CN103956761A - 一种大规模能量回收动力电池组测试设备的混合微网系统 - Google Patents

Abstract

本发明的大规模能量回收动力电池组测试设备的混合微网系统，包括被测试的动力电池组和交流电网，还包括测试单元、直流变压单元、交流变压单元、直流母线和储能单元；所述测试单元连接于动力电池组与直流母线之间，包括双向DC/DC变换组件，用于动力电池组与直流母线间电压匹配。有益效果在于，所提出的系统组成改变了当前动力电池组生产厂家中普遍采用的动力电池组测试并网交流微网发电系统，有利于测试设备变流器的设计（相对于当前的两级变流器+滤波器结构，其主要由一级变流器组成）。同时设置了储能电池组和超级电容组，维系了直流微网中高低压侧直流母线电压的稳定，实现能量互补和支撑作用。

Description

一种大规模能量回收动力电池组测试设备的混合微网系统

技术领域

本发明属于动力电池测试能量回收技术领域，涉及一种大规模能量回收动力电池组测试设备的混合微网系统。

背景技术

随着我国电动汽车相关技术的快速发展，电动汽车用动力蓄电池组的性能成为了影响电动汽车能否成功推广的关键因数，目前我国已经成为了电动车用动力电池的最大生产国，电池生产厂家已经达到了700～800家。由于电池组生产后需要对其的性能进行评估，因此需要对电池组进行充放电测试。为了达到高的测试精度，目前国内大多数电池生产企业在充电测试时使用电网电能，放电测试时将测试用的功率器件工作在线性放大区，采用大功率电阻作为放电负载，因此，在此过程中绝大部分的放电测试能量都被白白浪费掉了。直到现在，我国电池生产厂家每天还在大量的浪费电能。据深圳子木公司相关数据统计，光是电池充放电测试，每年耗费电能73600万度，直接经济损失达到5.18亿元。

为了解决上述问题，以美国Aerovomental、必测公司和德国Arbin、迪卡龙(Digatron)公司为代表开发了一种能量回收型的电池组测试设备，该设备设计思想是将动力电池组放电测试的电能进行升压并网进而实现高效的回收，在实现大功率动力电池组测试的同时，也大大的节约了电能。初步估计采用该技术的设备单个厂家每年几百万的电费，而与此形成对比的是成本只需要几十元。因此，采用能量回收型的电池测试系统（Energy RecoveryPower Accumulator Battery Pack Testing System-ERPABPTS）是十分紧迫且必要的，我国目前也有了一些企业开发了类似的产品，但目前大多还处于学习和仿制阶段，与此截然相反的是，大规模组网节能型动力电池组测试系统却在我国应用较少，只是在一些较大规模有实力的厂家中应用，究其原因主要有以下三个方面：

原因之一：ERPABPTS设备的研发单位大多侧重于测试设备本身拓扑、并网逆变器控制方法的研究，或者是单一的电源测试设备接入方面的研究工作，从多测试设备、大容量、高渗透率组网的角度方面还未形成系统的研究方法和技术，未能从系统组网能量回馈效率最优方面考虑。

原因之二：由于ERPABPTS组成的局部微网发电系统单机容量大，目前已知的单台设备最大功率可做到250kW，因此接入渗透率较高，在与主网脱离或接入瞬间，可能导致主网电压跌落或者上升，对主网（AC380V）的稳定运行容易产生较大的影响，另外如果设备控制的不好，容易产生较大的谐波，很有可能周边设备正常运行产生影响。而且目前的测试设备没有防孤岛运行功能，在这些影响因素尚未明确，接入时暂态特性不明确，发电设备相关接入标准也尚未健全的情况下，电力部门禁止该类型设备并接入主电网。

