电源技术中的多电池组储能系统双向DC-DC变换器的研制

摘要：介绍了多电池组储能系统中常用几种电池充放电变换器的主电路拓扑和工作原理，并对与电池连接的双向DC-DC 变换器的控制策略进行了研究。研制了一台由3 路双向DC-DC 变换器和1 路双向PWM 变流器构成的电池充放电系统，功率为120 kW,能满足3 路电池的独立充放电要求。在锂电池储能系统中的实验结果表明，研制的双向DC-DC 变换器，具有电池充电、电池放电、孤岛运行和电池互充放电等多种功能，而且充电电流纹波电流小于0.5%,波形平滑，可适用于多组，宽范围电压的电池组的充放电要求。 　　0 引言 　　在当今全球绿色能源、节能减排战略中，不仅把风力发电、太阳能发电、生物发电和核能发电技 电源技术在多电池组储能系统中的应用至关重要，特别是在全球绿色能源和节能减排的背景下，储能系统作为新能源和智能电网的关键组成部分，扮演着储能和调峰填谷的角色。电池储能系统主要由电池和充放电变换器两大部分组成，其中，电池是能量的核心存储介质，而双向DC-DC变换器则是能量转换的关键。 双向DC-DC变换器的主要任务是实现电能的双向流动，既能将电网电能转化为电池所需的直流电进行充电，也能将电池储存的电能逆向输送回电网或用于负载供电。在本研究中，设计了一种由3路双向DC-DC变换器和1路双向PWM变流器组成的电池充放电系统，总功率达到120 kW，能够独立满足3组电池的充放电需求。 这种变换器系统的工作原理基于不同的主电路拓扑，例如文中提及的多重化双向DC/DC变换器和双向双全控桥DC/DC变换器。其中，双向双全控桥DC/DC变换器因其电池和直流母线的隔离以及单相全控桥结构而被广泛研究，但其开关器件较多，控制电路复杂，且由于高频变压器的限制，不适用于大功率系统。而双极性控制的全桥SPWM双向变流器采用单相拓扑，具有较高的开关频率，有利于减小体积和提高效率。 在实际应用中，为了降低成本和提高系统性能，选择了一种由多个DC-DC变换器和一个PWM双向并网变流器构成的主电路拓扑。这样的设计使得电池端可以根据电池组数量灵活配置DC-DC变换器，同时通过PWM双向并网变流器来保持直流母线电压的稳定，实现能量与电网的双向交换。 在实验验证阶段，研制的双向DC-DC变换器在3组锂电池储能系统中表现出了优异的性能，具备电池充电、放电、孤岛运行和电池之间的互充放电功能。充电电流纹波电流小于0.5%，确保了电能质量，适合于不同电压范围的多组电池组充放电需求，体现了其广泛的应用潜力和适应性。 本文深入探讨了多电池组储能系统中双向DC-DC变换器的设计与控制策略，提出了一种高效、灵活且经济的解决方案。这一研究不仅有助于提升电池储能系统的整体性能，也为未来智能电网和可再生能源系统中储能技术的发展提供了理论和技术支持。