大功率超級(jí)電容快速充電裝置技術(shù)方案探討

邢甲第

（中鐵電氣工業(yè)有限公司，北京 100036）

1 充電裝置主要參數(shù)

根據(jù)外電源要求，超級(jí)電容快速充電裝置輸入電壓：10kVac。充電對(duì)象是由344個(gè)單體電容容量7000F、最高工作電壓2.7V電容串聯(lián)，再兩串并聯(lián)的超級(jí)電容組，計(jì)算最高工作電壓928.8，據(jù)此確定輸出充電最高電壓：950V，輸出電壓可在0～950V可調(diào)。根據(jù)充電時(shí)間要求，充電額定功率：800kVA ，最大充電電流：1800A。

2 工頻變壓器拓?fù)?/h2>

超級(jí)電容充電裝置實(shí)際上是由變壓器、無(wú)源元件和電力電子器件組成的連接電網(wǎng)和超級(jí)電容組的系統(tǒng)（也可稱為能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng) Power Conversion System， PCS），是超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的重要組成部分，它承擔(dān)著超級(jí)電容組從交流電網(wǎng)快速吸收能量的任務(wù)，如圖1所示。

在電容側(cè)，PCS需要滿足電容能量管理及充電指標(biāo)的要求，在電網(wǎng)側(cè)，包括諧波、功率因數(shù)和電壓偏差等運(yùn)行與響應(yīng)特性也都需要由 PCS實(shí)現(xiàn)。由于超級(jí)電容的電壓源特性，PCS的結(jié)構(gòu)以電壓源變流器（Voltage Sourced Converter， VSC）為主。大容量 PCS交流側(cè)要接入電壓等級(jí)較高的電網(wǎng)，而超級(jí)電容組的端電壓卻難以達(dá)到相應(yīng)的電壓等級(jí)。PCS裝置必須通過(guò)適當(dāng)?shù)慕祲捍胧┙尤搿?/p>

采用變壓器降壓接入是解決 VSC直流側(cè)與交流側(cè)電壓不匹配的最常用方法，目前國(guó)際上各種電池儲(chǔ)能工程多是在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。傳統(tǒng)大容量 PCS的結(jié)構(gòu)如圖2所示，儲(chǔ)能元件作為穩(wěn)定的電壓源，直接與 VSC的直流側(cè)相連。由于 VSC輸出電壓的峰值受儲(chǔ)能元件端電壓限制，故其交流側(cè)多為較低的電壓等級(jí)，再經(jīng)由升壓變壓器接入中壓配電網(wǎng)。根據(jù) VSC的運(yùn)行原理，流過(guò)直流側(cè)的電流為變化劇烈的脈沖電流，為防止儲(chǔ)能元件頻繁充放電，需加入直流濾波元件；同樣，交流側(cè)也需要設(shè)置濾波器來(lái)抑制輸出電流諧波含量與調(diào)節(jié)裝置響應(yīng)速率。

為增加裝置的容量，儲(chǔ)能系統(tǒng)將兩組電容并聯(lián)于 VSC直流側(cè)。由于各并聯(lián)電容組的參數(shù)不可能完全一致，不可避免地會(huì)產(chǎn)生環(huán)流或充放電不均等問(wèn)題。同時(shí)，較低的電壓意味著更大的充放電電流，這將增大散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，提高裝置的成本。另外，圖2的 PCS拓?fù)涫?IGBT反并聯(lián)二極管的不控整流作用，其輸出電壓不能從 0V起調(diào)，難以滿足充電裝置對(duì)不同充電模式適應(yīng)性的要求。

為解決以上問(wèn)題，以 ABB為代表的一些變流器供應(yīng)商在 PCS中加入了一級(jí) DC/DC電路，即采用 DC/DC+DC/AC的 PCS模式，如圖3所示。DC/DC變流器可以根據(jù)需要匹配電池組端電壓與 VSC直流側(cè)電壓，降低系統(tǒng)額定電流，使 PCS裝置更加靈活地與電網(wǎng)電壓匹配。

目前實(shí)際儲(chǔ)能工程中的 PCS結(jié)構(gòu)以兩電平為主，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單可靠，而缺點(diǎn)則在于系統(tǒng)的開關(guān)頻率。城市配電網(wǎng)對(duì)接入裝置的電能質(zhì)量有一定的要求， PCS注入電網(wǎng)的諧波必須控制在較低水平，這就限制了開關(guān)器件的最低開關(guān)頻率，使得大容量系統(tǒng)中 PCS的效率難以提高。

