一种电化学储能装置交直流阻抗特性测试装置及方法与流程

本发明属于储能阻抗特性测试，具体涉及一种电化学储能装置交直流阻抗特性测试装置及方法。

背景技术：

1、随着新能源发电和智能电网的快速发展，电化学储能在电力系统调峰、调频、应急备用和削峰填谷等领域的应用日益广泛。储能系统通常由大量电池单体或模组串并联组成，其结构复杂、运行环境多变，长期运行过程中易出现性能衰减、容量不一致、内阻增加等问题，严重影响系统的整体安全性、可靠性与使用寿命。电化学储能系统阻抗特性测试作为一种有效的储能系统状态监测与评估手段，能够通过获取系统的阻抗频谱信息，反映其内部电化学过程、界面特性及电气参数变化，不仅可用于评估储能系统的运行稳定性和健康状态，还可为系统的智能化运维、故障预警以及能量管理策略优化提供关键数据支撑。因此，开发高效、准确的阻抗特性测试系统，对提升储能系统的安全运行水平、延长其使用寿命、推动新能源与电力系统的高效稳定运行具有重要意义。

2、目前，常见的阻抗测试方法主要侧重于对储能变流器（power conversionsystem，pcs）交流侧的阻抗特性进行扫描分析。这类方法通常通过向系统注入特定频率范围的交流激励信号，测量其电压与电流响应，进而计算得到交流阻抗谱。该方式虽能在一定程度上反映系统在交流工况下的稳定性、谐振特性以及与电网的交互影响，但其测试视角相对单一，未能充分考虑储能系统直流侧尤其是储能电池本身状态变化对系统整体阻抗行为的深层次影响。实际上，储能电池作为电化学储能系统的核心能量存储单元，其内部参数如欧姆内阻、电荷传递电阻、扩散阻抗等会随着充放电循环次数、温度、老化程度及单体不一致性等因素发生动态变化，这些变化不仅直接影响直流侧的输出特性，也会通过pcs耦合至交流侧，从而影响整个系统的阻抗特性与稳定裕度。若仅依靠交流侧阻抗测试，往往难以辨识阻抗变化的具体来源，无法区分是电池状态恶化还是外部电路参数变化所导致，从而限制了状态评估的准确性与故障诊断的深度。

3、现有技术中，面向储能系统的阻抗测试大体包括电力电子设备交流端口阻抗扫描以及储能电池电化学阻抗谱（electrochemical impedance spectroscopy，eis）测试两类技术路线。该类技术主要面向电力电子设备交流端口、并网逆变器系统以及电池单体、模组或电池组的阻抗特性获取。其中，电力电子设备阻抗扫描通常服务于并网稳定性、谐振风险分析和控制参数校核；电池eis测试则主要服务于电池健康状态（state of health，soh）估算、故障检测、内阻辨识和一致性评价。相关现有方案中，已有通过向电力电子设备注入谐波电压并采集端口电压、电流幅相计算阻抗的方案，也有通过锁相放大器、交流恒流源、多音正弦激励或变流器自身谐波获取电池阻抗谱或内阻参数的方案。

4、从工作机理上看，该类技术的核心是向被测对象施加小信号扰动，并同步采集扰动频率下的电压、电流响应，通过快速傅里叶变换（fast fourier transform，fft）、锁相放大、复数滤波或幅相提取算法计算阻抗。对于并网逆变器或换流站，扰动通常从交流侧注入，测试对象多为交流端口等效阻抗；对于电池eis测试，扰动通常直接施加于电池两端，去除直流偏置后提取交流响应，得到不同频率下的电池阻抗谱。部分方法还利用多音激励、可辨识扰动集或变流器既有谐波，以缩短测试时间或降低外加硬件需求。