原因之三：与传统的分布式发电系统不同，电池生产厂中存在集中的大量的使用不同拓扑结构、不同功率等级的单/三相并网发电设备，各种负载。其组成了一种复杂的、特殊的微网结构，如图1所示。其中，单个测试设备微源变流器内部主要由两部分组成，一个是双向DC/DC变流器，主要负责实现大电流充放电测试；一个双向AC/DC变换器，主要实现单位功率因数的整流/逆变控制，实现与电网能量的双向流动。双向DC/DC变流器和AC/DC变流器拥有共同的直流母线，这种结构需要进行两级变换，效率较低，不能实现电网能量的高效利用，有的变流器采用效率低、体积大的工频变压器作为与网侧的接口，测试设备的整体效率就更低了，往往还达不到70%，但是价格却比较昂贵，目前已知的200kW的Aerovomental公司的双通道测试设备AV900，卖价达到了120万左右，125kW的ABC-150达到80万左右，这也是使得电池生产厂家放弃大规模的购买和使用。

由于上述原因，研究高效、节能、价格低廉、可靠性高的整套动力电池测试系统成为了我国电池生产测试行业的迫切需求，它的诞生将每年为我国节约上亿元的电费。

当前普遍采用的基于ERPABPTS的多变流器交流微网系统组成如图1所示，以三相并网动力电池组测试设备为例，工作原理如下：进行放电测试时，动力电池组首先通过一个双向的DC/DC变换器，在实现高精度放电测试时，将DC/DC变换器工作在升压模式，使得输出侧直流母线电容端电压升高，为了将这部分能量回收再利用，直流母线侧增加了一个DC/AC并网变流器，将直流侧电容的存储能量逆变并网，以达到节能的目的。需要充电测试时，动力电网AC380V经过AC/DC变流器实现单位功率因数升压整流，然后经由双向DC/DC变换器实现降压斩波充电控制。因此，图1中的AC/DC/DC是一个组合变流器，当前动力电池企业中大量使用的这种电池测试设备组成了一个交流微网发电系统。

图1中可以看出，该交流型微网中，既有储能设备，也有测试系统并网发电设备。该测试系统单元可以工作于多种模式（比如恒流、恒压、恒功率的充/放电等）。测试系统和微网之间的能量可以双向流动，因此ERPABPTS可有三种状态：停止工作、微网向ERPABPTS供电、ERPABPTS向微网馈能。此外，并网功率也是随放电测试电流的指令值大小变化的，并网设备的容量也有很大的差别，大的到上百千瓦，小的只有几个或几十个千瓦，而且图1所示的系统中需要对各微源变流器并联输出交流母线的电压的相位和频率进行跟踪，并网接入和孤岛运行是也存在着同样的问题。因此，该交流微网系统组成具有工作模式多样、多测试变流器并联带来的协调控制、系统中储能设备与并网电池组测试设备共存，小功率与大功率并存、单相与多相并存等特点，情况较为复杂。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的动力电池组测试回收技术中交流微网系统工作模式多样、多测试交流器并联协调控制难度大、小功率与大功率并存以及单相与多相并存等不足，提出了一种大规模能量回收动力电池组测试设备的混合微网系统。

本发明的技术方案为：一种大规模能量回收动力电池组测试设备的混合微网系统，包括被测试的动力电池组和交流电网，其特征在于，还包括测试单元、直流变压单元、交流变压单元、直流母线和储能单元；所述测试单元连接于动力电池组与直流母线之间，包括双向DC/DC变换组件，用于动力电池组与直流母线间电压匹配；所述直流变压单元连接于直流母线与储能单元之间，包括双向DC/DC变换组件，用于储能单元与直流母线间电压匹配；所述交流变压单元连接于交流电网与直流母线之间，包括双向DC/AC变流器，用于直流母线与交流电网之间电压匹配；交流电网与交流变压单元之间串联有用于切断二者连接的开关。

进一步的，所述混合微网系统包括多组动力电池组和用于连接动力电池组与直流母线的测试单元。

进一步的，交流电网包括单相电网和三相电网，直流母线包括高压直流母线和低压直流母线；高压直流母线连接功率较大的测试单元，并通过双向DC/AC变流器与三相电网相连接；低压直流母线连接功率较小的测试单元，并通过双向DC/AC变流器与单相电网相连接。

