要满足电网侧的电流谐波、功率因数等要求，又要满足锂电池自身的充放电特性。

赛米控智能集成功率(Semikron integrated intel-ligent power，SKIIP)模块集成了功率半导体器件、散热器以及具有保护和监测电路的门极驱动电路，并具有用于短路和过电流保护的闭环电流传感器，同时还集成了温度传感器。采用SKIIP模块[6]可以大大简化逆变器主电路，提高系统的抗干扰能力，该模块具有标准接口，其架构如图2所示。

相对于传统的单电感滤波器，3阶LCL滤波器能更好地抑制并网变换器引起的电流谐波。LCL滤波器的参数对系统的动态及稳态性能影响很大，文献[7]对LCL滤波器参数的限制条件以及设计步骤做了详细介绍，本文在此基础上确定LCL滤波器的

[6]

L1≥

Udc1

(1)

825%fswirated

式中：fsw为开关频率；irated为额定电流。

为确保系统整体功率因数，无功功率应低于

5%额定功率，则

C0<5%

Pn

(2)

32πf(Em)2式中：Pn为额定功率；Em为电网相电压有效值；f为电网频率。

网侧电流ig和VSC侧电流ii在开关频率处的谐波电流幅值衰减比为

248 侯朝勇等：锂电池储能并网变换器的设计与实现 Vol. 36 No. 3

d=

igii

=

1

2

|1+r(1−ωswL1C0)|

=

1

2

|1+r−k2ωresL2C0|

(3)

根据上述分析，最终确定的滤波器参数为：

L1=0.56 mH，L2=0.2 mH，C0=100 μF，fres=1.31 kHz，r=0.36。

式中：r=L1/L2；ωres为滤波器谐振角频率；ωsw为开关角频率(ωsw=2πfsw)；k=ωsw/ωres。

LCL滤波器的谐振频率可表示为

3 控制系统设计

3.1 控制系统功能

传统的电力电子控制系统基本以集中式控制模式为主，控制系统与底层硬件的相互依赖性较大，且灵活性和扩展性较差[8-10]。并网变换器控制系统采用按功能进行分层控制的架构，充分发挥了数字控制和数字通信的优势，同时该架构的设计更利于实现系统的自治控制，也利于上层调度。

参照通信系统的开放系统互连(open system in-

ω2res

1+r= (4) L2C0

将式(4)带入式(3)可得

11

= (5) d=

|1+r−k2(1+r)|(1+r)|1−k2|

1

−1 (6) r=

d|1−k2|

VSC侧电感L1已将SVPWM产生的纹波电流只要L2C0滤波环节对纹波限定为25%的额定电流，

电流的衰减达到20%，则网侧电流含有的纹波电流将小于5%的额定电流，可以满足并网要求。L2C0环节对纹波电流的衰减由式(3)决定，因此只要

terconnection，OSI)模型，并网变换器分层控制功能示意图如图3所示。图3中：θ为电网电压相位；

SPLL(software phase loop)为软锁相环[11]；IGBT (insulated gate bipolar transistor)为绝缘栅双极型晶体管。硬件层控制模块由FPGA完成；应用层控制模块由DSP完成算法运算，提高了系统灵活性；系统层控制由上位机完成，可以实现多个储能系统的大规模调度。层次化的并网变换器接口如图4所示。

