變電站并聯型直流蓄電池全容量核容方法研究

黃烈江，陳思超，王鵬程，張建偉，胡元潮，楊健

(1.杭州欣美成套電器制造有限公司，浙江 杭州 311200：2.山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049；3. 國網浙江杭州市蕭山區供電有限公司，浙江 杭州 311202)

直流電源系統是變電站中的一個重要組成部分,對變電站的正常運行起著重要的作用,其設計方案的合理性及運行的可靠性直接影響著變電站的可靠性[1]。直流電源系統中的蓄電池組通常采用串、并聯接線方式,在交流系統因故障停電時,起到為系統提供供電的作用,所以蓄電池組的正常運行是電力系統繼續運行的保障[2]。為了保證蓄電池組實際容量不低于80%的標稱容量,需要定期對蓄電池進行核容維護放電工作。然而,目前傳統的核容放電方法都存在諸多技術瓶頸,如待測蓄電池組必須脫離母線后測量、需要準備足夠備用的電池組、蓄電池組核容前后需要反復接線等問題[3]。

針對直流電源系統的相關問題,學者進行了大量研究。聶小勇等[4]研究了110 kV智能變電站的直流負荷情況以及磷酸鐵鋰電池的充放電特性,提出了采用磷酸鐵鋰電池的在線自動全容量核容的設計方案;李學斌等[5]結合電化學阻抗譜法,開展了閥控式鉛酸蓄電池加速浮充老化實驗,發現電化學阻抗譜可以更加準確地表征閥控式鉛酸蓄電池容量的衰減和剩余壽命的減少;鄧渝生等[6]利用在線方式控制閥控式密封鉛酸蓄電池進行核容放電,蓄電池始終不脫離直流母線,無需后備電池,在遠方控制核容放電,實現蓄電池管理無人值守;楊恒等[7]通過對特定公司進行抽蓄電站直流系統配置和運維調研與分析,制定了針對性預防措施,為直流系統運維及設備升級改造提供參考;馬寶忠等[8]基于虛擬現實技術仿真了變電站交直流電源系統,經驗證能夠有效降低設計成本,同時具有重要的培訓應用價值;杜旭浩等[9]針對變電站直流電源系統抗故障能力差、故障分析困難等問題,提出了典型故障的治理方法,并由此開發了具有典型故障自愈及故障錄波功能的高安全型直流電源系統;王建元等[10]針對后備電源的可靠性進行了探討,提出了雙重Boost升壓變換器法。目前,對于大功率并聯型直流供電系統的在線核容方法研究較少,因此本文主要針對大功率并聯型直流供電系統的全容量在線核容進行研究。

通過分析上述文獻中直流系統的研究現狀并結合未來的發展方向,本文詳細闡述變電站直流系統的工作原理,并通過分析大功率并聯直流電路系統的設計要求與相關技術,設計大功率并聯型直流供電系統的在線核容系統及控制系統,提出并聯型直流蓄電池全容量核容方法并通過搭建仿真模型驗證其可行性,為實際工程中的應用提供理論參考。

1 單個并聯直流電源電池組件的基本原理

1.1 單個電池組件整體結構分析

在并聯電池組件中,四只12 V蓄電池串聯后構成一個蓄電池組;并聯的蓄電池組通過DC/DC或AC/DC電路與各相應支路的并聯電池模塊的輸入、輸出回路相連接,不同支路間的蓄電池不存在直接的聯系,電池間的結構方式為間接并聯,不會出現回路環流的現象。在并聯電池模塊中,充放電管理電路模塊代替了蓄電池組的巡檢裝置,并使蓄電池和管理電路模塊可以進行組對管理,便于單個鉛酸蓄電池的切入和退出,增加系統的安全性和維護的便捷性。變電站直流電源系統中的蓄電池及其結構原理如圖1所示。由圖1可知, 相比于傳統的變電站串聯型直流電源,各蓄電池采用并聯電路拓撲連接方式之后,單體蓄電池的虛接、欠壓、老化等狀況不影響整組蓄電池組的輸出,并聯型直流電源單個蓄電池可以實現在線核容和在線更換,不影響母線側電壓。

(a)變電站直流電源并聯蓄電池組

(b)變電站直流電源接線圖

(c) 并聯蓄電池組件結構原理圖1 變電站直流電源系統中的蓄電池及其結構原理

1.2 PFC電路分析

功率因數校正電路分無源功率因數校正(passive power factor correction, PPFC)和有源功率因數校正(active power factor correction, APFC)兩種。無源功率因數校正屬于被動補償方式,優點是結構比較簡單、成本相對較低,但是其總諧波失真較大、體積相對較大,而且無源功率因數校正電路的拓撲結構在大功率電路中會產生嚴重的反向恢復損耗,其損耗較大導致電路的工作效率較低,不適用于大功率電源系統中。而與PPFC相比,APFC在同樣的輸出功率下,具有總諧波畸變率可控、體積較小且重量較輕等諸多優勢。

