基于DC-DC变换的变电站直流电源设计

王建元，武金亚，温伟伟，赵鑫，刘鹤

（1．东北电力大学，吉林 吉林132012；2．国网天津市电力公司，天津300010）

0 引 言

国内随着专利问题及锂电池新技术的突破，锂动力电池将广泛应用于变电站直流系统中［1］。由于单体蓄电池性能的差异，串联使用时会产生不均衡现象导致“短板效应”［2］。如何提高电池的循环寿命，防止大量的能源浪费现已成为一个重要的研究课题。

为了提高电源的容量和可靠性，采用多个电源模块并联互备，是电力系统中变电站后备电源发展的一个方向［3-5］。由于单体蓄电池的电压幅值有限，为了达到要求的输出电压，国内正在推广对单体电源采用DC-DC变换实现Boost升压的方法。为了提高电力系统运行的安全性和可靠性，确保升压后并联的电源模块能平均分配负载电流，必须采用均流技术［6-7］。文献［8］提出了对并联均流技术的实施运用，以实现并联电源的均流控制。

但是，传统的Boost变换器在电力系统后备电源的运用中存在着诸多缺陷，包括：开关管所承受电流过大，单个储能元件必须有很大的容量，其可靠性较差，功率器件的损耗大，动态特性不好等［9-10］。然而有源法中的最大均流法虽广为应用，但其只能实现动态均流，致使输出电流存在低频振荡，输出电压有过电压现象［11］。

以上缺陷的存在，将会给电力系统的运行带来安全隐患。本文设计了一种基于DC-DC变换的变电站直流电源，提出了双重Boost升压方法和采用中间电流均流控制的策略。最后使用MATLAB／Simulink仿真软件对所提出的策略进行了仿真研究，仿真结果表明了该策略的可行性和有效性。

1 变电站直流负荷的计算与电池的选择

1．1 变电站直流负荷的容量计算

110 kV变电站二次回路上的直流负荷主要分为：经常负荷、事故负荷、冲击负荷。其直流母线输出的额定电压Ur主要为220 V［12］。结合110 kV变电站直流系统实际分配情况对直流负荷进行统计。结果见表1。

表1 110 kV变电站系统直流负荷统计Tab．1 110 kV substation system of DC load statistics

1．2 锂电池容量的选择

在上述110 kV变电站负荷分配的基础上，选择锂电池时应满足以下三个阶段的容量要求。

式中，Icq=50．9 A，t1=1 min（1／60 h），k1=0．8（初期阶段的放电容量系数）。

（2）持续阶段。

式中，Icx=43．7 A，t2=2 h，k2=0．96（持续阶段的放电容量系数）。

（3）随机阶段。

式中，Isj=120．0 A，t3=5 s（1／720 h），k3=0．5（随机阶段的放电容量系数）。

由式（1）～式（3）所得出的容量值可推出所需锂电池的总容量值为：

式中，kre=1．2（可靠系数）；keq=0．9（锂电池有效容量系数）。

结合上述计算，在变电站后备电源工作时，为了避免电池并联出现冗余。本文选用2块均为48 V，100 A·h的磷酸铁锂电池相互并联，其详细参数可见表2。

表2 48 V锂电池参数Tab．2 Lithium battery parameters of 48 V

2 双重Boost升压电路的工作原理及仿真分析

2．1 工作原理

如图1所示，双重Boost升压电路在电感和电容无限大的情况下，它是利用全控型器件绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的导通与关断所占的占空比来控制的。

图1中Uin、Uout分别为电路的输入、输出电压；D为二极管；C为电容；L为电感。

图1 双重Boost升压变换器原理图Fig．1 Schematic diagram of double Boost converter

与普通升压电路不同的是双重Boost升压电路具备两个IGBT。当工作时两个IGBT的区别只是相位延迟时间不同。充电时，等效电路如图2所示。两个IGBT均导通，其通态时间为ton。此时储能电感L进行能量储存，为了防止电容C对地放电，二极管截止。流过电感的电流为：

式中，流过电容的最小电流为Io。电感充电时的储能值为UinI·ton。

图2 充电等效原理图Fig．2 Charge equivalent schematic diagram

如图3所示，当IGBT关断时电路为放电等效电路。设IGBT的截止时间为toff，则电感的放电能量为（Uout-Uin）I·toff。

图3 放电等效原理图Fig．3 Discharge equivalent schematic diagram

根据Boost升压变换电路的工作原理整理得出：

式中，a为占空比，a=ton／T。电路是通过改变IGBT的占空比来控制输出电压的大小。

2．2 电路的组成及其仿真分析

由于在设计时电路中电容和电感值是无法实现无限大的选取，而L，C容量的选择在升压电路中是很重要的问题。在本文选择的48 V输入电压的基础上，结合MATLAB／Simulink实现电路的仿真。理想的电感其输入的电感能量值与输出的相等，选择条件为：

