郭志超 陳杰 張亞鵬 譚雯 董露 趙俊強

摘??要：主要研究基于儲能電池的H橋功率模塊對拖試驗相關(guān)內(nèi)容。首先介紹了主回路和控制回路拓撲設(shè)計，每個H橋功率模塊直流側(cè)均并聯(lián)一個儲能電池。然后提出了整個試驗系統(tǒng)的保護協(xié)調(diào)配合及動作原則，主控制器負責總體保護及保護的協(xié)調(diào)配合，功率模塊、水冷系統(tǒng)、BMS負責各自保護。最后提出有功無功對拖控制策略及具體試驗流程，實現(xiàn)兩個功率模塊的有功和無功滿功率試驗。

關(guān)鍵詞：功率模塊??H橋??儲能電池??對拖試驗

中圖分類號：TM91

Research?on?the?Twin?Trawling?Test?of?H-Bridge?Power?Modules?Based?on?Energy?Storage?Batteries

GUO?Zhichao??CHEN?Jie??ZHANG?Yapeng??TAN?Wen??DONG?Lu

ZHAO?Junqiang

Beijing?Electric?Power?Automatic?Equipment?Co.，?Ltd.，?Beijing，?100044?China

Abstract：?This?article?mainly?studies?the?relevant?content?of?the?twin?trawling?test?of?H-bridge?power?modules?based?on?energy?storage?batteries.?Firstly，?it?introduces?the?topology?design?of?the?main?circuit?and?control?circuit，?with?an?energy?storage?battery?connected?in?parallel?on?the?DC?side?of?each?H-bridge?power?module.?Then，?it?proposes?the?coordination?and?action?principles?of?the??protection?of?the?entire?test?system：?the?main?controller?is?responsible?for?overall?protection?and?its?coordination，?and?the?power?module，?water?cooling?system?and?BMS?are?responsible?for?their?own?protection.?Finally，?it?proposes?control?strategies?for?the?twin?trawling?of?active?and?reactive?power?and?their?specific?test?processes?to?achieve?the?full?power?test?of?the?active?and?reactive?power?of?two?power?modules.

Key?Words：?Power?module;?H-bridge;?Energy?storage?battery;?Twin?trawling?test

直流配用電系統(tǒng)是指采用直流電源供電，并通過配電網(wǎng)絡(luò)將電能分配給各類負載的電力系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的交流配電系統(tǒng)相比，直流配電系統(tǒng)具有更高的電能傳輸效率、更簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和更靈活的電能調(diào)度能力，因此，在分布式能源、電動汽車充電站、數(shù)據(jù)中心、照明、軌道交通等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。

H橋鏈式變換器具有高效、可靠、模塊化等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于高壓電機驅(qū)動及大功率無功補償?shù)阮I(lǐng)域[2，3]。在直流配用電系統(tǒng)中，H橋功率模塊作為關(guān)鍵的功率轉(zhuǎn)換與控制元件，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。H橋功率模塊可以將直流電源輸出的電能轉(zhuǎn)換為適合負載需求的電壓和電流，通過改變開關(guān)器件的通斷狀態(tài)和控制策略，滿足不同類型負載的用電需求，實現(xiàn)對電能的精確調(diào)度和控制[4，5]。

1??主回路和控制回路拓撲設(shè)計

1.1?主回路硬件拓撲設(shè)計

如圖1所示，主回路包括電池1、開環(huán)功率模塊、連接電感、閉環(huán)功率模塊、電池2。其中開環(huán)功率模塊與閉環(huán)功率模塊由主控制器通過光纖控制，主控制器向開環(huán)功率模塊與閉環(huán)功率模塊發(fā)送驅(qū)動信號和各項參數(shù)，開環(huán)功率模塊與閉環(huán)功率模塊向主控制器上傳各自的實際電容電壓、開關(guān)器件溫度、告警和故障等各種信息。開環(huán)功率模塊與閉環(huán)功率模塊的主回路與控制回路完全相同，僅通過光纖收到的驅(qū)動信號不同。

