一種基于Boost變換器的蓄電池并網(wǎng)放電系統(tǒng)研究

羅志遠(yuǎn)，湯金興，王 聰

（國網(wǎng)浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033）

一種基于Boost變換器的蓄電池并網(wǎng)放電系統(tǒng)研究

羅志遠(yuǎn)，湯金興，王 聰

（國網(wǎng)浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033）

在電力系統(tǒng)中，必須定期對(duì)廠站直流系統(tǒng)后備電源—閥控式密封鉛酸蓄電池進(jìn)行核對(duì)性放電試驗(yàn)，準(zhǔn)確掌握其容量，并保持其活性。為了提高核對(duì)性放電試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，改善放電環(huán)境，同時(shí)達(dá)到節(jié)能的目的，結(jié)合電力電子技術(shù)、信號(hào)檢測(cè)與處理技術(shù)、控制技術(shù)與理論，對(duì)一種基于Boost升壓斬波電路的蓄電池有源逆變放電系統(tǒng)進(jìn)行了研究，既能實(shí)現(xiàn)蓄電池恒流放電，核定其容量，又能將蓄電池放出的電能回饋電網(wǎng)，減少能量浪費(fèi)，改善放電環(huán)境。

蓄電池；放電；升壓變換器；逆變器

0 引言

在目前電力系統(tǒng)中，VRLA（閥控式密封鉛酸蓄電池）作為直流操作的后備電源，是事故條件下二次控制電路重要的工作電源，其性能好壞直接影響到系統(tǒng)的安全。但VRLA長時(shí)間工作在持續(xù)不斷的浮充電狀態(tài)，會(huì)造成蓄電池陽極板鈍化，使電池內(nèi)阻增大，電池的可用容量大大低于其標(biāo)稱容量，從而導(dǎo)致蓄電池可能提供的實(shí)際后備供電能力降低。為此，必須定期對(duì)VRLA進(jìn)行容量核定和活化性放電試驗(yàn)，以保持蓄電池的活性并準(zhǔn)確掌握其真實(shí)容量。目前很多地方仍采用傳統(tǒng)的電阻放電方式，存在放電造成的環(huán)境溫升大、容量測(cè)定結(jié)果不準(zhǔn)確、蓄電池能量浪費(fèi)、維護(hù)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn)。在電力系統(tǒng)廠站自動(dòng)化水平不斷提高的今天，開展針對(duì)自動(dòng)化程度更高、控制更加精確以及更加節(jié)能環(huán)保的蓄電池維護(hù)手段和技術(shù)的研究是十分必要的。以下對(duì)一種既可提高蓄電池容量核定的準(zhǔn)確性，又可減少蓄電池放出電能浪費(fèi)的蓄電池放電系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的基本功能

該蓄電池有源逆變放電系統(tǒng)的功能是實(shí)現(xiàn)蓄電池的恒流放電控制，對(duì)其容量進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)將直流電變?yōu)榕c公共電網(wǎng)同頻率的交流電反饋回電網(wǎng)，可減少能量浪費(fèi)，改善放電環(huán)境。要使蓄電池組的直流電轉(zhuǎn)換為可以回饋電網(wǎng)的交流電，放電系統(tǒng)必然包括逆變環(huán)節(jié)。由于電力系統(tǒng)中用作后備直流電源的蓄電池組電壓規(guī)格一般為110 V或220 V，在放電過程中電壓會(huì)進(jìn)一步降低，逆變環(huán)節(jié)又是一個(gè)降壓的過程，而電網(wǎng)的相電壓為220 V，所以必須采用升壓環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)電壓的匹配。也就是說蓄電池有源逆變放電系統(tǒng)必須包括升壓環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)。

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

按照系統(tǒng)基本功能的要求，采用晶閘管相控有源逆變的放電系統(tǒng)可以采用以下2種結(jié)構(gòu)方案：

（1）結(jié)構(gòu)方案1：蓄電池→逆變器→工頻變壓器→220 V交流。蓄電池的直流電先逆變?yōu)榻涣麟?，再通過工頻變壓器進(jìn)行升壓與電網(wǎng)相匹配，實(shí)現(xiàn)電能的回饋。

