摘要:由于電子電力變壓器(EPT)在出現(xiàn)電網(wǎng)電壓跌落或者中斷時(shí)不能正常運(yùn)行，但單個(gè)DC/DC端口的儲(chǔ)能系統(tǒng)投入瞬間會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)影響供電質(zhì)量。將采用一種多電池組的多端口DC/DC變換器(MPC)的軟啟動(dòng)控制方式應(yīng)用在EPT中，對(duì)各端口的啟動(dòng)控制方法進(jìn)行詳細(xì)分析，使儲(chǔ)能系統(tǒng)在投切的同時(shí)減小沖擊電流，并在電網(wǎng)電壓發(fā)生電壓跌落或者中斷時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠平穩(wěn)提供功率來(lái)保持EPT低壓直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。通過(guò)在Matlab/Simulink環(huán)境下仿真，結(jié)果驗(yàn)證了軟啟動(dòng)方式下多電池組MPC儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用在EPT輸出側(cè)的有效性，保證用電設(shè)備的安穩(wěn)、穩(wěn)定運(yùn)行。

　　關(guān)鍵詞：電子電力變壓器;儲(chǔ)能系統(tǒng);電壓跌落;軟啟動(dòng)

　　電子電力變壓器EPT(electronicpowertransformer，EPT)作為一種新型智能變壓器，除了具備傳統(tǒng)變壓器的變壓、隔離和控制的功能外，還具有電能轉(zhuǎn)換的功能，其多端口的功能可以方便接入各種分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備和負(fù)載。

　　同時(shí)，EPT具備電能質(zhì)量調(diào)節(jié)能力，能夠改善電壓閃變、諧波和電壓三相不平衡等電能質(zhì)量問(wèn)題，滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)高質(zhì)量電能的需求[1-2]。與傳統(tǒng)變壓器相比，EPT無(wú)法應(yīng)對(duì)電壓跌落或者中斷的狀況，由于不具備儲(chǔ)能單元，這是影響用電設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行的最嚴(yán)重的動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題，所以可以加入儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)解決[3]。傳統(tǒng)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(energystoragesystem，ESS)是由一個(gè)雙向變流器和控制單元構(gòu)成，儲(chǔ)能系統(tǒng)不能靈活控制能量供應(yīng)。

　　已有學(xué)者從系統(tǒng)的拓?fù)湟约皟?chǔ)能的優(yōu)化展開(kāi)研究。在電力電子變壓器與儲(chǔ)能系統(tǒng)基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[4]提出了可以解決端口間功率解耦問(wèn)題拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是在功率合理分配的靈活控制方面上還不足。文獻(xiàn)[5]提出有源橋三端口變換器，實(shí)現(xiàn)橋臂開(kāi)關(guān)的復(fù)用，提高功率密度，但儲(chǔ)能單元只位于輸出側(cè)，隔離變換器存在無(wú)功損耗，使儲(chǔ)能單元效率降低，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢，只適用于低功率場(chǎng)合，靈活性較差。文獻(xiàn)[6-7]針對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用在電力電子變壓器上已有一些成果，方便于蓄電池能量的調(diào)度和管理。文獻(xiàn)[8]利用主從控制實(shí)現(xiàn)了短路電流限流，解決了由于直流輸電線(xiàn)路低阻抗帶來(lái)的短路電流的危害。

　　文獻(xiàn)[9]中提出了多重化DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以提高電池組的端電壓，從而進(jìn)一步增大儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)容量，可以通過(guò)并聯(lián)使每個(gè)開(kāi)關(guān)管承受的壓降以及最大電流得以提升。但是在串并聯(lián)多個(gè)電池組時(shí)，端口之間的能量控制比較復(fù)雜，也容易引起電路之間環(huán)流隱患。本文采用的是含多端口DC/DC變換器(multi-portDC/DCconverters，MPC)儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電池組[10]，這種結(jié)構(gòu)方便電池組之間的并聯(lián)接入，能夠靈活控制電池組的充放電。一般對(duì)多電池組MPC儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究是針對(duì)負(fù)荷或者電網(wǎng)之間的功率轉(zhuǎn)換上[11]，對(duì)變換器在直流母線(xiàn)電壓側(cè)的啟動(dòng)方向上研究不多。

　　文獻(xiàn)[10]在松弛端口處采用電壓閉環(huán)控制的方法來(lái)穩(wěn)定直流母線(xiàn)電壓，該文在原來(lái)電壓環(huán)反饋的基礎(chǔ)上增設(shè)電流反饋內(nèi)環(huán)，利用電流內(nèi)環(huán)快速、及時(shí)的抗擾性來(lái)有效的抑制負(fù)載擾動(dòng)影響，同時(shí)由于電流內(nèi)環(huán)對(duì)系統(tǒng)特性的改造，系統(tǒng)穩(wěn)定性得到加強(qiáng)，對(duì)其軟啟動(dòng)控制策略進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)將MPC儲(chǔ)能系統(tǒng)軟啟動(dòng)控制策略應(yīng)用在EPT低壓直流側(cè)，分析該儲(chǔ)能系統(tǒng)在并入EPT低壓直流側(cè)時(shí)對(duì)電網(wǎng)瞬間的影響，利用各端口的軟啟動(dòng)方式以及相關(guān)控制策略，使各端口穩(wěn)定、靈活切入電網(wǎng)。經(jīng)過(guò)仿真，驗(yàn)證了多電池組MPC儲(chǔ)能系統(tǒng)軟啟動(dòng)方式下在EPT低壓直流側(cè)應(yīng)用的有效性，為EPT更穩(wěn)定的為負(fù)載供電提供了方案。