进一步的，所述开关由存储单元的状态控制，使充放电测试过程的对象首选储能单元。

进一步的，所述单相电网与三相电网相连接实现能量交换。

进一步的，所述高压直流母线和低压直流母线之间连接有双向DC/DC变流器，用于二者的电压匹配和高低压侧直流母线中能量的双向传输。

本发明的有益效果：本发明的大规模能量回收动力电池组测试设备的混合微网系统针对我国动力电池测试领域的特点，揭示了系统中微源型变流器测试功率的变化和工作模式转换对高低压侧直流母线电压幅值的影响规律。所提出的系统组成改变了当前动力电池组生产厂家中普遍采用的动力电池组测试并网交流微网发电系统，有利于测试设备变流器的设计（相对于当前的两级变流器+滤波器结构，其主要由一级变流器组成）。同时设置了储能电池组和超级电容组，维系了直流微网中高低压侧直流母线电压的稳定，实现能量互补和支撑作用。与现有技术相比，本发明的系统具有以下优点：变流器拓扑结构简单，仅由双向DC/DC充放电测试变流器组成，与当前的大量使用的DC/DC/AC两级变流器设备相比，能量回收效率更高，并且不存在幅值和相位同步的问题，系统更加可靠。根据电池组测试设备的功率等级和电压测试范围及精度要求，设计了一种分层直流母线电压结构，该结构降低了DC/DC变流器中功率器件的开关应力，实现了宽电压范围测试，同时保证了更高的测试精度。项目从系统的角度来考虑动力电池组测试设备的接入和配置，以达到系统级的节能效果最优，而传统的方案，仅仅从测试设备本身的拓扑和并网控制策略来考虑，未能考虑大规模测试设备接入的能量管理和优化问题。为满足大范围测试设备的功率等级需求，提出一种直流母线电压分层连接的交直流混合微网结构。这种结构将大功率测试设备并接在高压直流母线侧，相对较小功率的测试设备并接在低压直流母线侧，高低压直流母线之间设计了一个双向的DC/DC变换器，提供了高低压侧的能量传输通道，减少了传统方法中能量传输过程数，有利于从系统的角度实现测试节能效果最优。设计了一种分层直流母线电压结构，该结构降低了DC/DC变流器中功率器件的开关应力，实现了宽电压范围电池测试，同时保证了更高的测试精度。

附图说明

图1基于ERPABPTS的多变流器交流微网系统组成

图2基于能量回收的动力电池组测试系统大规模组网系统组成。

图3基于ERPABPTS的多变流器直流分层微网系统结构框图

图4项目提出的方案(a)和传统方案(b)在测试过程中的功率流对比

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。

如图2及图3所示，本实施例的大规模能量回收动力电池组测试设备的混合微网系统，包括被测试的动力电池组、网侧负载和交流电网，还包括测试单元、直流变压单元、交流变压单元、直流母线和储能单元；所述测试单元连接于动力电池组与直流母线之间，包括双向DC/DC变换组件，用于动力电池组与直流母线间电压匹配；所述直流变压单元连接于直流母线与储能单元之间，包括双向DC/DC变换组件，用于储能单元与直流母线间电压匹配；所述交流变压单元连接于交流电网与直流母线之间，包括双向DC/AC变流器，用于直流母线与交流电网之间电压匹配；交流电网与交流变压单元之间串联有用于切断二者连接的开关。

优选方案，上述混合微网系统包括多组动力电池组和用于连接动力电池组与直流母线的测试单元。该优选方案通过直流母线将多个测试单元和储能单元连接成一个局域网络，可应用于测试车间在地里位置上分离的场合，适合工业园区等产业集中地区的组合使用。能量在局域网络中传输时直接对象为储能单元，避免了对电网的过度参与和干扰，特别适用是连续充放电测试或网内同时充放电测试。