1.2?控制回路拓撲設(shè)計

控制回路拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，主控制器對外通信均采用光纖通信，實現(xiàn)電氣隔離，確保試驗人員操作主控制器時人身安全。主控制器、電池的BMS、水冷系統(tǒng)均采用AC220V供電，功率模塊就地控制器電源取自功率模塊直流側(cè)。

主控制器與功率模塊就地控制器采用自定義協(xié)議通信，數(shù)據(jù)采用曼徹斯特編碼，定時收發(fā)一幀信息。通信信息包括命令、狀態(tài)故障回報，主控制器下發(fā)給就地控制器的命令為閉鎖、復(fù)位、解鎖、IGBT開通關(guān)斷信號，就地控制器上傳給主控制器的信息為直流側(cè)電容電壓、就地控制器的狀態(tài)位。

主控制器與BMS通信采用CAN總線協(xié)議，BMS定時上傳給主控制器信息，定時時間根據(jù)上傳內(nèi)容重要性不同而不同，越重要的數(shù)據(jù)上傳時間間隔越短，定時時間為100?ms、200?ms、500?ms、1?s、10?s不等。BMS定時上傳內(nèi)容主要包括繼電器狀態(tài)、電池電壓、溫度、絕緣采集信息、充放電功率/電量、故障信息等。主控制器下發(fā)給BMS的命令包括絕緣采集、故障復(fù)位、累計充放電量清零、分合繼電器，上述命令均采用事件觸發(fā)方式。除命令外，主控制器定時下發(fā)給BMS心跳幀，用于BMS判斷通信是否正常。

2??保護協(xié)調(diào)配合及動作原則

2.1?功率模塊的就地控制器保護

功率模塊的就地控制器負責功率模塊本身的實時保護，保護分為告警、閉鎖兩個級別。告警僅通過光纖通信向主控制器發(fā)送信號，閉鎖則直接關(guān)斷功率模塊自身的4個IGBT。觸發(fā)告警的事件消失后，告警信號自動復(fù)歸。觸發(fā)閉鎖的事件消失后，閉鎖信號保持，需要主控制器發(fā)送復(fù)歸命令后才能復(fù)歸閉鎖信號。觸發(fā)告警的事件主要包括直流母線電壓輕微過壓、直流母線欠壓、同步信號丟失、板卡輸入電源輕微過壓、溫度繼電器過溫告警、窄/寬脈沖異常、開關(guān)頻率過低/過高、AD芯片異常等。觸發(fā)閉鎖的事件主要包括直流母線電壓嚴重過壓、主控制器通信異常、取能電源故障、板卡電源故障、溫度繼電器超溫等。

2.2??水冷系統(tǒng)保護

水冷系統(tǒng)與主控制器之間既有485通信，也有開關(guān)量。水冷系統(tǒng)通信內(nèi)容級別為“告警”的作為告警信息在后臺顯示，級別為“閉鎖”的主控制器需執(zhí)行功率模塊閉鎖操作。水冷控制系統(tǒng)送至主控制器的閉鎖、報警及系統(tǒng)運行等采用信號硬接線方式接入，且主控制器下發(fā)至水冷系統(tǒng)信號也采用的硬接點信號。開關(guān)量告警信息主要包括水冷系統(tǒng)報警、請求停水冷。開關(guān)量閉鎖信息主要包括水冷系統(tǒng)跳閘、水冷系統(tǒng)掉電、水冷控制系統(tǒng)故障。主控制器通過開關(guān)量啟動和停止水冷系統(tǒng)運行，模塊對拖時，先啟動水冷系統(tǒng)，后解鎖功率模塊，試驗停止時，先閉鎖功率模塊，后停止水冷系統(tǒng)。