5、上述技术虽然能够获取一定范围内的交流侧阻抗、电池阻抗谱或电池内阻参数，但与电化学储能系统交、直流侧统一测试的实际需求相比仍存在明显不足。

6、首先，电力电子设备阻抗扫描技术多以交流端口为测试对象，其扰动注入、测量通道和阻抗计算均围绕公共耦合点（point of common coupling，pcc）或交流侧电压、电流展开，适合分析pcs与电网之间的动态交互，但难以直接表征电池簇、直流母线及其与变流器控制之间的耦合影响。其原因在于交流侧测试装置的功率接口、绝缘拓扑和扰动耦合方式通常按照三相交流系统设计，未配置可在电池簇或电池阵列直流回路中串联注入宽频交流小信号的独立通道。因此，即使能够较为准确地获得pcs交流端口的阻抗特性，也难以据此直接判断阻抗变化是否来源于储能电池自身状态或者直流侧参数变化。

7、其次，电池eis或电池内阻测试技术主要面向单体、模组或特定电池组，常采用锁相放大器、交流恒流源、信号放大电源或利用变流器既有谐波进行测试。这类方法能够反映电池电化学过程，但测试对象和功率等级通常与储能电站工程场景存在差异。例如部分电池阻抗谱装置采用0.1a至1a量级的激励电流和开尔文四端接线，更适合实验室电池样品；而储能电池簇或电池阵列具有高电压、大容量、强直流偏置和pcs耦合运行特征，单纯eis仪器或低功率激励源难以直接串入工程直流主回路。因此，将面向电池单体或模组的eis测试方式直接扩展至储能电池簇或电池阵列，并不能简单通过提高激励源功率实现，还需要兼顾主回路接入、直流偏置条件、绝缘以及扰动信号耦合等工程要求。

8、再次，已有储能电池在线内阻检测或阻抗辨识方法多利用变流器自身谐波、有限频点电压电流分量或特定拓扑下的分流关系，测试频率、扰动幅值和注入路径受原系统运行状态约束，难以形成从赫兹级至千赫兹级频率可调、扰动幅值可控的宽频扫描过程，也难以在同一测试平台下完成pcs交流侧阻抗与电池直流侧阻抗的对照分析。因此，当储能系统阻抗异常由电池老化、直流侧参数变化或交直流耦合共同导致时，现有技术往往只能获得单侧、局部或等效内阻信息，难以建立从电池本体到pcs交流端口的完整阻抗分析路径。

9、进一步而言，要在储能电站工程场景下同时实现交流侧和直流侧阻抗特性测试，并非简单改变传统阻抗测试装置的接线位置即可实现。一方面，pcs交流端口与储能电池簇或电池阵列直流端口在电压形式、功率接口、扰动注入路径以及绝缘要求等方面存在差异，其中交流侧阻抗测试需要向三相交流回路注入扰动，而直流侧阻抗测试则需要在具有直流偏置的主回路中叠加交流小信号，传统针对三相交流系统设计的扰动装置难以同时兼顾两类端口所需的扰动输出形式及耦合方式；另一方面，若采用面向电池单体或模组的电化学阻抗谱测试设备，则其激励能力及接口形式难以满足高电压、大容量储能电池簇或电池阵列的工程测试要求；若利用pcs自身谐波作为测试激励，其扰动频率、扰动幅值和工作状态又受到pcs自身控制策略限制，难以独立形成频率和幅值可调的宽频小信号扰动。因此，现有测试装置难以在同一硬件平台上兼顾pcs交流端口和储能电池簇或电池阵列直流端口的宽频阻抗测试。