目前,有源功率校正電路主要包括無橋功率校正電路、有橋功率校正電路、交錯并聯功率校正電路等。常見的APFC電路拓撲的工作模式分為CCM電流連續型(continuous current mode)、DCM非連續型(discontinuous current mode)和BCM臨界型(boundary current mode),三種工作模式下電感電流的特點見表1。

表1 三種工作模式下電感電流的特點

對于大功率開關電源,為提高工作效率和功率因數電流,控制模式上需要采用連續模式,而Boost型拓撲結構的優勢在于開關管易驅動、輸入電流紋波小,更容易實現高功率因數和高功率密度的要求。綜上所述,本文選用有橋式Boost型APFC拓撲電路來設計功率因數校正電路。

2 并聯直流電源系統設計

2.1 多個并聯電池模塊系統

當并聯型直流電源電池系統的電壓源正常運行時,APFC電路由220 V交流電源給負載供電;當220 V交流電源失電時,蓄電池通過升壓DC/DC變換模塊變換電壓大小,代替APFC直流電源的電路給LLC上的110 V負載供電。當電壓源恢復正常工作時,通過Buck電路為蓄電池充電,并向LLC諧振變換電路的負載提供電壓源,蓄電池通過Boost電路與負載直流母線相連接,以便隨時向母線供電。

當需要對蓄電池進行核容充放電實驗時,待實驗的并聯電池組件接收到控制系統發出的核容命令;DC/DC模塊在接收到命令后,通過AC/DC變換電路進行均流控制,由控制模塊調節蓄電池以0.1 C恒流放電;當放電到規定電壓后停止放電,開始進行恒流充電,內部CPU檢測并記錄蓄電池的充電狀態直至核容結束。

2.2 并聯直流電源系統電池主電路設計

并聯電池模塊主要由AC/DC整流電路、DC/DC變換電路、Boost電路、Buck電路構成。當交流電源發生失電時,后備電池模塊通過Boost電路不間斷給負載母線供電;當交流電源恢復正常供電后,PFC交流電源通過Buck充電電路為后備電池模塊充電,后備電池的充放電管理由內部的CPU進行控制,圖2為并聯直流電源系統電池組APFC電路圖和Buck電路圖。

(a)APFC電路圖

(b)Buck電路圖圖2 并聯直流電源系統電池主電路

2.3 均流技術

由于并聯型直流供電系統的多個支路并聯,所以要在每個支路內加入負載均流電路,這樣才能保證電源系統在正常工作時各支路電流大小一致。若未采用均流模式,則會導致部分支路模塊過載而部分支路模塊空載,降低系統運行的可靠性。常用的均流方法主要有輸出電壓調整均流法、主從控制均流法等[11]。綜合考慮本文選擇主從控制均流法。主從控制均流法將模塊分成主模塊與從模塊,主模塊僅設置一個,其他的并聯電池模塊都是從模塊,從模塊會根據主模塊的輸出來改變自身電壓和電流的參考值,然后通過控制模塊調節自身的電壓和電流大小。

3 在線核容系統控制方案設計

3.1 APFC和LLC控制方案

本文所用的APFC電路控制模塊采用電壓外環與電流內環雙閉環控制法。其中電壓外環主要起穩定輸出電壓的作用,而電流內環的作用主要是保證電流跟隨電壓的大小而變化。

LLC電路通過對開關進行脈寬調制進而控制占空比來調節輸出電壓;通過改變諧振腔輸入方波的開關頻率,即能控制電路在電壓增益曲線的感性工作區工作,而后電路再根據輸入的頻率來調整輸入電壓。圖3為采用PWM方波控制的LLC電路。

圖3 PWM方波控制的LLC電路

由于LLC電路的輸入為PFC電路的恒定輸出電壓,所以LLC電路只需改變頻率就能改變輸出功率,即僅提高頻率就能滿足降低輸出功率的要求。APFC與LLC電路參數設計見表2。

表2 APFC與LLC電路的參數設計

3.2 在線核容充電電路控制模塊設計

電池的充電電路為Buck電路,Buck電路的參數設計見表3。

表3 Buck電路的參數設計

Buck電路通過控制模塊產生PWM調制波,給MOS管發出信號,控制開關管的開通和關斷,從而控制輸出電壓和電流。參考電壓為LLC負載電壓,規定為110 V,而且由于Buck電路是為蓄電池充電,所以電流為負值,輸入到控制模塊時需要變符號,然后與參考電壓和電流作差,通過PI調節誤差的大小,最后再將PI調節好的數據經過PWM脈寬調制后輸出,然后通過調節占空比來調節Buck電路的輸出電流和電壓。

3.3 在線核容放電電路控制模塊設計

電池的放電電路為Boost電路,采用電流環和電壓環雙閉環控制,Boost電路的參數設計見表4。

表4 Boost電路的參數設計

Boost電路通過控制模塊發出脈沖波形來調制Boost電路的占空比,進而控制輸出電壓和電流的變化。首先是調制輸出電壓的大小,通過采樣輸出電壓的值和設定的電壓值進行比較,求得誤差值,經過PI調節誤差數據,并與Boost采樣電流作差;在經過PI調節與PWM調制后,通過控制電路輸出占空比來調節Boost電路的MOS管關斷和導通時間,從而調節輸出電壓和電流。

