周 友，吳 峂，牛建娜，趙璐璐，范玉建

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應(yīng)用于煤礦井下應(yīng)急電源的電池電子標(biāo)準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)

周 友，吳 峂，牛建娜，趙璐璐，范玉建

（北京低碳清潔能源研究所，北京 102209）

鑒于目前國內(nèi)只有48 V鋰離子電池組能夠通過安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的現(xiàn)實(shí)情況，標(biāo)準(zhǔn)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)不能被直接用來為幾百伏額定電壓的電機(jī)/泵類電器負(fù)荷提供應(yīng)急電源。本文開發(fā)了一種名為電池電子標(biāo)準(zhǔn)單元的模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以將48 V的電池/變頻器模塊以即插即用的形式根據(jù)負(fù)荷的實(shí)際需要整合到一起。該系統(tǒng)提供了一種新穎的、集成的電池及電力電子系統(tǒng)控制構(gòu)架，該構(gòu)架能夠在不使用額外的電池管理系統(tǒng)（BMS）的情況下構(gòu)建穩(wěn)定可靠的儲(chǔ)能系統(tǒng)。基于上述概念，一種新穎的、被定義為能源計(jì)算機(jī)的分布式能源系統(tǒng)構(gòu)架被本文提出并與普通個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行了類比說明。

電池電子標(biāo)準(zhǔn)模塊（BEBB）；儲(chǔ)能；應(yīng)急電源應(yīng)用；蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)；能源計(jì)算機(jī)；能源操作系統(tǒng)（EOS）

作為國內(nèi)典型的工業(yè)配電網(wǎng)，煤礦供電系統(tǒng)通常采用雙電源/雙回路構(gòu)架為重要負(fù)荷供電，即以高資本投入和高維護(hù)費(fèi)用換取供電的安全性和可靠性。伴隨著主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，特別是越來越多分布式電源點(diǎn)的加入，使得通過其它替代方案滿足以煤礦電網(wǎng)為代表的重要配電網(wǎng)的安全性和可靠性標(biāo)準(zhǔn)要求成為可能。作為世界最大的煤炭生產(chǎn)企業(yè)及中國主要的一次能源供應(yīng)商，神華集團(tuán)一直積極推進(jìn)主動(dòng)配電網(wǎng)及其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。從系統(tǒng)集成及技術(shù)應(yīng)用的角度來說，由于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)應(yīng)急電源、功率質(zhì)量管理、分布式發(fā)電平滑以及削峰填谷等多種功能，因而已經(jīng)成為神華集團(tuán)重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域之一。

在所有的電池技術(shù)當(dāng)中，鋰離子電池已經(jīng)被證實(shí)在實(shí)際應(yīng)用方面具有最好的技術(shù)成熟度以及性價(jià)比[1-4]。為達(dá)到電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)所需的電壓等級(jí)，需要將大量的電池單體串聯(lián)起來使用，因此也導(dǎo)致了人們對(duì)其安全性能方面的擔(dān)憂。目前典型的解決方案是將幾百個(gè)電池單體串聯(lián)使用以獲得幾百伏的電壓輸出[5]。但是，由于中國煤礦行業(yè)的安全標(biāo)準(zhǔn)不允許使用超過48 V的鋰離子電池系統(tǒng)，因而基于大規(guī)模串聯(lián)使用的解決方案在煤礦行業(yè)實(shí)際應(yīng)用中受到了很大限制。

在現(xiàn)有電力電子標(biāo)準(zhǔn)模塊（PEBB）概念的啟發(fā)下，本文提出了一種名為電池電子標(biāo)準(zhǔn)模塊（BEBB）的全新概念，并基于此概念給出了具體的解決方案：① 本方案的主要優(yōu)勢(shì)在于可以提供基于低壓電池模塊的“即插即用”構(gòu)架，因此可以輕松實(shí)現(xiàn)低成本、高可靠性的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)建；② 由于在模塊級(jí)別集成了變流器控制和電池管理系統(tǒng)，因而可以在系統(tǒng)級(jí)別輕松實(shí)現(xiàn)具有高度靈活性和可擴(kuò)展性的全分布式控制構(gòu)架；③ 本概念還可以向外延展到面向更廣闊應(yīng)用的一種標(biāo)準(zhǔn)化的能量內(nèi)存單元；④ 基于與傳統(tǒng)個(gè)人計(jì)算機(jī)的對(duì)比，本研究還提出了能源計(jì)算機(jī)的概念；⑤ 能源計(jì)算機(jī)的概念重新定義了面向未來能源互聯(lián)網(wǎng)的分布式能源系統(tǒng)的構(gòu)架，同時(shí)也為未來的智能能源系統(tǒng)拓展了更為廣闊的發(fā)展空間。

