一种基于Boost变换器的蓄电池并网放电系统研究

罗志远，汤金兴，王 聪

（国网浙江省电力公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314033）

一种基于Boost变换器的蓄电池并网放电系统研究

罗志远，汤金兴，王 聪

（国网浙江省电力公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314033）

在电力系统中，必须定期对厂站直流系统后备电源—阀控式密封铅酸蓄电池进行核对性放电试验，准确掌握其容量，并保持其活性。为了提高核对性放电试验的准确性，改善放电环境，同时达到节能的目的，结合电力电子技术、信号检测与处理技术、控制技术与理论，对一种基于Boost升压斩波电路的蓄电池有源逆变放电系统进行了研究，既能实现蓄电池恒流放电，核定其容量，又能将蓄电池放出的电能回馈电网，减少能量浪费，改善放电环境。

蓄电池；放电；升压变换器；逆变器

0 引言

在目前电力系统中，VRLA（阀控式密封铅酸蓄电池）作为直流操作的后备电源，是事故条件下二次控制电路重要的工作电源，其性能好坏直接影响到系统的安全。但VRLA长时间工作在持续不断的浮充电状态，会造成蓄电池阳极板钝化，使电池内阻增大，电池的可用容量大大低于其标称容量，从而导致蓄电池可能提供的实际后备供电能力降低。为此，必须定期对VRLA进行容量核定和活化性放电试验，以保持蓄电池的活性并准确掌握其真实容量。目前很多地方仍采用传统的电阻放电方式，存在放电造成的环境温升大、容量测定结果不准确、蓄电池能量浪费、维护人员劳动强度大等缺点。在电力系统厂站自动化水平不断提高的今天，开展针对自动化程度更高、控制更加精确以及更加节能环保的蓄电池维护手段和技术的研究是十分必要的。以下对一种既可提高蓄电池容量核定的准确性，又可减少蓄电池放出电能浪费的蓄电池放电系统进行研究和设计。

1 系统方案设计

1.1 系统的基本功能

该蓄电池有源逆变放电系统的功能是实现蓄电池的恒流放电控制，对其容量进行检测，同时将直流电变为与公共电网同频率的交流电反馈回电网，可减少能量浪费，改善放电环境。要使蓄电池组的直流电转换为可以回馈电网的交流电，放电系统必然包括逆变环节。由于电力系统中用作后备直流电源的蓄电池组电压规格一般为110 V或220 V，在放电过程中电压会进一步降低，逆变环节又是一个降压的过程，而电网的相电压为220 V，所以必须采用升压环节实现电压的匹配。也就是说蓄电池有源逆变放电系统必须包括升压环节和逆变环节。

1.2 系统方案设计

按照系统基本功能的要求，采用晶闸管相控有源逆变的放电系统可以采用以下2种结构方案：

（1）结构方案1：蓄电池→逆变器→工频变压器→220 V交流。蓄电池的直流电先逆变为交流电，再通过工频变压器进行升压与电网相匹配，实现电能的回馈。

采用工频变压器升压实现电压匹配的方案只有一级电力电子变换电路，电路结构简单。在变压器变比一定的情况下，由于蓄电池的电压在放电过程中的下降和电网的波动，必须通过不断调整逆变器的逆变角来实现电压的匹配和放电电流的控制，这样会带来更多的谐波，控制电路也比较复杂。同时逆变器工作于大电流状态时，晶闸管工作时的损耗较大。

（2）结构方案2：蓄电池→升压变换器→逆变器→220 V交流。蓄电池的直流电先经过DC/ DC升压变换，使直流电压升高，然后通过逆变环节将直流电转换为交流电回馈电网。

采用这种方案的系统有两级电力电子变换电路，但其实现过程并不复杂。可以通过对直流升压变换器的控制来实现电压的匹配，交流侧可以直接接入交流电网。这种方案的难点在于低压大电流的DC/DC部分，元件的导通损耗较大，对散热设计要求较高。

为了尽量改善采用晶闸管相控有源逆变电路作为逆变器的有源逆变放电系统的功率因数，减小其对电网造成的谐波干扰，考虑到系统的可行性、可靠性及成本，基于结构方案2，提出了一种结合Boost升压斩波电路和基于晶闸管的电流型三相全桥逆变电路的蓄电池有源逆变放电方案。在系统工作过程中保持逆变环节逆变角的恒定，不对其进行调节，使其工作于一个固定的谐波最小、功率因数最高的最小逆变角状态。升压环节采用结构简单的Boost升压电路，通过对Boost升压电路的控制，将直流电压升高，实现电压匹配，以满足后级逆变电路的工作条件，同时实现对蓄电池放电电流的控制，保持电流恒定，结合放电时间便可实现对蓄电池容量的测定。

