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智能电网和能源互联网的发展对电力系统各个环节提出了新的技术要求。经济的快速发展,导致电网负荷的快速增长,峰谷差日益扩大;同时,风能、太阳能等新能源大量接入对电网调峰和系统安全带来一定的影响。储能技术作为电网新的调节手段,可作用于电网各个环节。储能在电网侧能削峰填谷,提高电网设备的综合利用率;在发电侧可解决新能源并网问题[1]。
在储能技术领域中,电池一致性问题一直是困扰电池串并联成组使用的技术难题。虽然通常在电池成组前会进行性能一致性匹配,但电池单体间微小的内部性能差异会随着充放电运行而不断累积,并明显地体现为电池系统一致性变差、电池系统充放电性能劣化、电池系统可用容量大幅衰减等缺陷[2]。
为了尽可能减小不一致性对电池系统的影响,需通过外部技术手段对电池进行均衡维护。电池管理系统的均衡技术是解决大容量电池组一致性问题的有效方法,它能够提高成组电池一致性,缓解电池“短板效应”引起的电池系统性能劣化问题[3]。对于大容量电池组,可通过设置BMU(电池管理单元)-BCMS(电池簇管理系统)-BAMS(电池阵列管理系统)三层电池管理系统,对电池模块内、电池模块间和电池系统相内、相间的能量进行均衡,以提高电池一致性,延缓电池堆使用容量衰减,从而提高电池容量利用率。
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电池模块间均衡采用交流功率母线拓扑结构实现电池模块之间的能量均衡,如图2所示。将多台均衡器的交流输出并联到同一个公共母线上,达到共用交流侧传输功率的目的。
当电池簇中出现电压偏高和偏低的电池模块时,通过控制通断其对应的DC/AC逆变器模块,将电压值偏高的直流电压经逆变成交流方波到公共交流母线上,而对于电压值偏低的电池模块来说,其连接均衡器接收从交流母线上来的交流方波,并工作在同步整流状态,从而完成调节高电压电池模块向低电压电池模块传输多余能量的均衡过程[4]。
此方案有多个优点:(1)并联条件。利用与多逆变电源并联运行的类似机制,各个模块的输出交流频率、相位一致,而幅值由各自的电池电压决定;(2)功率方向。本方案并不要求所有并联的模块统一向负载输出功率,恰相反,这里利用的是相互模块间的压差造成的环流进行均衡;(3)控制器。均衡模块由专有均衡控制器进行控制,原始控制信号来源于BCMS,由BCMS完成电池模块电压、SOC的监测,均衡策略的运行,均衡器的投入和切除,而功率流向由电池压差自行决定,不受BCMS和均衡控制器控制;(4)硬件控制。均衡器内部为全硬件控制,没有采用单片机或DSP等芯片,可靠性高;(5)信号同步。各均衡器的交流侧采用相同频率、相位的方波,利用通信线实现同步工作。均衡模块采用推挽双向DC/AC拓扑图,如图3所示:
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为保证均衡环流只与电池电压有关,并考虑到同步协调工作,这里假设各均衡器模块工作频率f、相位φ都完全相等。以4个均衡器模块为例,电池模块经均衡器逆变后的方波等效为方波电压源U1~U4,电池内阻和线路阻抗等效为Z,简化电路图如图4所示。
方波电压经傅里叶变换后,可得不同奇次正弦波分量,以正弦基波为例进行分析。叠加定理,可得各均衡模块输出的基波电流为:
((1)) ((2)) ((3)) ((4)) 在各均衡器电路的一致性较好的情况下,假设各电池模块的内阻和线路阻抗相等,即Z1=Z2=Z3=Z4=Z,那么可得到如下简化公式:
((5)) ((6)) ((7)) ((8)) 由上述公式可看出,基波电流的方向只与基波电压差值的正负有关。当3U1-U2-U3-U4>0,I1为正值,表明1号电池向外输出功率,处于均衡放电状态;当3U1-U2-U3-U4<0,I1为负值,表明1号电池接收其它电池传来的功率,处于均衡充电状态;当3U1-U2-U3-U4=0时,电池达到理想均衡状态。同理可分析得到:其它次谐波也与基波相似,其电流方向也只与谐波电压差有关,且相位与基波一致,只是在电流幅值大小上比例系数各不相同。经合成后得到的方波电流方向仍满足以上公式,推广后得到n个均衡模块同步运行时,第k个电池模块对应的均衡器电流可表达为:
((9)) 多模块同步运行时,各均衡器必须满足工作频率、相位一致的运行条件,均衡电流根据电池压差自动调节其方向为充电还是放电,最终达到均衡状态。均衡控制器与BCMS协调工作,通过设置压差阈值来启动或停止均衡器模块工作,可控制实现2台并联运行(如最高电压和最低电压的电池)或数台并联运行,对容量扩展和控制策略改变非常方便。