1 煤礦應(yīng)用

1.1 應(yīng)用背景

為避免高濃度瓦斯氣體在井下采掘工作面的聚集，井下的通風(fēng)機(jī)通常被強(qiáng)制要求采用持續(xù)工作方式且其停機(jī)時(shí)間不得超過5 s。

1.2 現(xiàn)有方案

為滿足上述要求，現(xiàn)有煤礦電源系統(tǒng)一般都會(huì)采用如圖1所示的雙電源/雙回路/雙風(fēng)機(jī)配置方式。為確保雙電源的獨(dú)立性，第二電源通常需要經(jīng)過長距離電纜與遠(yuǎn)方的變電所相連。這種冗余設(shè)計(jì)方式可以有效避免單點(diǎn)故障，但其也帶來了投資和維護(hù)成本高以及使用率不足（低于5%）等問題。

1.3 基于BESS的方案

為有效節(jié)約成本，本文提出的基于BESS的解決方案如圖2所示。由于在本地安裝了BESS系統(tǒng)，第二電源點(diǎn)的建設(shè)及其傳輸線路的相關(guān)投資都可以被節(jié)約，從而大大降低了系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行成本。

2 BEBB設(shè)計(jì)

目前，針對(duì)井下礦用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，其不能使用單體容量超過60 A·h、總電壓超過48 V的鋰離子電池包。除此之外，系統(tǒng)之間的并聯(lián)使用也是不推薦采用的。煤礦通風(fēng)機(jī)負(fù)荷的額定電壓為400 V。

為應(yīng)對(duì)上述嚴(yán)格的系統(tǒng)要求，本研究提出并設(shè)計(jì)了電池電子模塊單元（BEBB）。圖3所示為BEBB的系統(tǒng)構(gòu)架及其與BESS的關(guān)系。

BEBB的方案設(shè)計(jì)是基于輸入/輸出通過多繞組隔離變壓器共直流母線的多電平H橋電路實(shí)現(xiàn)的。其電路示意如圖4(a)所示。

與如圖4所示的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案相比，本設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)為：① 模塊化設(shè)計(jì)；② 極低的電網(wǎng)側(cè)諧波；③ 比傳統(tǒng)H橋設(shè)計(jì)低得多的電池電流紋波；④ 由電池模組所含的電池單體減少帶來的更好的控制性能；⑤ 結(jié)合BMS與PCS控制的電池參數(shù)在線辨識(shí)算法；⑥ 即插即用的特性；⑦點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的控制結(jié)構(gòu)；⑧極低的開關(guān)損耗；⑨高容錯(cuò)設(shè)計(jì)；⑩ 由低電池模組電壓帶來的高安全性和可靠性； 更低的維護(hù)成本； 更易實(shí)現(xiàn)的防爆設(shè)計(jì)。

基于BEBB構(gòu)架，電池管理系統(tǒng)可以被簡(jiǎn)化，并與PCS控制集成到一起。其設(shè)計(jì)示意圖如圖5所示。基于輸入直流側(cè)多并聯(lián)H橋單元的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，額定工況下電池輸出電流的紋波可以被控制在0.2%以下。為更準(zhǔn)確地計(jì)算電池的SOC和SOH，本設(shè)計(jì)提出了一種用于電池參數(shù)在線辨識(shí)的0.2～800 Hz高頻注入算法。上述簡(jiǎn)化的在線電化學(xué)阻抗分析算法如圖6所示。

在PCS控制實(shí)現(xiàn)方面，圖6所示的控制方法可以被看作是圖7所示的基于無速度傳感器的經(jīng)典高頻注入電機(jī)控制方法的另一種應(yīng)用方式。其唯一的不同點(diǎn)在于高頻注入的對(duì)象從電機(jī)變?yōu)殡姵亍?/p>

3 系統(tǒng)仿真

本設(shè)計(jì)提出一種更為通用的電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)（圖8）。其電路拓?fù)錇橹绷鱾?cè)共享電池輸入的級(jí)聯(lián)式多電平H橋變流器。其輸出經(jīng)由多繞組變壓器的輸入側(cè)進(jìn)行串聯(lián)，從而可以在變壓器的輸出側(cè)得到2+1的電壓波形。