4 大功率并聯型在線核容仿真建模及驗證

通過使用Simulink相關模塊搭建了直流供電系統的APFC電路和LLC電路、充放電的并聯蓄電池組模塊以及控制模塊。搭建完成后通過控制模塊模擬蓄電池組完成在線核容。

4.1 APFC主電路搭建

APFC主電路主要是由四個二極管組成全橋整流電路,而后與電感、輸出電容和一個MOSFET管以及串聯的負載電路構成一個完整的APFC電路。此外為保證電路中的輸出電流單向傳導,在電容所在支路增設了一個二極管。

APFC電路輸出電壓波形如圖4所示。由圖4可知,輸出的直流電壓接近400 V,紋波電壓約為4 V,符合設計要求且呈現平穩波動,保證了電壓的穩定輸出。

圖4 APFC輸出電壓波形

4.2 LLC主電路搭建及仿真結果分析

LLC主電路由兩組MOS管與寄生電容構成半橋整流模塊,而后與諧振電容、諧振電感和勵磁電容串聯在一起組成;模塊的輸入電壓為APFC的輸出電壓,電壓大小為400 V。其中LLC控制模塊的占空比依照原理應設為0.5,但是由于電路中存在損耗,于是將占空比設為0.45。LLC主電路輸出電壓波形與輸出電流波形如圖5所示。

由圖5可知,由于LLC電路中存在損耗,故LLC電路的輸出電壓實際上要小于110 V,需要根據搭建的仿真進行實時調控,可以把變壓器的匝數比調大一點,使得輸出電壓更接近110 V;負載電流為9.14 A左右,輸出功率設為1 000 W,負載電阻為12 Ω,經上述結果計算可知,功率為1 004 W,滿足輸出功率的要求。

(a)電壓波形

(b)電流波形圖5 LLC主電路輸出電壓電流波形

4.3 充放電核容主電路建模與計算

充放電回路模塊是由三條結構與參數一致的充放電電路與一條起補充電流作用的放電電路組成。充放電電路由Buck電路和蓄電池串聯,而后與Boost電路串聯構成。在仿真實驗中由于三條并聯電池支路結構的參數相同,所以僅完成其中一條支路的充放電即可,于是可以在其他兩條支路中額外串聯大電阻,使其相當于斷路,僅對其中的一條支路進行充放電仿真實驗。

對于補充放電電流的支路,由于需要與核容支路的上升沿和下降沿同時進行,難以搭建控制模塊單獨進行調整,所以為使其接收的控制信號與進行放電核容的支路相同,由搭建的同一個控制模塊來同時控制這兩條支路,以保證控制信號相同?？刂颇K電路主要由放電PWM控制模塊、充電PWM控制模塊、控制AC/DC開關關斷的判斷模塊、控制補充放電電流開斷的模塊、判斷電壓是否達到設定電壓的模塊和作為補充電流的模塊組成。此外,進行核容的支路相對于其他支路需要在Buck電路和APFC之間額外添加由控制模塊控制開斷的開關,以控制核容的開閉。核容放電電流及核容電荷量變化情況如圖6(a)所示,同時,蓄電池組放電電池電壓波形的仿真結果如圖6(b)所示。

(a)核容放電電流和核容電荷量變化

(b)放電電池電壓波形圖6 充放電核容仿真計算結果

從圖6(a)可知,所搭建的在線核容充放電模塊可以實現恒流放電,放電電流為22 A左右;隨著電池恒流放電,各組蓄電池的核容電荷量呈現逐漸累積上升的趨勢。同時,從圖6(b)可知,蓄電池組的組間電壓先升至電池標稱電壓,之后,蓄電池組的電壓在恒流放電時電壓降低,并保持在標稱電壓±3 V以內的范圍。負載電壓和電流波形如圖7所示。

圖7 負載電壓和電流波形

由圖7可知,負載處的電流大小為9 A左右,而電壓的變化一直為108 V左右,同樣符合負載輸出的要求,輸出的功率接近要求的1 000 W。經仿真結果分析,該電路模型可以完成在線核容放電且不脫離母線的需求。

5 結論

針對變電站直流電源系統中傳統蓄電池核容維護放電需要離線而影響設備安全運行的問題,本文提出了蓄電池自動在線全容量核容方法,結論如下：

1)通過研究并聯型直流供電系統自動在線核容控制策略,采用模塊化的思路,提出了針對大功率并聯型直流供電系統的蓄電池自動在線全容量核容方案。

2)采用Simulink仿真軟件搭建蓄電池自動在線全容量核容的電路模塊及其控制模塊,通過模擬仿真完成了蓄電池的自動在線全容量核容放電,驗證了蓄電池全自動在線全容量核容方案的可行性。

3)通過仿真驗證了并聯型蓄電池控制模塊可以在對蓄電池完成在線核容維護放電工作的同時,保證直流電源系統中的蓄電池不脫離母線,解決了傳統核容方案必須離線核容等問題,可為實際變電站直流電源系統設計與組建工程提供可行方案。