变电站并联型直流蓄电池全容量核容方法研究

黄烈江，陈思超，王鹏程，张建伟，胡元潮，杨健

(1.杭州欣美成套电器制造有限公司，浙江 杭州 311200：2.山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255049；3. 国网浙江杭州市萧山区供电有限公司，浙江 杭州 311202)

直流电源系统是变电站中的一个重要组成部分,对变电站的正常运行起着重要的作用,其设计方案的合理性及运行的可靠性直接影响着变电站的可靠性[1]。直流电源系统中的蓄电池组通常采用串、并联接线方式,在交流系统因故障停电时,起到为系统提供供电的作用,所以蓄电池组的正常运行是电力系统继续运行的保障[2]。为了保证蓄电池组实际容量不低于80%的标称容量,需要定期对蓄电池进行核容维护放电工作。然而,目前传统的核容放电方法都存在诸多技术瓶颈,如待测蓄电池组必须脱离母线后测量、需要准备足够备用的电池组、蓄电池组核容前后需要反复接线等问题[3]。

针对直流电源系统的相关问题,学者进行了大量研究。聂小勇等[4]研究了110 kV智能变电站的直流负荷情况以及磷酸铁锂电池的充放电特性,提出了采用磷酸铁锂电池的在线自动全容量核容的设计方案;李学斌等[5]结合电化学阻抗谱法,开展了阀控式铅酸蓄电池加速浮充老化实验,发现电化学阻抗谱可以更加准确地表征阀控式铅酸蓄电池容量的衰减和剩余寿命的减少;邓渝生等[6]利用在线方式控制阀控式密封铅酸蓄电池进行核容放电,蓄电池始终不脱离直流母线,无需后备电池,在远方控制核容放电,实现蓄电池管理无人值守;杨恒等[7]通过对特定公司进行抽蓄电站直流系统配置和运维调研与分析,制定了针对性预防措施,为直流系统运维及设备升级改造提供参考;马宝忠等[8]基于虚拟现实技术仿真了变电站交直流电源系统,经验证能够有效降低设计成本,同时具有重要的培训应用价值;杜旭浩等[9]针对变电站直流电源系统抗故障能力差、故障分析困难等问题,提出了典型故障的治理方法,并由此开发了具有典型故障自愈及故障录波功能的高安全型直流电源系统;王建元等[10]针对后备电源的可靠性进行了探讨,提出了双重Boost升压变换器法。目前,对于大功率并联型直流供电系统的在线核容方法研究较少,因此本文主要针对大功率并联型直流供电系统的全容量在线核容进行研究。

通过分析上述文献中直流系统的研究现状并结合未来的发展方向,本文详细阐述变电站直流系统的工作原理,并通过分析大功率并联直流电路系统的设计要求与相关技术,设计大功率并联型直流供电系统的在线核容系统及控制系统,提出并联型直流蓄电池全容量核容方法并通过搭建仿真模型验证其可行性,为实际工程中的应用提供理论参考。

1 单个并联直流电源电池组件的基本原理

1.1 单个电池组件整体结构分析

在并联电池组件中,四只12 V蓄电池串联后构成一个蓄电池组;并联的蓄电池组通过DC/DC或AC/DC电路与各相应支路的并联电池模块的输入、输出回路相连接,不同支路间的蓄电池不存在直接的联系,电池间的结构方式为间接并联,不会出现回路环流的现象。在并联电池模块中,充放电管理电路模块代替了蓄电池组的巡检装置,并使蓄电池和管理电路模块可以进行组对管理,便于单个铅酸蓄电池的切入和退出,增加系统的安全性和维护的便捷性。变电站直流电源系统中的蓄电池及其结构原理如图1所示。由图1可知, 相比于传统的变电站串联型直流电源,各蓄电池采用并联电路拓扑连接方式之后,单体蓄电池的虚接、欠压、老化等状况不影响整组蓄电池组的输出,并联型直流电源单个蓄电池可以实现在线核容和在线更换,不影响母线侧电压。