系统层控制模块 d≤20%即可满足并网电流纹波需求，本文取d=20%。由式(6)可确定电感比例系数r，进而可求得电感L2。

为了不使LCL滤波器的谐振峰值出现在低频段和高频段，LCL滤波器的谐振频率应大于10倍的电网频率，且小于开关频率的一半。

系统层控制应用层控制算法 (外环控制) 各种运行方式的切换 电池储能系统信息与FPGA通信接口本地人机界面本地存储应用层控制模块及辅助功能 ◆外环控制：有功、无功控制，并 网电流控制，整流/逆变控制,充/放电控制等◆数据本地存储◆电池信息获取◆本地人机界面硬件层控制模块 内环控制模块◆数据转换(Clarke、Park) ◆电流内环控制◆锁相环开关信号控制模块◆PWM信号调制◆IGBT驱动信号开关逻辑 ◆死区时间控制◆IGBT二级保护DSP 与DSP通信接口FPGA中控制器参数配置及信息获取DSP-FPGA 同步θ Clarke和Park变换电流内环控制配置和控制寄存器 θ SPLL A/D采样控制PWM 调制器 IGBT2级保护FPGA A/D采样 开关逻辑 信号测量 IGBT驱动器、底层保护A/D采样信号测量底层硬件控制模块◆IGBT驱动及保护过压，过流， 过热等)◆IGBT状态信号反馈 ◆AD采样及控制图3 并网变换器分层控制功能示意图

Fig. 3 Schematic diagram of hierarchical control for grid-connected converter

第36卷 第3期

电 网 技 术 249

功率层 控制层 电池储能 模块 传感器 IGBT底层PWM内脉应控环数系电力电子 驱动信号冲用制控发层据统模块 IGBT 总制控转层故障信号 线生器制换控器 器 器制 器 并网 滤波器 传感器 传感器 硬件 软件 图4 层次化的并网变换器接口

Fig. 4 Hierarchical grid-connected converter interface

3.2 控制策略

锂电池储能并网变换器的等效电路如图5所示。并网变换器电压v与电网电压e控制的并网电流i之间的关系为

i=(e−v)/jωL (7)

式中：ω为电网角频率；L= L1+ L2。

由式(1)可知，通过调节并网变换器输出电压v的幅值和相位即可以控制并网电流i的大小和方向，从而控制功率的方向和大小。当v超前于e时，能量从直流侧流向交流侧，并网变换器运行在逆变模式；当v滞后于e时，能量从交流侧流向直流侧，变换器运行在整流模式。

i L

e v

图5 并网变换器等效电路

Fig. 5 Equivalent circuit of grid-connected converter

文献[12-15]提出了锂电池的恒流/恒压充电方式，充电初期采用恒定大电流充电模式，在锂电池电压达到设定值后转为恒压限流充电模式，随着电池电压的不断上升，充电电流逐渐减小，最后通过充电电流的减小程度[14]来判断充电是否结束。充电后期采用小电流充电有利于减小恒定大电流充电对电池的损坏，同时锂电池电压的升高速率减缓有利于防止过充电。放电时采用控制放电功率或者控制电流的方式，同时也根据实际需求向电网输出需要的无功功率。锂电池储能系统通过电池管理系统

(battery management system，BMS)提供的信息实时调整充放电方式，以实现电池的优化充放电[16]。

本文采用dq同步旋转坐标系的矢量控制方式，可以消除电流稳态跟踪误差，同时可以方便地引入电流状态反馈，实现dq轴电流的解耦控制[17-18]。

并网变换器控制策略结构框图如图6所示，控制器采用双闭环控制结构。图6中：Rp为LCL滤波器阻尼电阻；eα、eβ分别为电网电压经过静止坐标变换后的电压；ed、eq分别为电网电压经过旋转坐标变换后的电压；iα、iβ分别为VSC侧电感电流经过

静止坐标变换后的电流；i**

dc、udc分别为直流电流、直流电压的给定值；id、iq分别为VSC侧电感电流

经过旋转坐标变换后的电流；i**

d、iq分别为id、iq

的给定值；u**

d、uq为电流调节器的前馈解耦环节

输出电压；S1,\",6为IGBT驱动信号；P、Q分别为并网变换器的有功、无功；P*、Q*分别为P、Q 的给定值。

idc(t) udc(t)+ eL2uc(t)L1ea(t)bcb a 锂电池e(tt)c()RCp0−abc/αβeeαβαβ/dqeedqabc/αβiiβSPLLθαβα /dqidiq (a) id、iq

S1,\",6 ++ e+d SVPWM id*i−PId+ω u* d iLqωLdq/abc i*−+−u* q q+PI+ θe q (b) IGBT驱动信号 充电模式 udc*+恒压控制udc−PI充放电+模式id*ii*dcdc−PI恒流控制*