圖9所示為在PSIM中建立的11級(jí)BEBB仿真模型，其負(fù)載為阻性負(fù)荷，電源系統(tǒng)由電網(wǎng)和BEBB構(gòu)成。

系統(tǒng)中共有15個(gè)H橋在輸入側(cè)并聯(lián)且交流輸出側(cè)的每一相由5個(gè)H橋經(jīng)由變壓器單獨(dú)的輸入繞組串聯(lián)組成。此電路拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)為：① 由直流輸入帶來的諧波將會(huì)在H橋電路中相互抵消，從而使得輸入側(cè)電流具有極低的諧波（小于0.2%），如圖10中的第一組和第二組波形所示；② H橋交流輸出側(cè)的電壓諧波也會(huì)經(jīng)由多繞組變壓器相互抵消，從而確保輸出電壓具有極低的諧波（小于10%），如圖10中的第三組波形所示；③ 得益于級(jí)聯(lián)式多電平電路拓?fù)涞氖褂?，變流裝置的開關(guān)頻率僅為400 Hz，而其等效開關(guān)頻率為4000 Hz。

第一組波形—直流電流（60 A），總負(fù)載電流（藍(lán)色），電網(wǎng)電源輸出電流（紅色），BEBB 輸出電流（綠色）；第二組波形—放大的直流電流（min：58.85，max：59.1，?<0.5%）；第三組波形—濾波器前端的11級(jí)變流器輸出波形；第四組波形—每個(gè)直流模塊的調(diào)制波形（400 Hzsw）

圖10 正常工況下的仿真結(jié)果

Fig.10 Simulation results at nominal condition

除上述內(nèi)容外，本研究還對(duì)頻率注入功能進(jìn)行了仿真，其結(jié)果證明了這一方法的有效性以及其針對(duì)0.2～800 Hz寬頻率范圍的適用性。具體仿真結(jié)果如圖11所示。

（f）阻抗圖譜曲線

圖11 應(yīng)用于鋰離子電池的頻率注入算法的阻抗曲線

Fig.11 Impedance spectrums for lithium-ion battery based on frequency injection

通過對(duì)電池系統(tǒng)阻抗的在線辨識(shí)，可以進(jìn)一步開發(fā)更為復(fù)雜的算法以獲得更為準(zhǔn)確的電池SOC及SOH。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

9級(jí)3 kW的BEBB樣機(jī)效果示意圖如圖12所示，其輸出側(cè)有4臺(tái)三相變壓器串聯(lián)組成。級(jí)聯(lián)H橋電路采用如圖13所示的全PCB化設(shè)計(jì)，其由4套使用分離MOSFETs器件搭建的完全相同的電路構(gòu)成。

單臺(tái)原型機(jī)如圖14所示，原型機(jī)為500 Hz的開關(guān)頻率并采用主動(dòng)冷卻。原型機(jī)系統(tǒng)配置為4臺(tái)并聯(lián)后作為應(yīng)急電源驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)負(fù)荷。

5 BEBB的并聯(lián)運(yùn)行

為避免主從設(shè)計(jì)和下垂設(shè)計(jì)帶來的問題，本研究開發(fā)了一種使用DDS（data distribution service）現(xiàn)場(chǎng)信息總線的通用逆變器并聯(lián)運(yùn)行算法，其具體內(nèi)容如圖15所示。

針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分配服務(wù)是一種機(jī)器對(duì)機(jī)器的中間設(shè)備對(duì)象管理組織標(biāo)準(zhǔn)，其目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的、實(shí)時(shí)的、可靠的、高性能的發(fā)布方與接收方之間的協(xié)作數(shù)據(jù)交換。DDS主要面向以金融交易、航空流量控制、智能電網(wǎng)管理為代表的大數(shù)據(jù)需求。該標(biāo)準(zhǔn)主要被應(yīng)用于智能手機(jī)操作系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、軟件控制無線電以及醫(yī)療領(lǐng)域。DDS還可能被應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的特定應(yīng)用。

在DDS領(lǐng)域，一家名為 RTI的公司在市場(chǎng)上占有主導(dǎo)地位。該公司曾在2014年9月被福布斯評(píng)為在該領(lǐng)域最具影響力的公司如圖16所示。

圖17給出了基于BEBB系統(tǒng)運(yùn)行的更為通用的RTI_DDS系統(tǒng)架構(gòu)。通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式控制構(gòu)架的引入，該構(gòu)架為基于能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的非集中式功率/能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了一條新的出路，使得此類系統(tǒng)能夠被構(gòu)建在分布式發(fā)電、分布式儲(chǔ)能以及分布式負(fù)荷的集成系統(tǒng)基礎(chǔ)上。