10、此外，储能电池的阻抗特性还会随能量状态、健康状态及充放电工况发生变化，仅在单一运行点获取阻抗结果，难以反映储能系统实际运行过程中阻抗特性的变化规律。因此，如何构建能够根据交流端口测试和直流端口测试的不同需求改变扰动输出方式，并将频率和幅值可调的扰动信号分别耦合至pcs交流端口以及储能电池簇或电池阵列直流端口的测试装置，在此基础上完成不同能量状态和充放电工况下的交、直流阻抗扫描，是现有储能阻抗测试技术工程化应用需要解决的问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种电化学储能装置交直流阻抗特性测试装置及方法，用于解决现有交流端口阻抗扫描装置的扰动输出及耦合方式主要面向三相交流系统，难以直接适用于储能电池簇或电池阵列的直流主回路，而传统电化学阻抗谱测试设备又难以适应储能电池簇或电池阵列高电压、大容量、强直流偏置及与储能变流器耦合运行的工程测试条件，导致现有测试装置难以在同一硬件平台下分别向储能变流器交流端口和储能电池簇或电池阵列直流端口注入频率和幅值可调的宽频扰动，并完成不同能量状态和运行工况下交、直流阻抗特性测试的技术问题。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种电化学储能装置交直流阻抗特性测试装置，包括前级变压器、前级滤波电感、背靠背变流器、后级滤波电感、后级串联变压器和控制单元；

4、所述前级变压器经所述前级滤波电感与所述背靠背变流器的网侧变流器连接，所述网侧变流器用于建立直流母线电压；

5、所述背靠背变流器的机侧变流器包括三个相互独立的h桥变流器，各所述h桥变流器的输出端经所述后级滤波电感与所述后级串联变压器连接；

6、所述控制单元用于控制所述测试装置工作于交流阻抗测试模式或直流阻抗测试模式；在所述交流阻抗测试模式下，控制三个所述h桥变流器输出频率和幅值可调的三相扰动电压，并通过所述后级串联变压器将所述三相扰动电压串联注入被测储能变流器的交流端口与电网之间；在所述直流阻抗测试模式下，控制其中一个所述h桥变流器输出频率和幅值可调的扰动电压并控制其余h桥变流器停机，并通过所述后级串联变压器将所述扰动电压串联注入被测储能变流器的直流端口与储能电池簇或储能电池阵列之间。

7、进一步的，所述前级变压器为具有多个分接抽头的工频变压器，所述多个分接抽头分别对应不同的电网或储能变流器接入电压等级，通过切换所述分接抽头使所述前级变压器的次级输出统一的交流电压。

8、进一步的，所述网侧变流器采用全控型绝缘栅双极型晶体管构成的三相全桥拓扑并运行于整流状态；所述控制单元根据所述直流母线电压与直流母线电压参考值确定d轴电流参考信号，并将q轴电流参考信号设置为0，以控制所述直流母线电压并使所述网侧变流器按照单位功率因数运行。

9、进一步的，所述三个h桥变流器分别形成a相、b相和c相输出通道，所述扰动电压的频率在1~2500hz范围内可调，所述扰动电压的幅值为被测对象额定电压的0.2%~5%。

10、进一步的，所述后级滤波电感用于滤除所述h桥变流器输出中开关频率附近的高次谐波；所述后级串联变压器的变比为800v/40v，其一次侧与所述后级滤波电感连接，其二次侧用于串联接入被测储能变流器与电网之间或者被测储能变流器与储能电池簇或储能电池阵列之间，以将所述扰动电压叠加至被测回路。

11、第二方面，本发明实施例提供了一种电化学储能系统交直流阻抗特性测试方法，包括：

12、生成频率和幅值可调的扰动电压；

13、进行交流端口阻抗测试时，控制三个相互独立的h桥变流器输出三相扰动电压，将所述三相扰动电压经滤波并通过串联变压器串联注入被测储能变流器的交流端口与电网之间，同步采集所述交流端口的电压和电流，并根据各扰动频率对应的电压扰动分量和电流响应分量确定交流端口阻抗；

14、进行直流端口阻抗测试时，控制其中一个所述h桥变流器输出扰动电压并控制其余h桥变流器停机，将所述扰动电压经滤波并通过所述串联变压器串联注入被测储能变流器的直流端口与储能电池簇或储能电池阵列之间，同步采集储能电池端口的电压和电流，并根据各扰动频率对应的直流侧电压扰动分量和直流侧电流响应分量确定直流端口阻抗；