　　1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

　　1.1EPT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　該結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主要部分為EPT和儲(chǔ)能系統(tǒng)。輸入級(jí)、隔離級(jí)以及輸出級(jí)是EPT結(jié)構(gòu)的主要部分。輸入級(jí)主要是三相高頻電壓型整流器，作用是將電源交流電壓整流為直流電壓給隔離級(jí)供電;中間的隔離級(jí)的原方由與輸入級(jí)聯(lián)接的全橋逆變器和1個(gè)原方單繞組組成，副方由3繞組的高頻變壓器和3個(gè)H型單相全橋逆變器組成，主要是充當(dāng)電壓等級(jí)變換和隔離的作用[12];輸出級(jí)是由3個(gè)單相電壓源逆變器組成，輸出端為YN型，三相四線(xiàn)制接型能滿(mǎn)足負(fù)載的不平衡以及大功率負(fù)載的需求[13]。已有學(xué)者對(duì)10kV/400V、500kVA的EPT進(jìn)行研究，用獨(dú)立直流電壓平衡控制器來(lái)保持直流電壓的平衡[14]。

　　儲(chǔ)能系統(tǒng)將采用含多電池組的多端口DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)多組電池的并聯(lián)接入和靈活控制的充放電，該系統(tǒng)通過(guò)DC/DC變換器連接到EPT的低壓直流側(cè)，通過(guò)EPT輸出級(jí)的逆變器向負(fù)載進(jìn)行供電。儲(chǔ)能系統(tǒng)采用直流側(cè)連接方式，不存在電壓同步問(wèn)題，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[15]。

　　1.2電池組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　MPC儲(chǔ)能系統(tǒng)并聯(lián)在EPT低壓直流側(cè)，濾波電容起穩(wěn)定電壓的作用，并在一起的連接點(diǎn)電壓為低壓側(cè)直流母線(xiàn)電壓，當(dāng)原方電源側(cè)電壓出現(xiàn)波動(dòng)或者中斷時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以通過(guò)DC/DC變換器進(jìn)行功率的輸出或者吸收，從而保證母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定性。多端口之間能量的靈活控制是個(gè)問(wèn)題，有人采用狀態(tài)估計(jì)的方法，來(lái)滿(mǎn)足系統(tǒng)靈活調(diào)控的需求[16]。

　　2各端口控制方法

　　儲(chǔ)能系統(tǒng)中每個(gè)電池組和一個(gè)雙向DC/DC變換器組合，每個(gè)端口的投入對(duì)系統(tǒng)都有暫態(tài)擾動(dòng)。可以將端口分成一個(gè)松弛端口和多個(gè)功率端口。松弛端口是為了穩(wěn)定直流母線(xiàn)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的能量不平衡，它的控制方式是電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制。

　　功率端口可以通過(guò)電流參數(shù)來(lái)控制吸收和釋放恒定的功率，它的控制方式是電流閉環(huán)控制。在MPC儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電池組和輸電側(cè)之間實(shí)時(shí)進(jìn)行能量傳遞，將采用互補(bǔ)的PWM控制方式。對(duì)松弛端口的控制策略進(jìn)行分析，低壓直流側(cè)電壓，dc為濾波電容兩端電壓，為流過(guò)濾波電感電流。

　　電壓誤差經(jīng)過(guò)PI(proportionalintegral，PI)調(diào)節(jié)后，其值與電感電流比較產(chǎn)生電流誤差后，再經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)，最后經(jīng)過(guò)限幅和PWM發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)從而控制上下開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通狀況;對(duì)功率端口的控制策略進(jìn)行分析，bess_ref為參考電流值，bess為電池組的實(shí)際電流，電流誤差經(jīng)過(guò)限幅在經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后再限幅，然后通過(guò)PWM發(fā)生器生成脈沖信號(hào)。

　　3各個(gè)端口軟啟動(dòng)方式及相關(guān)控制策略

　　由于DC/DC變換器投入瞬間會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的擾動(dòng)，這對(duì)電壓側(cè)的輸電質(zhì)量有很大影響。所以本文將采用多電池組MPC儲(chǔ)能系統(tǒng)各端口軟啟動(dòng)方式，并聯(lián)在EPT低壓直流側(cè)處，來(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

　　4仿真研究

　　為了驗(yàn)證軟啟動(dòng)方式下多電池組MPC儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用在EPT低壓直流側(cè)的有效性，在Matlab/Simulink環(huán)境下仿真實(shí)驗(yàn)，搭建相應(yīng)的仿真模型。在MPC儲(chǔ)能系統(tǒng)并入EPT低壓直流側(cè)母線(xiàn)時(shí)，通過(guò)對(duì)負(fù)載波形的分析，來(lái)證實(shí)仿真的有效性。