(a)变电站直流电源并联蓄电池组

(b)变电站直流电源接线图

(c) 并联蓄电池组件结构原理图1 变电站直流电源系统中的蓄电池及其结构原理

1.2 PFC电路分析

功率因数校正电路分无源功率因数校正(passive power factor correction, PPFC)和有源功率因数校正(active power factor correction, APFC)两种。无源功率因数校正属于被动补偿方式,优点是结构比较简单、成本相对较低,但是其总谐波失真较大、体积相对较大,而且无源功率因数校正电路的拓扑结构在大功率电路中会产生严重的反向恢复损耗,其损耗较大导致电路的工作效率较低,不适用于大功率电源系统中。而与PPFC相比,APFC在同样的输出功率下,具有总谐波畸变率可控、体积较小且重量较轻等诸多优势。

目前,有源功率校正电路主要包括无桥功率校正电路、有桥功率校正电路、交错并联功率校正电路等。常见的APFC电路拓扑的工作模式分为CCM电流连续型(continuous current mode)、DCM非连续型(discontinuous current mode)和BCM临界型(boundary current mode),三种工作模式下电感电流的特点见表1。

表1 三种工作模式下电感电流的特点

对于大功率开关电源,为提高工作效率和功率因数电流,控制模式上需要采用连续模式,而Boost型拓扑结构的优势在于开关管易驱动、输入电流纹波小,更容易实现高功率因数和高功率密度的要求。综上所述,本文选用有桥式Boost型APFC拓扑电路来设计功率因数校正电路。

2 并联直流电源系统设计

2.1 多个并联电池模块系统

当并联型直流电源电池系统的电压源正常运行时,APFC电路由220 V交流电源给负载供电;当220 V交流电源失电时,蓄电池通过升压DC/DC变换模块变换电压大小,代替APFC直流电源的电路给LLC上的110 V负载供电。当电压源恢复正常工作时,通过Buck电路为蓄电池充电,并向LLC谐振变换电路的负载提供电压源,蓄电池通过Boost电路与负载直流母线相连接,以便随时向母线供电。

当需要对蓄电池进行核容充放电实验时,待实验的并联电池组件接收到控制系统发出的核容命令;DC/DC模块在接收到命令后,通过AC/DC变换电路进行均流控制,由控制模块调节蓄电池以0.1 C恒流放电;当放电到规定电压后停止放电,开始进行恒流充电,内部CPU检测并记录蓄电池的充电状态直至核容结束。

2.2 并联直流电源系统电池主电路设计

并联电池模块主要由AC/DC整流电路、DC/DC变换电路、Boost电路、Buck电路构成。当交流电源发生失电时,后备电池模块通过Boost电路不间断给负载母线供电;当交流电源恢复正常供电后,PFC交流电源通过Buck充电电路为后备电池模块充电,后备电池的充放电管理由内部的CPU进行控制,图2为并联直流电源系统电池组APFC电路图和Buck电路图。

(a)APFC电路图

(b)Buck电路图图2 并联直流电源系统电池主电路

2.3 均流技术

由于并联型直流供电系统的多个支路并联,所以要在每个支路内加入负载均流电路,这样才能保证电源系统在正常工作时各支路电流大小一致。若未采用均流模式,则会导致部分支路模块过载而部分支路模块空载,降低系统运行的可靠性。常用的均流方法主要有输出电压调整均流法、主从控制均流法等[11]。综合考虑本文选择主从控制均流法。主从控制均流法将模块分成主模块与从模块,主模块仅设置一个,其他的并联电池模块都是从模块,从模块会根据主模块的输出来改变自身电压和电流的参考值,然后通过控制模块调节自身的电压和电流大小。

3 在线核容系统控制方案设计

3.1 APFC和LLC控制方案

本文所用的APFC电路控制模块采用电压外环与电流内环双闭环控制法。其中电压外环主要起稳定输出电压的作用,而电流内环的作用主要是保证电流跟随电压的大小而变化。

LLC电路通过对开关进行脉宽调制进而控制占空比来调节输出电压;通过改变谐振腔输入方波的开关频率,即能控制电路在电压增益曲线的感性工作区工作,而后电路再根据输入的频率来调整输入电压。图3为采用PWM方波控制的LLC电路。

