能量回饋型變電站蓄電池組活化系統(tǒng)*

馬 艷, 吳 航, 周 亞, 曹 海, 黃海宏

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司 滁州供電公司, 安徽 滁州 239000;2.合肥工業(yè)大學, 安徽 合肥 230009)

0 引 言

蓄電池組是變電站直流系統(tǒng)的重要后備電源。但是變電站交直流一體化電源系統(tǒng)在實際運用中,若不發(fā)生交流停電,變電站蓄電池組會長期處于浮充電狀態(tài)下,只充電不放電會造成蓄電池陽極板鈍化使內(nèi)阻增大、容量也會減小,蓄電池容易出現(xiàn)老化失容、熱失衡等問題,若不能及時發(fā)現(xiàn)和維護,會對供電安全和穩(wěn)定造成不利影響。

定期核容放電試驗(簡稱電池活化)是對蓄電池組容量檢測的有效手段。傳統(tǒng)的蓄電池放電裝置為電阻耗能型,具有結構簡單和技術難度小的優(yōu)點,但其采用通過功率電阻將蓄電池能量轉(zhuǎn)變成熱能耗散的方式,造成了能源的浪費,同時熱能也造成裝置內(nèi)部和周圍環(huán)境溫度升高,且耗能會產(chǎn)生紅熱現(xiàn)象,有引起火災的隱患,無法實現(xiàn)無人值守。

新型能量回饋型變電站蓄電池組活化系統(tǒng)的主要功能在于蓄電池核容放電時,應控制蓄電池組處于恒流放電狀態(tài)(根據(jù)蓄電池容量設定恒流放電電流值),并且將蓄電池組放出的能量回饋至電網(wǎng),同時實現(xiàn)網(wǎng)側高功率因數(shù),避免影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

基于此要求,本設計采用DC/DC變流器和DC/AC并網(wǎng)變流器級聯(lián)結構,兩者通過直流母線實現(xiàn)連接。其中DC/DC變流器的功能是實現(xiàn)蓄電池組恒流放電,將蓄電池組放出的能量注入到DC/AC并網(wǎng)逆變器的直流側;而DC/AC并網(wǎng)變流器的功能是實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)逆變,實現(xiàn)能量回饋。

1 能量回饋型變電站蓄電池組活化系統(tǒng)組成

能量回饋型變電站蓄電池組活化系統(tǒng)結構如圖1所示。系統(tǒng)由監(jiān)控、DC/AC并網(wǎng)變流器和DC/DC變流器、電池檢測裝置組成。

圖1 能量回饋型變電站蓄電池組活化系統(tǒng)結構

DC/AC并網(wǎng)變流器實際工作在PWM整流器狀態(tài),具有雙向變流功能,既可工作在整流狀態(tài),也可工作在逆變狀態(tài),其控制系統(tǒng)為雙閉環(huán)(電壓外環(huán),電流內(nèi)環(huán))。電壓外環(huán)以穩(wěn)定直流母線電壓為控制目標,通過檢測直流母線電壓升降變化趨勢,與給定目標值進行比例積分調(diào)節(jié),改變工作模式或調(diào)整輸出、輸入功率。當直流母線電壓低于給定電壓時,變流器工作于整流狀態(tài);若當母線電壓高于給定電壓,變流器進入逆變工作模式。通過電流內(nèi)環(huán)實現(xiàn)對電網(wǎng)電流的相位控制,保證交流側單位功率因數(shù)運行[1-3]。

