能量回馈型变电站蓄电池组活化系统*

马 艳, 吴 航, 周 亚, 曹 海, 黄海宏

(1.国网安徽省电力有限公司 滁州供电公司, 安徽 滁州 239000;2.合肥工业大学, 安徽 合肥 230009)

0 引 言

蓄电池组是变电站直流系统的重要后备电源。但是变电站交直流一体化电源系统在实际运用中,若不发生交流停电,变电站蓄电池组会长期处于浮充电状态下,只充电不放电会造成蓄电池阳极板钝化使内阻增大、容量也会减小,蓄电池容易出现老化失容、热失衡等问题,若不能及时发现和维护,会对供电安全和稳定造成不利影响。

定期核容放电试验(简称电池活化)是对蓄电池组容量检测的有效手段。传统的蓄电池放电装置为电阻耗能型,具有结构简单和技术难度小的优点,但其采用通过功率电阻将蓄电池能量转变成热能耗散的方式,造成了能源的浪费,同时热能也造成装置内部和周围环境温度升高,且耗能会产生红热现象,有引起火灾的隐患,无法实现无人值守。

新型能量回馈型变电站蓄电池组活化系统的主要功能在于蓄电池核容放电时,应控制蓄电池组处于恒流放电状态(根据蓄电池容量设定恒流放电电流值),并且将蓄电池组放出的能量回馈至电网,同时实现网侧高功率因数,避免影响电网的电能质量。

基于此要求,本设计采用DC/DC变流器和DC/AC并网变流器级联结构,两者通过直流母线实现连接。其中DC/DC变流器的功能是实现蓄电池组恒流放电,将蓄电池组放出的能量注入到DC/AC并网逆变器的直流侧;而DC/AC并网变流器的功能是实现单位功率因数并网逆变,实现能量回馈。

1 能量回馈型变电站蓄电池组活化系统组成

能量回馈型变电站蓄电池组活化系统结构如图1所示。系统由监控、DC/AC并网变流器和DC/DC变流器、电池检测装置组成。

图1 能量回馈型变电站蓄电池组活化系统结构

DC/AC并网变流器实际工作在PWM整流器状态,具有双向变流功能,既可工作在整流状态,也可工作在逆变状态,其控制系统为双闭环(电压外环,电流内环)。电压外环以稳定直流母线电压为控制目标,通过检测直流母线电压升降变化趋势,与给定目标值进行比例积分调节,改变工作模式或调整输出、输入功率。当直流母线电压低于给定电压时,变流器工作于整流状态;若当母线电压高于给定电压,变流器进入逆变工作模式。通过电流内环实现对电网电流的相位控制,保证交流侧单位功率因数运行[1-3]。

系统工作时,DC/AC首先工作在整流状态,维持直流侧电压稳定在750 V附近。在监控上可以设置蓄电池恒流放电电流和单体电池截止放电电压。启动活化时,操作人员可通过监控的键盘和液晶界面下发指令,同时监控也可通过网口响应上位机指令,对DC/DC变流器下发放电指令,DC/DC变流器控制蓄电池组工作在恒流放电状态,恒流电流值由监控以无线通讯方式发送给变流器控制器。DC/DC变流器将蓄电池组放出的能量注入到直流母线上,此时DC/AC并网变流器实现单位功率因数并网逆变,将蓄电池组放出的能量回馈给交流电网。监控实时检测蓄电池组放电电流,采用安时法进行容量累计计算,并通过电池检测装置实时获取单体电池电压数据,当单体电池电压低于设定的单体电池截止放电电压时,监控下发停止活化指令。

2 DC/DC变流器设计

DC/DC变流器用于实现蓄电池的恒流放电。目前变电站直流系统大多为110 V和220 V系统,该电压数值与DC/AC并网逆变器的直流母线电压750 V差值较大。若DC/DC变流器采用常规的单管Boost升压电路,当输入和输出电压差较大时,升压电路不易达到较高升压比的要求。故本次设计的DC/DC变流器采用可实现宽范围输出的2个Buck-Boost组合的主电路拓扑,DC/DC变流器结构如图2所示。

图2 DC/DC变流器结构

图2中Ui表示蓄电池组端电压,Uo表示DC/AC并网变流器的直流侧电压。双向DC/DC在控制上采用对管控制方式,即VT1和VT4的驱动信号同步,VT2和VT3的驱动信号同步,两组驱动信号间加入死区。蓄电池组放电时DC/DC的工作状态[4-5]如图3所示。