式中，Ts代表全控型器件绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的通断周期，此处取 20 μs；Iout为储能电感侧的电流值。结合本文选取的锂电池参数，理论求得电感值L=83 μH，实际选取电感值为2 mH。

电容的容量选择条件为：

式中，U′为纹波电压。

结合本文选用的输入电压为48 V，输出电压要达到220 V，计算求得C=30 μF，考虑到仿真效果和输出波形，本文选择的电容值为2 mF。

综上，本文搭建了单体电源的双重Boost升压电路的MATLAB／Simulink仿真模型，如图4所示。

图4 双重Boost升压变换器仿真模型Fig．4 Simulation model of double Boost converter

通过仿真得到双重Boost升压后的输出电压波形，如图5所示，可知其输出电压为232 V满足输出要求。

图5 升压仿真结果Fig．5 Simulation results of boost

为了满足电源模块不断电互备替换的需求，本文将升压后的两个电源模块进行并联，其仿真输出波形如图6所示，可见输出电压波形的幅值存在明显的差异。

图6 2个直接并联的升压电路仿真波形Fig．6 Simulation waveforms of 2 direct parallel connected boost circuits

3 均流的原理

本文采用的是中间电流均流控制法。如图7所示，其硬件电路由CPU、A／D转换电路、PWM生成电路、运算放大器等器件组成。

图7 均流控制原理图Fig．7 Schematic diagram of current-sharing control

VT1为电压传感器，用来检测电源模块输出的电压值，CT1为电流传感器，用来检测输出的电流值，A1为运算放大电路和二极管及电阻构成均流信号发生电路。结合二极管的单向导电性，相互并联的电源模块会通过各自的二极管D1把最大的电流信号与1号均流母线相连。与此同时相并的直流电源把其最大电压差送到2号均流母线。输出的电压信号Uout，电流信号Iout以及两个均流母线上的最大电流信号值Imax和最大电流差值ΔImax经A／D转换电路运算，转换成对应的数字信号送到CPU上。由中间电流均流控制方法控制PWM生成电路发出对应的PWM信号，来控制DC／DC双重Boost直流升压电路中IGBT管的导通与关断状态。当并联的两电源模块输出的电压满足母线电压要求，输出的电流近似相等，确保其误差在允许范围之内，则实现均流。

图8 中间电流控制框图Fig．8 Block diagram of the intermediate current control method

如图8所示控制框图中由最大电流值信号Imax和最大电流差值信号ΔImax经“MID”运算得出中间电流值信号Imid。通过中间电流信号Imid来比较调节输出电流Iout的大小，当输出的电流差值满足中间电流控制法的精度要求，则实现均流控制。

4 仿真分析与结果

使用MATLAB／Simulink仿真软件依据双重Boost升压法和中间电流均流控制法进行建模仿真，其仿真拓扑图，如图9所示。

图9 仿真模型Fig．9 Simulation model

通过电流信号Imid分别来控制两个电源封装模块（Boost、Boost1）中的IGBT的通断。均流互备的电源模块输出结果如图10所示，当电阻R设为75Ω时，Iout1输出电流为 1．553 A，Iout2输出电流为 1．550 A。 输出电压为230 V，满足1．05Ur的要求。两个电源模块输出的电流误差符合中间电流控制法对均流精度的要求，同时还能实现理想的输出电压。

图10 仿真结果Fig．10 Simulation result

5 结束语

本文针对电力系统中后备电源的可靠运用提出了一种采用中间电流均流控制法控制的双重Boost升压变换电路。在MATLAB／Simulink仿真环境下搭建了相应的仿真模型，通过对各项特性理论分析和仿真结果总结得出：双重Boost升压变换法不但能达到升压稳压的目的，而且降低了功率元件的电流应力，减小了输出电流的纹波幅值；中间电流均流控制方法可以较好的实现对两个并联升压电路的稳态控制，不但确保了电源的安全运行，而且提高了其供电品质。结果表明该方案即能提高锂电池系统的使用效率，也可以保证电源模块在出现故障的情况下实现不断电替换。