15、在不同储能电池能量状态和储能变流器运行工况下重复所述交流端口阻抗测试和所述直流端口阻抗测试，分别得到对应的交流端口阻抗特性和直流端口阻抗特性。

16、进一步的，进行所述交流端口阻抗测试包括：

17、在被测储能变流器的交流端口串联注入频率为扰动频率的正序电压扰动；

18、利用快速傅里叶变换提取所述扰动频率对应的正序电压扰动分量和正序电流响应分量，并据此确定正序自阻抗；

19、当所述扰动频率小于储能变流器额定频率的两倍时，提取所述额定频率两倍与所述扰动频率之差对应的正序电流响应分量；当所述扰动频率大于或等于所述额定频率的两倍时，提取所述扰动频率与所述额定频率两倍之差对应的负序电流响应分量，并据此确定正序耦合阻抗；

20、按照预设频率间隔改变所述扰动频率并重复进行阻抗确定。

21、进一步的，进行所述交流端口阻抗测试还包括：

22、在被测储能变流器的交流端口串联注入负序电压扰动；

23、当所述扰动频率小于储能变流器额定频率的两倍时，提取对应频率下的正序电压扰动分量、正序电流响应分量以及所述扰动频率对应的正序电流响应分量；当所述扰动频率大于或等于所述额定频率的两倍时，提取对应频率下的负序电压扰动分量、负序电流响应分量以及所述扰动频率对应的正序电流响应分量，并据此确定负序自阻抗和负序耦合阻抗；

24、按照预设频率间隔改变所述扰动频率并重复进行阻抗确定。

25、进一步的，进行所述直流端口阻抗测试包括：

26、保持所述储能电池簇或储能电池阵列与所述被测储能变流器连接，在所述被测储能变流器的直流端口与所述储能电池簇或储能电池阵列之间注入交流小信号扰动；

27、同步采集储能电池端口的直流侧电压和直流侧电流，利用快速傅里叶变换提取各扰动频率对应的直流侧电压扰动分量和直流侧电流响应分量，并据此确定直流端口阻抗；

28、将储能电池的能量状态按照10%的间隔由10%依次调节至90%，并在各能量状态下分别于储能变流器交流端口输出功率为0、额定功率充电和额定功率放电的运行工况下进行直流端口阻抗测试。

29、进一步的，设当前阻抗测试模式下被测对象的额定电压为

un，在1~9hz频率区间内，所述扰动电压的幅值为0.2%

un，频率步长为1 hz；在10~490hz频率区间内，所述扰动电压的幅值为1.5%

un，频率步长为1 hz；在500~2500hz频率区间内，所述扰动电压的幅值为1.5%

un，频率步长为10hz。

30、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

31、一种电化学储能装置交直流阻抗特性测试装置，采用前级变压器、前级滤波电感、背靠背变流器、后级滤波电感、后级串联变压器及控制单元构成测试装置，并将机侧变流器设置为三个相互独立的h桥变流器。该结构的目的在于利用同一功率变换平台形成不同形式的扰动输出：交流阻抗测试时三个h桥协同输出三相扰动，直流阻抗测试时仅一个h桥输出扰动、其余h桥停机，并利用后级串联变压器改变扰动注入位置，同一装置能够兼顾储能变流器交流端口与储能电池簇或电池阵列直流端口的阻抗测试，避免现有交流测试装置难以直接适用于高电压、大容量直流主回路的问题，为建立交直流统一阻抗测试平台提供硬件基础。

32、进一步的，通过在前级变压器设置多个分接抽头，并利用分接切换适配不同电网或储能变流器接入电压等级，将不同输入电压转换为统一的后级输入电压。其设置目的在于提高测试装置对不同电压等级储能系统的适应能力，同时为后级背靠背变流器提供相对统一的供电条件，减少针对不同被测系统重新配置扰动产生电路的需求。