控制iqudcu*−放电模式dcPIP*+iid P−+q P=edid+eqiqPI + − eedqQ=−eqid+ediqQ−+PI Q*(c) 控制框图

图6 并网变换器控制策略

Fig. 6 Control scheme of grid-connected converter

为能单独控制锂电池充电电压和充电电流，将

直流电流给定值i*直流电压给定值u*

dc(dc)与实际值

idc(udc)的差值作为外环比例–积分(proportional

integral，PI)控制器的输入，控制器输出即为电流有

功分量给定值i*d。充电时为满足功率因数要求，电流无功分量i*q

=0。将i**

d和iq分别作为id、iq的给定值，通过电流调节器的前馈解耦环节输出电压控制

250 侯朝勇等：锂电池储能并网变换器的设计与实现

Vol. 36 No. 3

指令u*u*

d、q，经过坐标变换得到给定电压，将给

定电压输入SVPWM模块，以得到电压源变换器的驱动信号。

电池放电时，向电网反送有功功率，通过控制相位角可同时实现一定的无功补偿。将给定有功功 率P*和无功功率Q*与实际值的差值作为外环PI控 制器的输入，PI控制器的输出即为电流有功分量与

无功分量的给定值i**d与iq。

4 试验结果分析

利用本文储能并网变换器实现方案研制了试验样机，并进行了锂电池储能系统充放电测试，具体试验内容为恒流充电、恒压充电、恒功率放电以及由充电到放电的过渡。

图7为电池恒流充电时的电池直流侧电压、电流以及电网侧的A相电压和电流。图8为电池恒压充电时的电池直流侧电压、电流以及电网侧的A相电压、电流。图9为恒功率放电时的电网侧A相电压和电流。图10为恒功率放电到恒流充电时的电

直流电压/

(500 V/格) 直流电流/ 直流电压

直流电流

(50 A/格) 电网A相电压/ (250 V/格) A相电压电网A相电流/ (100 A/格)

A相电流t/(10 ms/格)

图7 恒流充电时的电流、电压波形

Fig. 7 Waveforms of current and voltage when

constant current charging

直流电压/ (1 kV/格) 直流电流/ 直流电压

直流电流(50 A/格) 电网A相电压 / (250 V/格)A相电压

电网A相电流/ (100 A/格)

A相电流

t/(10 ms/格)

图8 恒压充电时的电流、电压波形

Fig. 8 Waveforms of current and voltage when

constant voltage charging

直流电流/ (50 A/格) A相电压

直流电流电网A相电压/ (250 V/格) 电网A相电流/ (100 A/格)

A相电流t/(10 ms/格)

图9 恒功率放电时的电流、电压波形

Fig. 9 Waveforms of current and voltage when

constant power discharge

直流电流/(50 A/格)电网A相电压/(250 V/格)电网A相电流/(100 A/格)

t/(2 s/格)

图10 恒功率放电到恒流充电时的电流、电压波形 Fig. 10 Waveforms of current and voltage during

constant power discharge changed to

constant power charging

网侧A相电压、电流和电池直流侧电流。

由样机试验结果可知，该并网变换器成功实现了锂电池储能系统的充电和放电双重功能，向电网反馈能量时能很好地跟踪电网电压和相位，充电时实现了网侧的高功率因数，并能按设定的工作方式工作。

5 结论

锂电池储能并网变换器能够实现充电和放电双重功能，采用分层控制策略实现了控制任务的优化分配，既增加了系统的灵活性，又减少了各层之间的相互依赖。试验样机给出了不同工作模式下的试验波形，验证了提出的应用于锂电池储能系统的三相双向并网变换器的可行性和实用性，该样机已在100 kW的锂离子电池储能并网变换器中得到了

良好的应用。

参考文献

[1] Barton J P，Infield D G．Energy storage and its use with intermittent

renewable energy[J]．IEEE Trans on Energy Conversion，2004，19(2)：44l-448．

[2] Norrias B L，Greg J B．Utility test results of a 2-megawatt 10-second

reserve-power system[M]．Sandia：Sandia National Laboratories，1999：41-45．

[3] 孙涛，王伟胜，戴慧珠，等．风力发电引起的电压波动和闪变[J]．电

网技术，2003，27(12)：62-66．

Sun Tao，Wang Weisheng，Dai Huizhu，et a1．Voltage fluctuation and flick caused by wind power generation[J]．Power SystemTechnology，2003，27(12)：62-66(in Chinese)．