系統(tǒng)工作時,DC/AC首先工作在整流狀態(tài),維持直流側電壓穩(wěn)定在750 V附近。在監(jiān)控上可以設置蓄電池恒流放電電流和單體電池截止放電電壓。啟動活化時,操作人員可通過監(jiān)控的鍵盤和液晶界面下發(fā)指令,同時監(jiān)控也可通過網(wǎng)口響應上位機指令,對DC/DC變流器下發(fā)放電指令,DC/DC變流器控制蓄電池組工作在恒流放電狀態(tài),恒流電流值由監(jiān)控以無線通訊方式發(fā)送給變流器控制器。DC/DC變流器將蓄電池組放出的能量注入到直流母線上,此時DC/AC并網(wǎng)變流器實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)逆變,將蓄電池組放出的能量回饋給交流電網(wǎng)。監(jiān)控實時檢測蓄電池組放電電流,采用安時法進行容量累計計算,并通過電池檢測裝置實時獲取單體電池電壓數(shù)據(jù),當單體電池電壓低于設定的單體電池截止放電電壓時,監(jiān)控下發(fā)停止活化指令。

2 DC/DC變流器設計

DC/DC變流器用于實現(xiàn)蓄電池的恒流放電。目前變電站直流系統(tǒng)大多為110 V和220 V系統(tǒng),該電壓數(shù)值與DC/AC并網(wǎng)逆變器的直流母線電壓750 V差值較大。若DC/DC變流器采用常規(guī)的單管Boost升壓電路,當輸入和輸出電壓差較大時,升壓電路不易達到較高升壓比的要求。故本次設計的DC/DC變流器采用可實現(xiàn)寬范圍輸出的2個Buck-Boost組合的主電路拓撲,DC/DC變流器結構如圖2所示。

圖2 DC/DC變流器結構

圖2中Ui表示蓄電池組端電壓,Uo表示DC/AC并網(wǎng)變流器的直流側電壓。雙向DC/DC在控制上采用對管控制方式,即VT1和VT4的驅(qū)動信號同步,VT2和VT3的驅(qū)動信號同步,兩組驅(qū)動信號間加入死區(qū)。蓄電池組放電時DC/DC的工作狀態(tài)[4-5]如圖3所示。

圖3 蓄電池組放電時DC/DC工作狀態(tài)

設L1和L2電感量很大,控制電路的PWM周期為T,VT1和VT4的導通占空比為D,VT1和VT4的導通時間為ton,關斷時間為toff。若忽略死區(qū)時間,在toff時間內(nèi),控制器對VT2和VT3施加驅(qū)動信號,VT2和VT3導通,此時Ui和Uo一起為L1和L2儲能,L1和L2兩端壓降為Ui+Uo;而在ton時間內(nèi),控制器對VT1和VT4施加驅(qū)動信號,但此時VT1和VT4不導通,L1和L2釋放能量,L1和L2兩端壓降為Uo-Ui,根據(jù)伏秒定律,即

(Uo-Ui)ton=(Ui+Uo)toff

(1)

將ton和toff用占空比D和1-D來表示,并忽略死區(qū)時間,則

(Uo-Ui)TD=(Ui+Uo)T(1-D)

(2)

經(jīng)簡化,即

Uo=Ui/(2D-1)

(3)

即變換器兩端電壓變比不取決于控制電路PWM占空比,而取決于互補導通功率管PWM占空比的差,相較傳統(tǒng)的Boost電路,更容易達到變換器兩端電壓大變比要求。

3 DC/AC并網(wǎng)變流器設計

DC/AC并網(wǎng)變流器用于把DC/DC變流器注入到直流側的能量通過并網(wǎng)逆變回饋至交流電網(wǎng)。本次設計DC/AC采用二極管箝位型三電平PWM整流器拓撲,三相DC/AC并網(wǎng)變流器結構如圖4所示。

圖4 三相DC/AC并網(wǎng)變流器結構

每一相橋臂由4個功率開關管構成和2個箝位二極管組成,使得每一相橋臂可以產(chǎn)生正、0、負3個電平,在相同的開關頻率及控制條件方式下,三電平PWM整流器輸入電流的諧波大大小于兩電平整流器,故所需要的網(wǎng)側濾波電感閥值大大降低,可降低系統(tǒng)成本[6-7]。

