基于DC-DC變換的變電站直流電源設(shè)計(jì)

王建元，武金亞，溫偉偉，趙鑫，劉鶴

（1．東北電力大學(xué)，吉林 吉林132012；2．國網(wǎng)天津市電力公司，天津300010）

0 引 言

國內(nèi)隨著專利問題及鋰電池新技術(shù)的突破，鋰動(dòng)力電池將廣泛應(yīng)用于變電站直流系統(tǒng)中［1］。由于單體蓄電池性能的差異，串聯(lián)使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生不均衡現(xiàn)象導(dǎo)致“短板效應(yīng)”［2］。如何提高電池的循環(huán)壽命，防止大量的能源浪費(fèi)現(xiàn)已成為一個(gè)重要的研究課題。

為了提高電源的容量和可靠性，采用多個(gè)電源模塊并聯(lián)互備，是電力系統(tǒng)中變電站后備電源發(fā)展的一個(gè)方向［3-5］。由于單體蓄電池的電壓幅值有限，為了達(dá)到要求的輸出電壓，國內(nèi)正在推廣對(duì)單體電源采用DC-DC變換實(shí)現(xiàn)Boost升壓的方法。為了提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性，確保升壓后并聯(lián)的電源模塊能平均分配負(fù)載電流，必須采用均流技術(shù)［6-7］。文獻(xiàn)［8］提出了對(duì)并聯(lián)均流技術(shù)的實(shí)施運(yùn)用，以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電源的均流控制。

但是，傳統(tǒng)的Boost變換器在電力系統(tǒng)后備電源的運(yùn)用中存在著諸多缺陷，包括：開關(guān)管所承受電流過大，單個(gè)儲(chǔ)能元件必須有很大的容量，其可靠性較差，功率器件的損耗大，動(dòng)態(tài)特性不好等［9-10］。然而有源法中的最大均流法雖廣為應(yīng)用，但其只能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均流，致使輸出電流存在低頻振蕩，輸出電壓有過電壓現(xiàn)象［11］。

以上缺陷的存在，將會(huì)給電力系統(tǒng)的運(yùn)行帶來安全隱患。本文設(shè)計(jì)了一種基于DC-DC變換的變電站直流電源，提出了雙重Boost升壓方法和采用中間電流均流控制的策略。最后使用MATLAB／Simulink仿真軟件對(duì)所提出的策略進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果表明了該策略的可行性和有效性。

1 變電站直流負(fù)荷的計(jì)算與電池的選擇

1．1 變電站直流負(fù)荷的容量計(jì)算

110 kV變電站二次回路上的直流負(fù)荷主要分為：經(jīng)常負(fù)荷、事故負(fù)荷、沖擊負(fù)荷。其直流母線輸出的額定電壓Ur主要為220 V［12］。結(jié)合110 kV變電站直流系統(tǒng)實(shí)際分配情況對(duì)直流負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。結(jié)果見表1。

表1 110 kV變電站系統(tǒng)直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)Tab．1 110 kV substation system of DC load statistics

1．2 鋰電池容量的選擇

在上述110 kV變電站負(fù)荷分配的基礎(chǔ)上，選擇鋰電池時(shí)應(yīng)滿足以下三個(gè)階段的容量要求。

式中，Icq=50．9 A，t1=1 min（1／60 h），k1=0．8（初期階段的放電容量系數(shù)）。

（2）持續(xù)階段。

式中，Icx=43．7 A，t2=2 h，k2=0．96（持續(xù)階段的放電容量系數(shù)）。

（3）隨機(jī)階段。

式中，Isj=120．0 A，t3=5 s（1／720 h），k3=0．5（隨機(jī)階段的放電容量系數(shù)）。

由式（1）～式（3）所得出的容量值可推出所需鋰電池的總?cè)萘恐禐椋?/p>

式中，kre=1．2（可靠系數(shù)）；keq=0．9（鋰電池有效容量系數(shù)）。

結(jié)合上述計(jì)算，在變電站后備電源工作時(shí)，為了避免電池并聯(lián)出現(xiàn)冗余。本文選用2塊均為48 V，100 A·h的磷酸鐵鋰電池相互并聯(lián)，其詳細(xì)參數(shù)可見表2。