为了适应各种功率规模的系统测试需求，本实施例的交流电网包括单相电网和三相电网，直流母线包括高压直流母线和低压直流母线；高压直流母线连接功率较大的测试单元，并通过双向DC/AC变流器与三相电网相连接；低压直流母线连接功率较小的测试单元，并通过双向DC/AC变流器与单相电网相连接。上述高压、低压或功率较大、功率较小均为相对概念。通过对测试时功率规模的细分，降低了系统成本。所述开关由存储单元的状态控制，使充放电测试过程的对象首选储能单元。由于实现上述功能的控制方法较为常规，所以在此不在重复。所述单相电网与三相电网相连接实现能量交换。

下面结合具体应用实例对本发明做进一步详述：动力电池组生产厂家中动力电池组测试系统组网为例，本发明实施例提出一种基于ERPABPTS的大规模变流器交直流混合微网系统架构。从图2中可以看出，如果以每一个测试分厂为单元模块，在本发明的方案中具体为动力电池组以及用于连接动力电池组和直流母线的测试单元，各个测试分厂组成了一个交流微网发电系统，如果从测试分厂单元模块内部来看，其组成了一个直流母线电压分层直流微网发电系统（如图3所示）。因此，图2实际上是一个具有交流微网和直流微网的混合微网系统。

图3中各测试分厂中的微源型变流器（本发明方案中为双向DC/AC变流器）作为与动力电网（交流电网）的接口，图3中显示了单个测试分厂内部结构组成了一个直流微网系统，该系统由两层直流母线组成，分别为高压直流母线和低压直流母线，根据并网测试系统设备的功率等级来决定其并联在哪一级，大功率测试设备并联在高压侧，小功率测试设备并联在低压侧。低压直流母线侧和高压直流母线侧分别与待测动力电池组通过双向DC/DC变换器实现能量的交互。高/低压直流母线之间采用双向DC/DC变流器相连接。系统中高/低压直流母线侧分别设置了储能系统，以实现对能量的缓冲与维持直流母线电压的稳定。为了防止由于待测电池组变流器工作模式、测试电流等的改变带来的工作直流母线电压的瞬间跌落、闪变等问题，项目提出的方案中采用了超级电容组，充分利用其瞬间大电流充放电接受和释放能力，来对维系高/低压直流母线侧电压稳定的暂态需求。

以下为本系统与现有的基于ERPABPTS的交流微网发电系统结构/性能/功能等对比：

对比传统的基于ERPABPTS的交流微网发电系统，图2和图3中提出的交直流混合微网系统具有如下四个方面的优点：

1）如图4中A和B所示，传统的ERPABPTS微源变流器内部由DC/DC和DC/AC两级复合而成，属于两级变换，而项目中的微源型变流器内部由DC/DC变换器一级组成，因此，在动力电池组测试精度和测试能量回馈效率方面具有较大的优势，另外，由于结构简化，测试设备的软件量较低、可靠性也大为提高。

2）传统的ERPABPTS微源变流器需要实现与主网的电压幅值和相位保持同步，另外，为了降低并网电流谐波含量，往往需要复杂的接入滤波器和控制算法，较为复杂，而本项目中只需要控制直流母线电压，不牵涉同步问题，控制方式较为简化。

3）项目提出的混合交直流微网结构，待测动力电池组之间能量的交互可在直流母线层一级完成，而传统的交流微网中的变流器则必需从主网一级完成，如图4中蓝色箭头所示，故传统方案中间过程较多、效率低、变流器结构复杂、系统总的能量利用效率较低。

4）能量优化尽量在直流微网内部完成，例如，有电池组做充电测试，有的在进行放电测试，此时无需向传统方案中经由主网两级完成，可实现内部能量之间均衡的直接控制，与主网的DC/AC变流器参与频率较低。