采用工頻變壓器升壓實(shí)現(xiàn)電壓匹配的方案只有一級(jí)電力電子變換電路，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。在變壓器變比一定的情況下，由于蓄電池的電壓在放電過程中的下降和電網(wǎng)的波動(dòng)，必須通過不斷調(diào)整逆變器的逆變角來實(shí)現(xiàn)電壓的匹配和放電電流的控制，這樣會(huì)帶來更多的諧波，控制電路也比較復(fù)雜。同時(shí)逆變器工作于大電流狀態(tài)時(shí)，晶閘管工作時(shí)的損耗較大。

（2）結(jié)構(gòu)方案2：蓄電池→升壓變換器→逆變器→220 V交流。蓄電池的直流電先經(jīng)過DC/ DC升壓變換，使直流電壓升高，然后通過逆變環(huán)節(jié)將直流電轉(zhuǎn)換為交流電回饋電網(wǎng)。

采用這種方案的系統(tǒng)有兩級(jí)電力電子變換電路，但其實(shí)現(xiàn)過程并不復(fù)雜?？梢酝ㄟ^對(duì)直流升壓變換器的控制來實(shí)現(xiàn)電壓的匹配，交流側(cè)可以直接接入交流電網(wǎng)。這種方案的難點(diǎn)在于低壓大電流的DC/DC部分，元件的導(dǎo)通損耗較大，對(duì)散熱設(shè)計(jì)要求較高。

為了盡量改善采用晶閘管相控有源逆變電路作為逆變器的有源逆變放電系統(tǒng)的功率因數(shù)，減小其對(duì)電網(wǎng)造成的諧波干擾，考慮到系統(tǒng)的可行性、可靠性及成本，基于結(jié)構(gòu)方案2，提出了一種結(jié)合Boost升壓斬波電路和基于晶閘管的電流型三相全橋逆變電路的蓄電池有源逆變放電方案。在系統(tǒng)工作過程中保持逆變環(huán)節(jié)逆變角的恒定，不對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其工作于一個(gè)固定的諧波最小、功率因數(shù)最高的最小逆變角狀態(tài)。升壓環(huán)節(jié)采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的Boost升壓電路，通過對(duì)Boost升壓電路的控制，將直流電壓升高，實(shí)現(xiàn)電壓匹配，以滿足后級(jí)逆變電路的工作條件，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池放電電流的控制，保持電流恒定，結(jié)合放電時(shí)間便可實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池容量的測(cè)定。

整個(gè)蓄電池有源逆變放電系統(tǒng)由主電路、控制電路和保護(hù)電路構(gòu)成，系統(tǒng)原理如圖1所示。

該方案因?yàn)樵谇凹?jí)采用了升壓電路，可以使逆變電路的晶閘管工作于更小的電流狀態(tài)，減小了所需晶閘管的容量。采用固定逆變電路逆變角的運(yùn)行模式，在一定程度上改善了相控有源逆變放電的功率因數(shù)，減小了諧波，控制也更加容易實(shí)現(xiàn)。雖然比結(jié)構(gòu)方案1多了一個(gè)升壓斬波環(huán)節(jié)，但省去了一個(gè)升壓變壓器，以及減小了所需晶閘管的容量，所節(jié)約成本足以抵償升壓斬波電路的成本。選擇三相全橋逆變電路，與單相逆變電路相比，更有利于三相電網(wǎng)的平衡；與三相半波逆變電路相比，消除了偶次諧波，減小了交流電流，逆變電路需要的平波電抗器電感量及工作電流也較小。