[4] IEEE 1547-2003，IEEE standard for interconnecting distributed

resources with electric power systems[S]．New York：The Institute of Electrical and Electronics Engineers，2003．

[5] IEEE Std 519-1992．IEEE recommended practices and requirement

for harmonic control in electrical power systems[S]．New York：IEEE

Industry Applications Society Power Engineering Society，1992．

[6] Ulrich N，Peter R W．功率模块应用手册[M]．纽伦堡：赛米控国

际公司，2003：88-98．

[7] Liserre M，Blaabjerg F，Hansen S．Design and control of an LCL filter

based three phase active rectifier[J]．IEEE Trans on Industrial

第36卷 第3期

电 网 技 术 251

Applications，2005，41(5)：1281-1291．

[8] Gateau G，Ruelland R，Aime M．A co-simulation environment for the

test and the validation of digital control strategy on a mixed DSP/FPGA architecture[C]//International Power Electronics and Motion Control Conference．Riga，Latvia：IEEE，2004：157-164． [9] Bielewicz Z，Debowski L，Lowiec E．A DSP and FPGA based

integrated controller development solutions for high performance electric drives[C]//IEEE International Symposium on Industrial Elecronics．Warsaw，Poland：IEEE，1996：679-684．

[10] Bueno E J，Hernandez A，Francisco J R，et a1．A DSP and FPGA

based industrial control with high speed communication interfaces for grid converters applied to distributed power generation sytems [J]．IEEE Trans on Industrial Electronics，2009，56(3)：654-669． [11] Bueno E，Rodr´ıguez F J，Espinosa F，et al．SPLL design to flux

oriented of a VSC interface for wind power applications[C]// Proceedings of the 31st Annual Conference of the Industrial Electron-ics Society．Alcalá de Henares，Spain：Proceedings of the 31st Annual Conference of the Industrial Electronics Society，2005：2451-2456． [12] Dweiieydm B R．Constant current/constant voltage current supply：

USA，65221 18 B1[P]．[2003-02-18]．

[13] Potaninae E，Potanin V Y．Li-ion battery charger with three-parameter

regulation loop[C]//Power Electronics Specialists，2005 IEEE 36th Conference．Recife，Brazil：IEEE，2005：2836-2840． [14] 胡清琮，陈琛，王菁，等．基于恒流/恒压方式的锂电池充电保护

芯片设计[J]．浙江大学学报：工学版，2008，42(4)：632-635． Hu Qingcong，Chen Chen，Wang Jing，et a1．Design and implementation

of Li-ion battery charger IC based on constant current/constant voltage approach[J]．Journal of Zhejiang University：Engineering Science，2008，42(4)：632-635(in Chinese)．

[15] 贾英江，傅孝忠．锂电池充电方法分析[J]．科技咨询，2009(2)：

123．

[16] 文峰，姜久春，张维戈，等．电动汽车用锂电池组充电方法[J]．汽

车工程，2008，30(9)：792-795．

Wen Feng，Jiang Jiuchun，Zhang Weige，et a1．Charging mehod for Li-ion battery pack in electric vehicles[J]．Automotive Engineering， 2008，30(9)：792-795(in Chinese)．

[17] 张崇巍，张兴．PWM整流器及其控制[M]．北京：机械工业出版

社，2003：137-138．

[18] 姜齐荣，谢小荣，陈建业．电力系统并联补偿–结构、原理、控制

与应用[M]．北京：机械工业出版社，2004：95-98． 收稿日期：2011-04-12。 作者简介：

侯朝勇(1979)，男，博士研究生，研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用、分布式发电、微电网，E-mail：houchaoyong@epri.sgcc.com.cn；

胡学浩(1946)，男，博士生导师，研究方向为电力系统规划和运行的模型研究和分析计算、分布

侯朝勇

式发电、微电网。

（责任编辑 徐梅）