6 能量計(jì)算機(jī)概念的提出

由于基于分布式智能平臺(tái)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，即便沒有人能夠準(zhǔn)確地指出或者預(yù)言分布式系統(tǒng)將怎樣改變我們的世界，儲(chǔ)能系統(tǒng)及分布式功率/能源系統(tǒng)都已經(jīng)成為了未來能源互聯(lián)網(wǎng)研究的關(guān)鍵領(lǐng)域[6-9]?；贐EBB概念，本文在業(yè)內(nèi)首先提出了一種類比于以個(gè)人電腦（PC）為代表的分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的未來分布式能源系統(tǒng)。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)非集中式構(gòu)架的基本理論由馮諾伊曼提出，其主要包含五個(gè)基本元素：數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、算法以及控制器。其中最后兩項(xiàng)內(nèi)容可以被合并稱作中央處理單元（CPU），系統(tǒng)的示意圖如圖18(a)所示。

與上述個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)類似的是，本文提出的面向未來分布式能源互聯(lián)網(wǎng)的基本非集中式能量計(jì)算機(jī)構(gòu)架也有五部分基本元素構(gòu)成，分別為：能量輸入（發(fā)電設(shè)備）、能量輸出（用電負(fù)荷）、能量存儲(chǔ)（儲(chǔ)能設(shè)備）、能量變換（變流系統(tǒng)）以及能量控制器（能量管理系統(tǒng)）。其中最后兩項(xiàng)內(nèi)容可以被合并稱作能量處理單元（EPU），系統(tǒng)的示意圖如圖18(b)所示。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)能源計(jì)算機(jī)的管理，本文提出了能源操作系統(tǒng)（EOS）。該系統(tǒng)與DOS/Windows等電腦操作系統(tǒng)有著類似的發(fā)展歷史和功能，如圖19所示。

基于上述的能源計(jì)算機(jī)概念，本研究開發(fā)的能源操作系統(tǒng)的原始版本如圖20所示。在實(shí)時(shí)仿真中，本研究將采用并行方式運(yùn)行的基于BEBB的能量內(nèi)存與基于傳統(tǒng)儲(chǔ)能方式的能量內(nèi)存進(jìn)行了比較。從仿真結(jié)果可知，由于采用了非中心化的儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)，基于BEBB的能量內(nèi)存的利用率要高于基于傳統(tǒng)儲(chǔ)能方式的能量內(nèi)存。

7 結(jié) 論

為解決煤礦井下應(yīng)急電源的問題，本文提出了一種基于電池電子標(biāo)準(zhǔn)模塊（BEBB）的電路系統(tǒng)。

該系統(tǒng)能夠通過集成的PCS和BMS控制實(shí)現(xiàn)更好的電池管理和功率變換控制。本文介紹了一種由RTI公司提供的數(shù)據(jù)分配服務(wù)（DDS）。該功能能夠?qū)崿F(xiàn)真正的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)多臺(tái)逆變器并聯(lián)運(yùn)行。上述特色功能使得一種被稱作能量內(nèi)存的、新的、基于BEBB能量存儲(chǔ)概念成為可能。此外，基于與個(gè)人計(jì)算機(jī)的類比，基于非中心式能源系統(tǒng)構(gòu)架的能源計(jì)算機(jī)及其能源操作系統(tǒng)（NICE_ EOS）被一起提出。本文在最后給出了NICE_EOS的原始版本并通過仿真研究證明了基于BEBB能量內(nèi)存的優(yōu)勢(shì)所在。

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BEBB based design for underground coal mine emergency power application

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(National Institute of Clean-and-Low-Carbon Energy, Beijing 102209, China)

Since safety certification only applies for lithium-ion battery system up to 48V in Chinese Coal Mine Industry for underground application, standard battery energy storage system (BESS) cannot be directly used to provide emergency power for critical motor load such as fan / pump etc, which are normally rated at a few hundreds volts. This paper develops a modular design defined as Battery Electronic Building Block (BEBB) that integrates 48V battery-inverter pack as one “plug & play” module based on load requirement. It provides a novel integrated battery & power electronics control architecture that does not need a dedicated Battery Management System (BMS) to realize a more robust and reliable battery energy storage system. Based on this concept, a novel de-centralized energy system architecture defined as energy computer is further introduced based on an analogy with personal computer system.

battery electronic building block (BEBB); energy storage; emergency power application;battery energy storage system; energy computer; energy operating system (EOS)

10.3969/j.issn.2095-4239.2016.01.011

TM 911

A

2095-4239（2016）01-091-10

2015-10-20；修改稿日期：2015-11-20。

周友（1973—），男，工學(xué)博士，國家“千人計(jì)劃”特聘專家，主要從事分布式能源系統(tǒng)及電力電子變流裝置的研究和設(shè)計(jì)，E-mail：zhouyou@nicenergy.com。