圖1 放電系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)的建模與仿真

完整的蓄電池有源逆變放電系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。為了驗(yàn)證在電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)的恒流放電結(jié)果，交流電網(wǎng)采用三相可編程電源模塊，可以在設(shè)定的時(shí)刻改變交流電壓幅值。蓄電池模型采用一個(gè)可控的直流電壓源實(shí)現(xiàn)。蓄電池的恒流放電控制采用PI控制模塊實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)系統(tǒng)主電路參數(shù)的設(shè)計(jì)結(jié)果，設(shè)定升壓電感值為10 mH，電容值為1 000 μF，平波電抗器電感值為30 mH，電感直流電阻值為1 Ω。三相全橋逆變電路的控制角設(shè)為150°，即逆變角設(shè)定為30°，三相交流電壓為380 V，蓄電池電壓初始值為220 V，放電電流設(shè)定為50 A，控制信號(hào)頻率為10 kHz，仿真時(shí)長設(shè)為0.35 s，仿真算法為ode23tb。蓄電池放電時(shí)，升壓電路輸出電流Io，輸出電壓Uo，蓄電池放電電流I，蓄電池電壓U波形如圖3所示。蓄電池有源逆變放電系統(tǒng)單相并網(wǎng)電流及電網(wǎng)電壓波形如圖4所示。

從仿真結(jié)果可得，在蓄電池電壓隨著放電的進(jìn)行而不斷下降的過程中，恒流控制電路能夠保證蓄電池的恒流放電和逆變并網(wǎng)的順利進(jìn)行。

因?yàn)樾铍姵胤烹娺^程中電壓下降的速度很慢，在此假設(shè)直流（蓄電池）電壓值不變，考慮交流電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)放電系統(tǒng)的工作狀態(tài)，設(shè)定交流電網(wǎng)線電壓初始值為380 V，在0.2 s時(shí)升高為初始值的1.1倍。升壓電路輸出電流 Io和輸出電壓Uo，蓄電池放電電流I和直流電源（蓄電池）電壓U波形如圖5所示。蓄電池有源逆變放電系統(tǒng)單相并網(wǎng)電流及電網(wǎng)電壓波形如圖6所示。

圖2 放電系統(tǒng)仿真模型

圖3 蓄電池放電時(shí)電壓、電流波形

圖4 蓄電池放電時(shí)的單相并網(wǎng)電流波形

當(dāng)其他條件不變，設(shè)定電網(wǎng)電壓在0.2 s降為初始值0.9倍時(shí)的波形分別如圖7和圖8所示。

從仿真結(jié)果可以得到，在蓄電池電壓隨著放電的進(jìn)行而降低，或者電網(wǎng)電壓幅值出現(xiàn)向上和向下的波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)都能夠保持蓄電池按設(shè)定電流50 A恒流放電，放電電流紋波滿足在參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)要求的5%以內(nèi)，直流輸出電壓紋波滿足參數(shù)設(shè)計(jì)1%的要求，能夠保證回饋電流的連續(xù)性，順利實(shí)現(xiàn)能量的回饋。

圖5 電網(wǎng)電壓幅值增大時(shí)波形

圖6 電網(wǎng)電壓幅值增大時(shí)單相并網(wǎng)電流波形

圖7 電網(wǎng)電壓幅值減小時(shí)波形

圖8 電網(wǎng)電壓幅值減小時(shí)單相并網(wǎng)電流波形

3 結(jié)語

提出的一種基于Boost升壓斬波電路的蓄電池有源逆變放電系統(tǒng)方案，在一定程度上改善了采用晶閘管相控有源逆變電路實(shí)現(xiàn)能量回饋時(shí)的功率因數(shù)，減小了并網(wǎng)電流的諧波。該方案具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制易實(shí)現(xiàn)，可靠性高，成本相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，在大容量蓄電池的放電試驗(yàn)中優(yōu)勢(shì)更加明顯。為變電站和發(fā)電廠直流屏逆變放電提供了一種新的參考方案，具有一定的應(yīng)用前景。

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（本文編輯：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

羅志遠(yuǎn)（1985），男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)變電運(yùn)維工作。