表2 48 V鋰電池參數(shù)Tab．2 Lithium battery parameters of 48 V

2 雙重Boost升壓電路的工作原理及仿真分析

2．1 工作原理

如圖1所示，雙重Boost升壓電路在電感和電容無限大的情況下，它是利用全控型器件絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的導(dǎo)通與關(guān)斷所占的占空比來控制的。

圖1中Uin、Uout分別為電路的輸入、輸出電壓；D為二極管；C為電容；L為電感。

圖1 雙重Boost升壓變換器原理圖Fig．1 Schematic diagram of double Boost converter

與普通升壓電路不同的是雙重Boost升壓電路具備兩個(gè)IGBT。當(dāng)工作時(shí)兩個(gè)IGBT的區(qū)別只是相位延遲時(shí)間不同。充電時(shí)，等效電路如圖2所示。兩個(gè)IGBT均導(dǎo)通，其通態(tài)時(shí)間為ton。此時(shí)儲(chǔ)能電感L進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存，為了防止電容C對(duì)地放電，二極管截止。流過電感的電流為：

式中，流過電容的最小電流為Io。電感充電時(shí)的儲(chǔ)能值為UinI·ton。

圖2 充電等效原理圖Fig．2 Charge equivalent schematic diagram

如圖3所示，當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)電路為放電等效電路。設(shè)IGBT的截止時(shí)間為toff，則電感的放電能量為（Uout-Uin）I·toff。

圖3 放電等效原理圖Fig．3 Discharge equivalent schematic diagram

根據(jù)Boost升壓變換電路的工作原理整理得出：

式中，a為占空比，a=ton／T。電路是通過改變IGBT的占空比來控制輸出電壓的大小。

2．2 電路的組成及其仿真分析

由于在設(shè)計(jì)時(shí)電路中電容和電感值是無法實(shí)現(xiàn)無限大的選取，而L，C容量的選擇在升壓電路中是很重要的問題。在本文選擇的48 V輸入電壓的基礎(chǔ)上，結(jié)合MATLAB／Simulink實(shí)現(xiàn)電路的仿真。理想的電感其輸入的電感能量值與輸出的相等，選擇條件為：

式中，Ts代表全控型器件絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的通斷周期，此處取 20 μs；Iout為儲(chǔ)能電感側(cè)的電流值。結(jié)合本文選取的鋰電池參數(shù)，理論求得電感值L=83 μH，實(shí)際選取電感值為2 mH。

電容的容量選擇條件為：

式中，U′為紋波電壓。

結(jié)合本文選用的輸入電壓為48 V，輸出電壓要達(dá)到220 V，計(jì)算求得C=30 μF，考慮到仿真效果和輸出波形，本文選擇的電容值為2 mF。

綜上，本文搭建了單體電源的雙重Boost升壓電路的MATLAB／Simulink仿真模型，如圖4所示。

圖4 雙重Boost升壓變換器仿真模型Fig．4 Simulation model of double Boost converter

通過仿真得到雙重Boost升壓后的輸出電壓波形，如圖5所示，可知其輸出電壓為232 V滿足輸出要求。

圖5 升壓仿真結(jié)果Fig．5 Simulation results of boost

為了滿足電源模塊不斷電互備替換的需求，本文將升壓后的兩個(gè)電源模塊進(jìn)行并聯(lián)，其仿真輸出波形如圖6所示，可見輸出電壓波形的幅值存在明顯的差異。

圖6 2個(gè)直接并聯(lián)的升壓電路仿真波形Fig．6 Simulation waveforms of 2 direct parallel connected boost circuits