以下为上述实施例的系统的工作原理：

从图2中可以看出，由该能量回收动力电池组测试系统组成的直流微网系统含有两个子直流微网系统。以图3中高压侧直流微网系统为例，其工作模式可概括如下：

情况（1）：当直流微网中微源型变流器（动力电池测试设备）处于放电测试模式时，动力电池组经双向DC/DC斩波器在实现高精度电流放电测试的同时，将放电能量释放到直流母线中，由于系统中另有部分测试设备可能工作在充电模式，此时高压直流母线电压经双向DC/DC变换器实现降压对动力蓄电池组充电测试控制。于是系统中既有充电工作模式设备，也有放电模式设备，直流母线电压将根据其总的放电功率（P_放）充电功率（P_充）之差来决定，当放电功率大于充电功率即P_放>P_充时，直流母线电压升高，为了维持高压侧直流母线电压的稳定，剩余的能量（Δ（P_放-P_充））将经由双向DC/DC变换器对储能系统中电池组和超级电容组充电，实现能量的暂存，降低直流母线电压的上升，此时直流微网与动力电网脱离。

情况（2）：情况（1）中，当储能电池组和超级电容组能量存储满时，则主电网切入，将剩余部分能量经过双向DC/AC变流器实现并网发电，完成对直流微网对动力电网馈能控制。

如果总的放电功率小于总的充电功率，即P_放<P_充时，这将导致直流母线电压的降低，为了维持高压侧直流母线电压的稳定，同样，超级电容组瞬间升压放电，以维系直流母线电压的闪落，然后储能电池组将通过双向DC/DC变换器向直流母线供电，以补充能量的不足，此时直流微网与动力电网脱离。

情况（2）中，当储能电池组及超级电容组放电达到欠压设定值即能量还不足时，动力电网切入，并将通过AC/DC变流器实现单位功率因数的整流控制，对直流母线供电，实现能量的补充。

为尽量减小主网的接入与孤岛之间的运行切换频率，以及提高储能电池组的使用寿命，在该混合直流微网系统中的高压直流母线侧和低压直流母线中设置了双向DC/DC变流器，实现高低压侧直流母线之间能量的双向流动。

图2中当系统从孤岛向并网过渡时，交流母线电压会出现波动，此时控制双向DC/DC变换器，使用超级电容放电补偿电压跌落储能蓄电池组瞬间不出力的情况，逐渐减小超级电容出力，增大蓄电池出力，直至达到稳定运行时停止超级电容放电DC/DC变换器，仅用储能系统中的蓄电池出力。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种大规模能量回收动力电池组测试设备的混合微网系统，包括被测试的动力电池组和交流电网，其特征在于，还包括测试单元、直流变压单元、交流变压单元、直流母线和储能单元；所述测试单元连接于动力电池组与直流母线之间，包括双向DC/DC变换组件，用于动力电池组与直流母线间电压匹配；所述直流变压单元连接于直流母线与储能单元之间，包括双向DC/DC变换组件，用于储能单元与直流母线间电压匹配；所述交流变压单元连接于交流电网与直流母线之间，包括双向DC/AC变流器，用于直流母线与交流电网之间电压匹配；交流电网与交流变压单元之间串联有用于切断二者连接的开关。

2.根据权利要求1所述的大规模能量回收动力电池组测试设备的混合微网系统，其特征在于，所述混合微网系统包括多组动力电池组和用于连接动力电池组与直流母线的测试单元。

3.根据权利要求1或2所述的大规模能量回收动力电池组测试设备的混合微网系统，其特征在于，交流电网包括单相电网和三相电网，直流母线包括高压直流母线和低压直流母线；高压直流母线连接功率较大的测试单元，并通过双向DC/AC变流器与三相电网相连接；低压直流母线连接功率较小的测试单元，并通过双向DC/AC变流器与单相电网相连接。

4.根据权利要求3所述的大规模能量回收动力电池组测试设备的混合微网系统，其特征在于，所述开关由存储单元的状态控制，使充放电测试过程的对象首选储能单元。

5.根据权利要求4所述的大规模能量回收动力电池组测试设备的混合微网系统，其特征在于，所述单相电网与三相电网相连接实现能量交换。

6.根据权利要求1-5之任一项权利要求所述的大规模能量回收动力电池组测试设备的混合微网系统，其特征在于，所述高压直流母线和低压直流母线之间连接有双向DC/DC变流器，用于二者的电压匹配和高低压侧直流母线中能量的双向传输。