　　4.1仿真參數(shù)

　　EPT容量500kV⋅A、額定電壓等級(jí)10kV/380V、高壓直流母線(xiàn)電壓15kV、低壓直流母線(xiàn)電壓400V、高頻變壓器變比37.5，頻率1000Hz。3組相同蓄電池，單個(gè)蓄電池額定電壓240V、容量100A⋅h。負(fù)載容量500kV⋅A。

　　4.2軟啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比

　　(1)松弛端口軟啟動(dòng)對(duì)比在沒(méi)有接啟動(dòng)電阻，直接啟動(dòng)的情況下的仿真結(jié)果，其中為儲(chǔ)能電感電流，dc是儲(chǔ)能系統(tǒng)端口電壓。在0.5s0=時(shí)將松弛端口處的電池組投入，則瞬間產(chǎn)生一個(gè)330A左右的沖擊電流，即與式(5)得到的結(jié)論一致，由于儲(chǔ)能系統(tǒng)功率瞬間流入，低壓側(cè)直流母線(xiàn)端波動(dòng)最大幅值為550V。該沖擊電流將會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)的保護(hù)裝置進(jìn)行誤操作，直流母線(xiàn)電壓的波動(dòng)也會(huì)對(duì)負(fù)載端的供電質(zhì)量產(chǎn)生影響。

　　啟動(dòng)電阻S投入承擔(dān)部分壓降后，在啟動(dòng)瞬間后的沖擊電流降低到5A往下;在1時(shí)接入保護(hù)斷路器將啟動(dòng)電阻斷開(kāi)，電流與電壓有輕微振蕩;在2時(shí)啟動(dòng)上下開(kāi)關(guān)管以電流閉環(huán)模式工作來(lái)緩慢提升電壓dc;在3時(shí)切換為電壓外環(huán)電流閉環(huán)工作模式，看出切換模式時(shí)的波動(dòng)不足以影響系統(tǒng)保護(hù)裝置的誤操作。在電壓達(dá)到EPT低壓側(cè)電壓參考值后就可以投入。從中觀察得出，該啟動(dòng)方法減小了端口投入的啟動(dòng)電流，也驗(yàn)證了松弛端口軟啟動(dòng)方法的可行性。

　　當(dāng)系統(tǒng)在0.15s出現(xiàn)電壓跌落以及在0.3s電壓恢復(fù)時(shí)，單端口以及多端口的儲(chǔ)能系統(tǒng)都能有效的對(duì)EPT低壓側(cè)母線(xiàn)進(jìn)行補(bǔ)償，但是在補(bǔ)償程度上有所不同。單端口儲(chǔ)能系統(tǒng)在0.15s開(kāi)始對(duì)突變進(jìn)行補(bǔ)償，波形在最低點(diǎn)電壓為397.2V處回升，在0.3s系統(tǒng)電壓恢復(fù)正常后，波動(dòng)的最高點(diǎn)電壓在404.9V處;而多端口儲(chǔ)能系統(tǒng)在0.15s跌落時(shí)，波形回升的最低電壓為399.2V，在0.3s系統(tǒng)電壓恢復(fù)后，電壓波形的最高點(diǎn)在401.5V處。通過(guò)對(duì)比可以分析，在出現(xiàn)系統(tǒng)電壓跌落以及電壓恢復(fù)的情況下，多端口對(duì)低電壓側(cè)突變后的超調(diào)要小，也就是EPT低壓直流母線(xiàn)波形受到的影響更小，以此來(lái)體現(xiàn)了多端口的優(yōu)越性。

　　5結(jié)語(yǔ)

　　本文采用了一種可接入多電池組的MPC儲(chǔ)能系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)各端口的軟啟動(dòng)方式及相關(guān)策略，并將其應(yīng)用在EPT低壓直流側(cè)，提高了EPT的供電可靠性。在Matlab/Simulink環(huán)境下仿真，結(jié)果驗(yàn)證了多電池組軟啟動(dòng)方式的MPC儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用在EPT中的有效性，使儲(chǔ)能系統(tǒng)各端口在投入瞬間時(shí)減小了沖擊電流，為EPT儲(chǔ)能系統(tǒng)的各端口靈活、穩(wěn)定投切提供了方案，也對(duì)比了單端口與多端口之間的差異，從而體現(xiàn)了多端口的優(yōu)越性，同時(shí)讓EPT在面對(duì)電網(wǎng)跌落的狀況時(shí)也能更穩(wěn)定地安全運(yùn)行。

　　電池組在投入EPT低壓直流母線(xiàn)后，各端口電池組給負(fù)載提供功率，分配各個(gè)功率端口能量的輸出也會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)效率的傳遞，接下來(lái)希望利用超級(jí)電容的功率密度大、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，彌補(bǔ)蓄電池頻繁進(jìn)行大功率充電而影響循環(huán)使用壽命的缺點(diǎn)。將采用混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)分析各個(gè)端口能量的控制，更好的均衡提供功率。

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　　作者：王強(qiáng)，郭偉，楊策