3 均流的原理

本文采用的是中間電流均流控制法。如圖7所示，其硬件電路由CPU、A／D轉(zhuǎn)換電路、PWM生成電路、運(yùn)算放大器等器件組成。

圖7 均流控制原理圖Fig．7 Schematic diagram of current-sharing control

VT1為電壓傳感器，用來檢測(cè)電源模塊輸出的電壓值，CT1為電流傳感器，用來檢測(cè)輸出的電流值，A1為運(yùn)算放大電路和二極管及電阻構(gòu)成均流信號(hào)發(fā)生電路。結(jié)合二極管的單向?qū)щ娦?，相互并?lián)的電源模塊會(huì)通過各自的二極管D1把最大的電流信號(hào)與1號(hào)均流母線相連。與此同時(shí)相并的直流電源把其最大電壓差送到2號(hào)均流母線。輸出的電壓信號(hào)Uout，電流信號(hào)Iout以及兩個(gè)均流母線上的最大電流信號(hào)值Imax和最大電流差值ΔImax經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換電路運(yùn)算，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)送到CPU上。由中間電流均流控制方法控制PWM生成電路發(fā)出對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)，來控制DC／DC雙重Boost直流升壓電路中IGBT管的導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)并聯(lián)的兩電源模塊輸出的電壓滿足母線電壓要求，輸出的電流近似相等，確保其誤差在允許范圍之內(nèi)，則實(shí)現(xiàn)均流。

圖8 中間電流控制框圖Fig．8 Block diagram of the intermediate current control method

如圖8所示控制框圖中由最大電流值信號(hào)Imax和最大電流差值信號(hào)ΔImax經(jīng)“MID”運(yùn)算得出中間電流值信號(hào)Imid。通過中間電流信號(hào)Imid來比較調(diào)節(jié)輸出電流Iout的大小，當(dāng)輸出的電流差值滿足中間電流控制法的精度要求，則實(shí)現(xiàn)均流控制。

4 仿真分析與結(jié)果

使用MATLAB／Simulink仿真軟件依據(jù)雙重Boost升壓法和中間電流均流控制法進(jìn)行建模仿真，其仿真拓?fù)鋱D，如圖9所示。

圖9 仿真模型Fig．9 Simulation model

通過電流信號(hào)Imid分別來控制兩個(gè)電源封裝模塊（Boost、Boost1）中的IGBT的通斷。均流互備的電源模塊輸出結(jié)果如圖10所示，當(dāng)電阻R設(shè)為75Ω時(shí)，Iout1輸出電流為 1．553 A，Iout2輸出電流為 1．550 A。 輸出電壓為230 V，滿足1．05Ur的要求。兩個(gè)電源模塊輸出的電流誤差符合中間電流控制法對(duì)均流精度的要求，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)理想的輸出電壓。

圖10 仿真結(jié)果Fig．10 Simulation result

5 結(jié)束語

本文針對(duì)電力系統(tǒng)中后備電源的可靠運(yùn)用提出了一種采用中間電流均流控制法控制的雙重Boost升壓變換電路。在MATLAB／Simulink仿真環(huán)境下搭建了相應(yīng)的仿真模型，通過對(duì)各項(xiàng)特性理論分析和仿真結(jié)果總結(jié)得出：雙重Boost升壓變換法不但能達(dá)到升壓穩(wěn)壓的目的，而且降低了功率元件的電流應(yīng)力，減小了輸出電流的紋波幅值；中間電流均流控制方法可以較好的實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)并聯(lián)升壓電路的穩(wěn)態(tài)控制，不但確保了電源的安全運(yùn)行，而且提高了其供電品質(zhì)。結(jié)果表明該方案即能提高鋰電池系統(tǒng)的使用效率，也可以保證電源模塊在出現(xiàn)故障的情況下實(shí)現(xiàn)不斷電替換。