3 多電平拓?fù)?/h2>

多電平變換器技術(shù)可以提高系統(tǒng)等效開關(guān)頻率，在降低器件開關(guān)頻率的同時(shí)達(dá)到更高的輸出波形質(zhì)量，是目前大容量變流器的發(fā)展趨勢(shì)。

多電平變換的基本思想是用多個(gè)電平臺(tái)階合成階梯波來(lái)逼近正弦輸出電壓。由于每個(gè)開關(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力減小，故變換器可以采用同類開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)更高電壓等級(jí)的輸出。根據(jù)電平鉗位方式的不同，可將常用的多電平變換器歸結(jié)為三種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：二極管鉗位、懸浮電容鉗位和獨(dú)立電源鉗位，如圖4所示。其中，二極管鉗位和懸浮電容器鉗位電路由于自身?yè)Q流過(guò)程的復(fù)雜性，所需的鉗位器件數(shù)量隨著電平數(shù)的升高而增加，不但提高了成本，而且從控制的復(fù)雜度及可靠性方面考慮也不理想，因此在實(shí)際應(yīng)用中一般不超過(guò) 5電平；若考慮在超級(jí)電容儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用，二極管鉗位電路在電源 E1‐E4之間存在由二極管組成的充放電通路，可以調(diào)節(jié)超級(jí)電容組之間的電量，而懸浮電容鉗位電路不存在這一通路，直流側(cè)仍需多組超級(jí)電容直接串聯(lián)，可靠性相對(duì)較低，因而實(shí)用性較差。

相對(duì)于前兩者，獨(dú)立電源鉗位的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)控制更加簡(jiǎn)單，易于封裝及模塊化，易實(shí)現(xiàn)較高的電平數(shù)，其可行性在大容量無(wú)功補(bǔ)償領(lǐng)域已獲得證明，且在高壓變頻及輕型直流輸電領(lǐng)域也有重要應(yīng)用。超級(jí)電容組作為穩(wěn)定的電壓源接入鏈?zhǔn)阶兞髌鞲鞔?lián)單元的直流側(cè)，可以避免傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償裝置中的直流電壓均衡問(wèn)題，由于本項(xiàng)目中僅涉及對(duì)超級(jí)電容器組實(shí)現(xiàn)快速充電，因此平衡各電容器組放電深度便不再考慮。

4 變壓器的高頻化

受開關(guān)器件耐壓的限制，除鏈?zhǔn)酵負(fù)渫?，目前其他的多電平技術(shù)尚不足以使變流器直接運(yùn)行于中壓母線，必須通過(guò)變壓器升壓。傳統(tǒng)工頻變壓器具有電氣隔離、電壓變換等功能，在發(fā)、輸、配電領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用，但笨重的低頻磁路設(shè)計(jì)使其在占地及噪音等方面都并不理想。大都市中軌道交通對(duì)于裝置占地非常敏感，而且變壓器的工頻噪音也易影響附近居民或旅客的出行感受。

采用現(xiàn)代電力電子器件，可以實(shí)現(xiàn)工頻交流電與高頻交流電之間的靈活轉(zhuǎn)化，并采用高頻變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的變換。其原理如圖5所示。在具體實(shí)現(xiàn)方法上，既可以通過(guò)電力電子變換將輸入側(cè)工頻交流電直接調(diào)制為高頻交流，再通過(guò)輸出端變流器解調(diào)；也可以增加一級(jí)直流環(huán)節(jié)，采取 AC/DC/AC的方式進(jìn)行交—交變換。二者相比，采用的開關(guān)器件數(shù)量相當(dāng)，而后者的控制策略更加簡(jiǎn)單可靠，有望成為今后的發(fā)展方向。

高頻變壓器與傳統(tǒng)工頻變壓器的比較如圖6所示。采用高頻變壓器方案的優(yōu)勢(shì)在于裝置的體積小、重量輕、成本低，并可避免傳統(tǒng)工頻變壓器由于鐵心磁飽和造成系統(tǒng)中電壓電流波形畸變的問(wèn)題；若將開關(guān)頻率提高到 20kHz以上，更可極大地降低裝置的運(yùn)行噪聲。