水冷系統(tǒng)通過?RS485?通信接口與控制保護系統(tǒng)進行軟報文通信。告警事件主要包括交流動力電源故障、主循環(huán)泵故障、風機故障、補水泵/充氣泵故障、電加熱器故障、緩沖罐液位開關(guān)下限、補水罐/緩沖罐液位低、系統(tǒng)泄漏、供水/回水溫度超限、供水/回水壓力超限、緩沖罐壓力/液位超限、冷卻水電導(dǎo)率高/流量低、溫度/壓力/液位變送器故障、電導(dǎo)率/流量變送器故障、主過濾器污堵等。閉鎖事件主要包括主流量超低且供水壓力低、主流量超低且供水壓力高、供水壓力超低且主流量低、主流量超低且供水壓力傳感器故障、供水壓力超低且主流量傳感器故障、主流量和供水壓力傳感器均故障、緩沖罐液位超低且液位開關(guān)下限、緩沖罐液位傳感器故障且液位開關(guān)下限、供水溫度傳感器均故障、供水溫度超高、電導(dǎo)率超高等。

2.3??儲能電池保護

儲能電池的BMS可控的僅有本身的繼電器和風扇。風扇由BMS根據(jù)電池溫度、電流自動控制，BMS自身輕微故障時僅通過CAN通信上傳，繼電器不動作，BMS自身嚴重故障時直接斷開所有繼電器，主控制器閉鎖。另外，BMS上傳的變量“最大可用放電電流、最大可用充電電流、最大可用放電功率、最大可用充電功率”和儲能電池本身的溫度和告警信息相關(guān)，主控制器需要保證實際的充放電不超過相應(yīng)功率和電流。

告警事件主要包括總電壓過高過低、充電單體互差、放電單體互差、靜置單體互差、充放電電流過大、溫度過高過低、溫升過快、SOC過高過低等。閉鎖事件主要包括BMS內(nèi)部通信故障、絕緣模塊通信故障、與主控制器通信故障、極限過壓欠壓、極限過溫低溫、參數(shù)配置故障、溫度采集線開路或短路、接觸器故障、標定故障等。

2.4??主控制器保護

主控制器本身需采集試驗回路的電壓和電流信息作為保護條件。觸發(fā)告警的事件主要包括交流側(cè)輕微過壓、電感電流輕微過流。觸發(fā)閉鎖的事件主要包括交流側(cè)嚴重過壓、電感電流嚴重過流、與水冷系統(tǒng)通信故障、與電池BMS通信故障。

另外，主控制器作為整個系統(tǒng)的控制核心，功率模塊的就地控制器、水冷系統(tǒng)、儲能電池本身的告警和閉鎖事件均上傳至主控制器，主控制器檢測到相應(yīng)的事件會告警或閉鎖全部IGBT且斷開所有儲能電池繼電器。

3??有功無功對拖控制策略及試驗流程

3.1??對拖控制策略

如圖3所示，閉環(huán)功率模塊目標有功電流、目標無功電流、開環(huán)功率模塊調(diào)制比這3個參數(shù)由試驗人員通過主控制器的觸摸屏設(shè)置。實際電感電流由主控制器通過霍爾傳感器采集圖1中連接電感L流過的電流得到。開環(huán)功率模塊調(diào)制波由主控制器轉(zhuǎn)換為具體的開關(guān)器件驅(qū)動信號后，通過光纖發(fā)送給開環(huán)功率模塊，控制開關(guān)器件動作，開環(huán)功率模塊為開環(huán)控制，相當于單相電壓源。閉環(huán)功率模塊調(diào)制波由主控制器轉(zhuǎn)換為具體的開關(guān)器件驅(qū)動信號后，通過光纖發(fā)送給閉環(huán)功率模塊，控制開關(guān)器件動作，閉環(huán)功率模塊為閉環(huán)控制，相當于單相并網(wǎng)逆變器。圖3中的控制框圖由主控制器負責具體實現(xiàn)。

通過單極倍頻調(diào)制將功率模塊調(diào)制波轉(zhuǎn)換為具體的IGBT動作信號，單極倍頻調(diào)制輸出電壓的脈動頻率為開關(guān)頻率的兩倍，也就是說用同樣的開關(guān)頻率可以把輸出電壓中的脈波數(shù)提高一倍，這對減少開關(guān)損耗和改善輸出電壓波形質(zhì)量都是有益的。