33、进一步的，网侧变流器采用全控型绝缘栅双极型晶体管三相全桥拓扑，并利用直流电压闭环产生d轴电流参考信号、将q轴电流参考信号设置为0，其目的在于维持背靠背变流器直流母线电压稳定，并按照单位功率因数运行。稳定的直流母线能够为机侧h桥产生不同频率和幅值的扰动电压提供稳定的能量来源，减小前级供电波动对扰动输出的影响。

34、进一步的，三个h桥分别形成a、b、c三相独立输出通道，并使扰动频率在1~2500 hz范围内可调、扰动幅值在被测对象额定电压的0.2%~5%范围内可调。分相独立设置使交流测试与直流测试能够采用不同的h桥组合，频率和幅值可调使测试装置能够根据被测对象和扫描频点产生满足小信号测试要求的扰动，为获取宽频范围内的阻抗变化特性提供条件。

35、进一步的，后级滤波电感用于滤除h桥输出中开关频率附近的高次谐波，可减少变流器开关谐波对目标扰动频率响应提取的影响；后级串联变压器用于将扰动电压耦合至被测主回路，使测试扰动能够与原有功率信号叠加，同时实现扰动产生环节与被测回路之间的耦合。采用800v/40v变比能够按照实施例的电压等级完成扰动电压的变换和注入。

36、一种电化学储能系统交直流阻抗特性测试方法，分别对储能变流器交流端口和储能电池直流端口进行扰动注入、同步采集及阻抗确定，并进一步改变储能电池能量状态和储能变流器运行工况重复测试。将原本相互独立的交流端口阻抗扫描和电池直流阻抗测试纳入同一测试流程，使获得的阻抗信息能够覆盖储能系统交流侧、直流侧及不同运行状态，形成从储能电池本体至储能变流器交流端口的完整阻抗分析路径。

37、进一步的，在交流端口注入正序电压扰动，并通过快速傅里叶变换提取对应的正序电压扰动分量和正序电流响应分量，同时根据扰动频率与两倍额定频率之间的关系提取对应频率的电流响应，分别获得正序自阻抗及正序耦合阻抗。该设置能够在正序扰动条件下同时表征同序响应和频率耦合响应，使交流侧阻抗描述不局限于单一自阻抗。

38、进一步的，在正序扰动测试基础上进一步注入负序电压扰动，并根据扰动频率与两倍额定频率之间的关系提取相应的正序或负序电压、电流分量，用于确定负序自阻抗和负序耦合阻抗。获得正序自阻抗、正序耦合阻抗、负序自阻抗及负序耦合阻抗，使储能变流器交流端口的阻抗特性描述更加完整。

39、进一步的，直流阻抗测试保持储能电池与储能变流器之间的连接关系，在实际耦合运行状态下叠加交流小信号扰动，利用快速傅里叶变换提取直流侧电压扰动分量和电流响应分量。在10%~90%的不同能量状态以及零功率、额定充电和额定放电工况下重复测试，能够反映储能电池阻抗随能量状态及功率运行状态的变化，更接近储能电站工程运行条件。

40、进一步的，按照不同频率区间设置扰动幅值和频率步长，其中低频段采用较小扰动幅值和1hz步长，中频段采用1hz步长，高频段采用10 hz步长。在保持小信号扰动属性的条件下兼顾不同频段的扫描需求：低、中频段采用较细频率间隔以获得较高的频率分辨能力，高频段适当增大步长以覆盖至2500hz的测试范围。以当前测试模式下被测对象的额定电压

un作为扰动幅值基准，可使交流端口和直流端口的扰动幅值均与各自被测对象的额定电压相匹配。

41、综上所述，本发明利用背靠背变流器、分相独立h桥及串联耦合结构，在同一测试平台上兼容储能变流器交流端口和储能电池直流端口的宽频扰动注入与阻抗测试，并覆盖不同能量状态和充放电工况，有利于形成完整的交直流阻抗分析路径。

42、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。