图3 蓄电池组放电时DC/DC工作状态

设L1和L2电感量很大,控制电路的PWM周期为T,VT1和VT4的导通占空比为D,VT1和VT4的导通时间为ton,关断时间为toff。若忽略死区时间,在toff时间内,控制器对VT2和VT3施加驱动信号,VT2和VT3导通,此时Ui和Uo一起为L1和L2储能,L1和L2两端压降为Ui+Uo;而在ton时间内,控制器对VT1和VT4施加驱动信号,但此时VT1和VT4不导通,L1和L2释放能量,L1和L2两端压降为Uo-Ui,根据伏秒定律,即

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

(1)

将ton和toff用占空比D和1-D来表示,并忽略死区时间,则

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

(2)

经简化,即

Uo=Ui/(2D-1)

(3)

即变换器两端电压变比不取决于控制电路PWM占空比,而取决于互补导通功率管PWM占空比的差,相较传统的Boost电路,更容易达到变换器两端电压大变比要求。

3 DC/AC并网变流器设计

DC/AC并网变流器用于把DC/DC变流器注入到直流侧的能量通过并网逆变回馈至交流电网。本次设计DC/AC采用二极管箝位型三电平PWM整流器拓扑,三相DC/AC并网变流器结构如图4所示。

图4 三相DC/AC并网变流器结构

每一相桥臂由4个功率开关管构成和2个箝位二极管组成,使得每一相桥臂可以产生正、0、负3个电平,在相同的开关频率及控制条件方式下,三电平PWM整流器输入电流的谐波大大小于两电平整流器,故所需要的网侧滤波电感阀值大大降低,可降低系统成本[6-7]。

网侧电压回路方程如式(4)所示,其中dk为功率管占空比,ek为网侧相电压,udc为直流侧电压。

(4)

图5 三相DC/AC并网变流器工作原理

(5)

稳态工作时PWM调制波为正弦波,且与电网电压ek(k=a,b,c)间相角为γ,调制比为m,则占空比dk可描述为

(6)

(7)

典型的多电平变换器的PWM调制算法需要两组正负分布的三角载波与调制波进行比较来得到PWM脉冲信号。本次设计中控制器采用的DSP芯片通过事件管理器来产生PWM控制信号,而事件管理器只能产生正的三角载波。

为了能够在DSP中实现三电平调制算法,本文采用改进的载波调制算法。以A相为例对该调制方法进行分析,当调制信号大于零时,将三角载波峰值减去调制信号作为比较值赋给DSP的事件管理器A中的比较寄存器CMPR1;将0作为比较值赋给事件管理器B中的比较寄存器CMPR4。当调制信号小于零时,将三角载波峰值减去调制信号作为比较值赋给DSP的事件管理器A中的比较寄存器CMPR1;将调制信号的负值作为比较值赋给事件管理器B中的比较寄存器CMPR4。定义PWM1,PWM7为低电平有效,PWM2,PWM8为高电平有效,改进载波调制如图6所示。以A相桥臂为例,PWM控制信号采用如下分配原则: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]。

图6 改进载波调制

4 实验验证

将监控、DC/AC并网变流器、DC/DC变流器和蓄电池组连接起来进行测试,实验样机如图7所示。

图7 实验样机

二极管箝位型三电平DC/AC并网变流器A相电压波形如图8所示,明显呈现出三电平特性。

图8 二极管箝位型三电平DC/AC并网变流器A相电压波形

DC/AC并网变流器实验波形如图9所示。其中通道1为经电流霍尔传感器检测的相电流波形,通道2为经电压互感器检测的相电压波形,图9中网侧电流与电压波形相位相差近180°,说明并网逆变成功。

DC/DC变流器中功率管的两组驱动波形实验波形如图10所示,有明显的死区时间。

图10 DC/DC变流器中功率管的两组驱动波形实验波形

电能质量分析仪检测结果如图11所示,网侧三相电流的THD均低于3%。由图9和图11不难看出,实验样机可实现蓄电池组活化中的能量回馈,且可获得网侧高功率因数,达到预期目标。

图9 DC/AC并网变流器实验波形

图11 电能质量分析仪检测结果

5 结 语

蓄电池组对于变电站的安全稳定运行起着至关重要的作用,定期活化是对蓄电池组进行容量检测、发现落后电池的有效手段。本文设计了一套带能量回馈型变电站蓄电池组活化系统,包含DC/AC并网变流器、DC/DC变流器、监控和电池检测装置,可实现蓄电池组能量回馈电网和交流侧高功率因数。实验结果表明实验样机已基本实现设计目标。