網(wǎng)側電壓回路方程如式(4)所示,其中dk為功率管占空比,ek為網(wǎng)側相電壓,udc為直流側電壓。

(4)

圖5 三相DC/AC并網(wǎng)變流器工作原理

(5)

穩(wěn)態(tài)工作時PWM調(diào)制波為正弦波,且與電網(wǎng)電壓ek(k=a,b,c)間相角為γ,調(diào)制比為m,則占空比dk可描述為

(6)

(7)

典型的多電平變換器的PWM調(diào)制算法需要兩組正負分布的三角載波與調(diào)制波進行比較來得到PWM脈沖信號。本次設計中控制器采用的DSP芯片通過事件管理器來產(chǎn)生PWM控制信號,而事件管理器只能產(chǎn)生正的三角載波。

為了能夠在DSP中實現(xiàn)三電平調(diào)制算法,本文采用改進的載波調(diào)制算法。以A相為例對該調(diào)制方法進行分析,當調(diào)制信號大于零時,將三角載波峰值減去調(diào)制信號作為比較值賦給DSP的事件管理器A中的比較寄存器CMPR1;將0作為比較值賦給事件管理器B中的比較寄存器CMPR4。當調(diào)制信號小于零時,將三角載波峰值減去調(diào)制信號作為比較值賦給DSP的事件管理器A中的比較寄存器CMPR1;將調(diào)制信號的負值作為比較值賦給事件管理器B中的比較寄存器CMPR4。定義PWM1,PWM7為低電平有效,PWM2,PWM8為高電平有效,改進載波調(diào)制如圖6所示。以A相橋臂為例,PWM控制信號采用如下分配原則:PWM1用于控制功率管VT1,PWM2用于控制功率管VT3,PWM7用于控制功率管VT2,PWM8用于控制功率管VT4[8]。

圖6 改進載波調(diào)制

4 實驗驗證

將監(jiān)控、DC/AC并網(wǎng)變流器、DC/DC變流器和蓄電池組連接起來進行測試,實驗樣機如圖7所示。

圖7 實驗樣機

二極管箝位型三電平DC/AC并網(wǎng)變流器A相電壓波形如圖8所示,明顯呈現(xiàn)出三電平特性。

圖8 二極管箝位型三電平DC/AC并網(wǎng)變流器A相電壓波形

DC/AC并網(wǎng)變流器實驗波形如圖9所示。其中通道1為經(jīng)電流霍爾傳感器檢測的相電流波形,通道2為經(jīng)電壓互感器檢測的相電壓波形,圖9中網(wǎng)側電流與電壓波形相位相差近180°,說明并網(wǎng)逆變成功。

DC/DC變流器中功率管的兩組驅(qū)動波形實驗波形如圖10所示,有明顯的死區(qū)時間。

圖10 DC/DC變流器中功率管的兩組驅(qū)動波形實驗波形

電能質(zhì)量分析儀檢測結果如圖11所示,網(wǎng)側三相電流的THD均低于3%。由圖9和圖11不難看出,實驗樣機可實現(xiàn)蓄電池組活化中的能量回饋,且可獲得網(wǎng)側高功率因數(shù),達到預期目標。

圖9 DC/AC并網(wǎng)變流器實驗波形

圖11 電能質(zhì)量分析儀檢測結果

5 結 語

蓄電池組對于變電站的安全穩(wěn)定運行起著至關重要的作用,定期活化是對蓄電池組進行容量檢測、發(fā)現(xiàn)落后電池的有效手段。本文設計了一套帶能量回饋型變電站蓄電池組活化系統(tǒng),包含DC/AC并網(wǎng)變流器、DC/DC變流器、監(jiān)控和電池檢測裝置,可實現(xiàn)蓄電池組能量回饋電網(wǎng)和交流側高功率因數(shù)。實驗結果表明實驗樣機已基本實現(xiàn)設計目標。