整个蓄电池有源逆变放电系统由主电路、控制电路和保护电路构成，系统原理如图1所示。

该方案因为在前级采用了升压电路，可以使逆变电路的晶闸管工作于更小的电流状态，减小了所需晶闸管的容量。采用固定逆变电路逆变角的运行模式，在一定程度上改善了相控有源逆变放电的功率因数，减小了谐波，控制也更加容易实现。虽然比结构方案1多了一个升压斩波环节，但省去了一个升压变压器，以及减小了所需晶闸管的容量，所节约成本足以抵偿升压斩波电路的成本。选择三相全桥逆变电路，与单相逆变电路相比，更有利于三相电网的平衡；与三相半波逆变电路相比，消除了偶次谐波，减小了交流电流，逆变电路需要的平波电抗器电感量及工作电流也较小。

图1 放电系统原理框图

2 系统的建模与仿真

完整的蓄电池有源逆变放电系统仿真模型如图2所示。为了验证在电网电压波动时的恒流放电结果，交流电网采用三相可编程电源模块，可以在设定的时刻改变交流电压幅值。蓄电池模型采用一个可控的直流电压源实现。蓄电池的恒流放电控制采用PI控制模块实现。

根据系统主电路参数的设计结果，设定升压电感值为10 mH，电容值为1 000 μF，平波电抗器电感值为30 mH，电感直流电阻值为1 Ω。三相全桥逆变电路的控制角设为150°，即逆变角设定为30°，三相交流电压为380 V，蓄电池电压初始值为220 V，放电电流设定为50 A，控制信号频率为10 kHz，仿真时长设为0.35 s，仿真算法为ode23tb。蓄电池放电时，升压电路输出电流Io，输出电压Uo，蓄电池放电电流I，蓄电池电压U波形如图3所示。蓄电池有源逆变放电系统单相并网电流及电网电压波形如图4所示。

从仿真结果可得，在蓄电池电压随着放电的进行而不断下降的过程中，恒流控制电路能够保证蓄电池的恒流放电和逆变并网的顺利进行。

因为蓄电池放电过程中电压下降的速度很慢，在此假设直流（蓄电池）电压值不变，考虑交流电网波动时放电系统的工作状态，设定交流电网线电压初始值为380 V，在0.2 s时升高为初始值的1.1倍。升压电路输出电流 Io和输出电压Uo，蓄电池放电电流I和直流电源（蓄电池）电压U波形如图5所示。蓄电池有源逆变放电系统单相并网电流及电网电压波形如图6所示。

图2 放电系统仿真模型

图3 蓄电池放电时电压、电流波形

图4 蓄电池放电时的单相并网电流波形

当其他条件不变，设定电网电压在0.2 s降为初始值0.9倍时的波形分别如图7和图8所示。

从仿真结果可以得到，在蓄电池电压随着放电的进行而降低，或者电网电压幅值出现向上和向下的波动时，系统都能够保持蓄电池按设定电流50 A恒流放电，放电电流纹波满足在参数设计时要求的5%以内，直流输出电压纹波满足参数设计1%的要求，能够保证回馈电流的连续性，顺利实现能量的回馈。

图5 电网电压幅值增大时波形

图6 电网电压幅值增大时单相并网电流波形

图7 电网电压幅值减小时波形

图8 电网电压幅值减小时单相并网电流波形

3 结语

提出的一种基于Boost升压斩波电路的蓄电池有源逆变放电系统方案，在一定程度上改善了采用晶闸管相控有源逆变电路实现能量回馈时的功率因数，减小了并网电流的谐波。该方案具有电路结构简单，控制易实现，可靠性高，成本相对较低等优点，在大容量蓄电池的放电试验中优势更加明显。为变电站和发电厂直流屏逆变放电提供了一种新的参考方案，具有一定的应用前景。

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（本文编辑：方明霞）

Study of A Battery Integrated Discharging System Based on Boost Converter

LUO Zhiyuan，TANG Jinxing，WANG Cong

（State Grid Jiaxing Power Supply Company，Jiaxing Zhejiang 314033，China）

In power system，discharge test on the backup power source-VRLA（valve regulated lead-acid battery）of DC system in power plants and substations must be regularly conducted to learn its capacity accurately and keep its activity.For the sake of test accuracy enhancement，discharge environment improvement and energy conservation，the paper investigates an active power inverter discharge system of battery based on Boost chopping circuit，which not only enables constant current discharge for capacity check but reduces energy waste by injecting the discharged battery energy into power grid and improves the discharge environment.

battery；discharge；boost converter；inverter

TM912

A

1007-1881（2016）12-0069-04

2016-10-17

罗志远（1985），男，工程师，主要从事电力系统变电运维工作。