雖然目前這種電力電子變壓裝置的損耗仍然高于傳統(tǒng)變壓器，但隨著基于碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等材料的新一代電力電子元件逐漸成熟，該類方案在中低壓城市電網(wǎng)中將具有良好的前景，也為軌道交通中大容量超級(jí)電容器組的快速充電方式提供了新的思路。

5 超級(jí)電容快速充電裝置主電路

在前面的分析中，多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 PCS可以在沒(méi)有降壓變壓器條件下有效適應(yīng)電網(wǎng)側(cè)電壓水平，同時(shí)諧波電流小、功率因素高、效率數(shù)據(jù)均能保持較高水平。但每個(gè)級(jí)聯(lián)模塊的直流母線需要相互獨(dú)立，因此，也需引入高頻隔離變壓器方式，導(dǎo)致功率模塊繁多，成本極高。在本項(xiàng)目中采用多電平拓?fù)涫遣缓侠淼?。故此，提出下面幾個(gè)方案進(jìn)行比較。

5.1 三路（PWM整流器+ZVS降壓斬波支路）并聯(lián)運(yùn)行（圖6）

圖6為3路并聯(lián)運(yùn)行方案，使斬波器 IGBT器件在零電壓條件下發(fā)生開關(guān)動(dòng)作，可進(jìn)一步提高開關(guān)頻率，減小器件開關(guān)應(yīng)力和損耗。

5.2 三路（PWM整流器+ZVT降壓斬波支路）并聯(lián)運(yùn)行（圖7）

5.3 共直流母線的 ZVZC全橋變換器拓?fù)洌▓D8）

在圖8中為DC/DC全橋變換器，整流側(cè)配置 2路 PWM整流器，輸出連接至共用的直流母線，提高整流器部分的冗余，降低器件電流參數(shù)。左側(cè)橋臂的2個(gè)IGBT分別在右側(cè)橋臂的2個(gè)IGBT之前關(guān)斷，則左側(cè) 2管組成的橋臂為超前橋臂，而后關(guān)斷的右側(cè) 2管組成的橋臂為滯后橋臂，特別值得關(guān)注的是滯后橋臂開關(guān)管的兩端不能連接并聯(lián)電容，否則當(dāng)開關(guān)管在開通時(shí)，其連接并聯(lián)電容上電壓不能降為零，并聯(lián)電容上的能量將會(huì)全部消耗到開關(guān)管中，還會(huì)產(chǎn)生很大的電流尖峰，造成開關(guān)損壞。本方案主電路的超前橋臂為零電壓開關(guān)，而滯后橋臂為零電流開關(guān)，采用 ZVZC SPWM全橋變換器控制方式。ZVZC SPWM全橋變換器不需要外加諧振電感，它可以在寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超前管的 ZVS和滯后管的 ZCS開關(guān)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔。但對(duì)高頻變壓器的一次側(cè)漏感要求苛刻，生產(chǎn)繞制非常困難，雖然電路后橋臂串聯(lián)反向截止二極管可實(shí)現(xiàn)原邊開關(guān)管零電流開關(guān)，但是串聯(lián)二極管正向?qū)〞r(shí)損耗依然較大，效率降低。

5.4 模塊并聯(lián)的 ZVZC全橋變換器拓?fù)洌▓D9）

圖8是圖9方案的模塊并聯(lián)方案，可靠性、冗余度及擴(kuò)展性等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。但目前鐵氧體磁性處理的有效功率仍是技術(shù)瓶頸，而采用非晶、微晶和超微晶鐵芯材料的高頻隔離變壓器的制作比較復(fù)雜，制造成本很高。

6 方案選擇

綜合上述分析，圖7方案應(yīng)作為首選。系統(tǒng)為3路有冗余，當(dāng)一個(gè)并聯(lián)充電模塊發(fā)生故障退出運(yùn)行后，其他兩路模塊仍能正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)車載超級(jí)電容器組的降額充電。能使斬波器 IGBT器件在零電壓條件下發(fā)生開關(guān)動(dòng)作，可進(jìn)一步提高開關(guān)頻率，減小器件開關(guān)應(yīng)力和損耗。能夠滿足輸出電壓在0～950V可調(diào)。

[1]張方華.雙向DC/DC 變換器的研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2004.

[2]劉鐘淇.基于模塊化多電平變流器的輕型直流輸電系統(tǒng)研究[D].北京：清華大學(xué)，2010.

[3]蔡宣三，龔紹文.高頻功率電子學(xué)[M].北京：水利水電出版社，2009.