3.2??試驗流程

初始狀態(tài)下，所有開關(guān)處于分位，首先合主控制器AC220V電源開關(guān)，檢查觸摸屏顯示正常，參數(shù)設(shè)置無誤。

依次合電池1、電池2的AC220V控制電源開關(guān)，檢查主控制器的觸摸屏電池界面狀態(tài)信息顯示正常，至此，說明主控制器與BMS的CAN通信正常且硬件無損壞。依次點擊主控制器的觸摸屏電池界面絕緣采集按鈕，電池1、電池2調(diào)用各自的絕緣采集模塊進行絕緣采集并將采集結(jié)果通過CAN上送到主控制器，在主控制器的觸摸屏觀察到“絕緣故障等級”為“絕緣正?！鼻摇敖^緣報警狀態(tài)”為“無絕緣故障”，則說明電池本身以及電池和功率模塊的連接電纜絕緣正常。

點擊主控制器的觸摸屏電池界面“一鍵合繼電器”按鈕，主控制器自動通過CAN通信控制電池的繼電器依次動作。如圖1所示，以電池1為例，先合電池負極的K12，K12合閘成功后延時0.5?s合K13，K13合閘成功后電池通過充電電阻R11給開環(huán)功率模塊直流側(cè)電容C1充電，等待電池電壓和開環(huán)功率模塊直流側(cè)電容C1電壓壓差小于20?V后合K11，K11合閘成功后延時0.5?s分K13，合閘流程結(jié)束，合閘流程中出現(xiàn)任何故障則同時斷開所有繼電器。

電池1、電池2繼電器合閘流程成功后，功率模塊均正常上電，功率模塊就地控制器也上電開始工作，檢查主控制器的觸摸屏功率模塊界面狀態(tài)信息顯示正常，說明主控制器與功率模塊就地控制器的通信正常且軟硬件完好。

合水冷系統(tǒng)AC220V電源開關(guān)，設(shè)置水冷系統(tǒng)參數(shù)，檢查主控制器的觸摸屏水冷系統(tǒng)界面狀態(tài)信息顯示正常。點擊主控制器的觸摸屏“啟動水冷系統(tǒng)”界面，等待水冷系統(tǒng)正常啟動。

解鎖開環(huán)功率模塊，主控制器通過圖3中開環(huán)功率模塊調(diào)制波計算出驅(qū)動信號，控制開環(huán)功率模塊輸出電壓。逐漸升高開環(huán)功率模塊調(diào)制比，用示波器觀察輸出電壓波形是否正常。

解鎖閉環(huán)功率模塊，閉環(huán)功率模塊目標有功電流設(shè)置為0，目標無功電流逐漸升高到額定無功電流，隨后目標有功電流逐漸升高到額定有功電流。此時閉環(huán)功率模塊和開環(huán)功率模塊均滿功率運行，為正常運行工況，可進行滿功率溫升試驗。

試驗停止流程：逐漸降低閉環(huán)功率模塊目標有功電流和無功電流，降至100?A以內(nèi)后按下急停按鈕，同時閉鎖兩個功率模塊。斷開電池1、電池2所有繼電器，等待功率模塊直流側(cè)電壓緩慢下降至0?V左右，關(guān)閉水冷系統(tǒng)，斷開所有試驗電源。

4??結(jié)語

直流配用電作為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的重要分支，其高效、穩(wěn)定的電能分配對于整個系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。而H橋功率模塊作為直流配用電中的關(guān)鍵元件，通過精確控制電流的方向和大小，實現(xiàn)了對電能的靈活調(diào)節(jié)和分配。本文從硬件拓撲、保護配合、控制策略及試驗流程幾個方面對基于儲能電池的H橋功率模塊對拖進行研究，以滿足產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)過程中對儲能電池和功率模塊的調(diào)試要求。

參考文獻

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