图3 PWM方波控制的LLC电路

由于LLC电路的输入为PFC电路的恒定输出电压,所以LLC电路只需改变频率就能改变输出功率,即仅提高频率就能满足降低输出功率的要求。APFC与LLC电路参数设计见表2。

表2 APFC与LLC电路的参数设计

3.2 在线核容充电电路控制模块设计

电池的充电电路为Buck电路,Buck电路的参数设计见表3。

表3 Buck电路的参数设计

Buck电路通过控制模块产生PWM调制波,给MOS管发出信号,控制开关管的开通和关断,从而控制输出电压和电流。参考电压为LLC负载电压,规定为110 V,而且由于Buck电路是为蓄电池充电,所以电流为负值,输入到控制模块时需要变符号,然后与参考电压和电流作差,通过PI调节误差的大小,最后再将PI调节好的数据经过PWM脉宽调制后输出,然后通过调节占空比来调节Buck电路的输出电流和电压。

3.3 在线核容放电电路控制模块设计

电池的放电电路为Boost电路,采用电流环和电压环双闭环控制,Boost电路的参数设计见表4。

表4 Boost电路的参数设计

Boost电路通过控制模块发出脉冲波形来调制Boost电路的占空比,进而控制输出电压和电流的变化。首先是调制输出电压的大小,通过采样输出电压的值和设定的电压值进行比较,求得误差值,经过PI调节误差数据,并与Boost采样电流作差;在经过PI调节与PWM调制后,通过控制电路输出占空比来调节Boost电路的MOS管关断和导通时间,从而调节输出电压和电流。

4 大功率并联型在线核容仿真建模及验证

通过使用Simulink相关模块搭建了直流供电系统的APFC电路和LLC电路、充放电的并联蓄电池组模块以及控制模块。搭建完成后通过控制模块模拟蓄电池组完成在线核容。

4.1 APFC主电路搭建

APFC主电路主要是由四个二极管组成全桥整流电路,而后与电感、输出电容和一个MOSFET管以及串联的负载电路构成一个完整的APFC电路。此外为保证电路中的输出电流单向传导,在电容所在支路增设了一个二极管。

APFC电路输出电压波形如图4所示。由图4可知,输出的直流电压接近400 V,纹波电压约为4 V,符合设计要求且呈现平稳波动,保证了电压的稳定输出。

图4 APFC输出电压波形

4.2 LLC主电路搭建及仿真结果分析

LLC主电路由两组MOS管与寄生电容构成半桥整流模块,而后与谐振电容、谐振电感和励磁电容串联在一起组成;模块的输入电压为APFC的输出电压,电压大小为400 V。其中LLC控制模块的占空比依照原理应设为0.5,但是由于电路中存在损耗,于是将占空比设为0.45。LLC主电路输出电压波形与输出电流波形如图5所示。

由图5可知,由于LLC电路中存在损耗,故LLC电路的输出电压实际上要小于110 V,需要根据搭建的仿真进行实时调控,可以把变压器的匝数比调大一点,使得输出电压更接近110 V;负载电流为9.14 A左右,输出功率设为1 000 W,负载电阻为12 Ω,经上述结果计算可知,功率为1 004 W,满足输出功率的要求。

(a)电压波形

(b)电流波形图5 LLC主电路输出电压电流波形

4.3 充放电核容主电路建模与计算

充放电回路模块是由三条结构与参数一致的充放电电路与一条起补充电流作用的放电电路组成。充放电电路由Buck电路和蓄电池串联,而后与Boost电路串联构成。在仿真实验中由于三条并联电池支路结构的参数相同,所以仅完成其中一条支路的充放电即可,于是可以在其他两条支路中额外串联大电阻,使其相当于断路,仅对其中的一条支路进行充放电仿真实验。

对于补充放电电流的支路,由于需要与核容支路的上升沿和下降沿同时进行,难以搭建控制模块单独进行调整,所以为使其接收的控制信号与进行放电核容的支路相同,由搭建的同一个控制模块来同时控制这两条支路,以保证控制信号相同。控制模块电路主要由放电PWM控制模块、充电PWM控制模块、控制AC/DC开关关断的判断模块、控制补充放电电流开断的模块、判断电压是否达到设定电压的模块和作为补充电流的模块组成。此外,进行核容的支路相对于其他支路需要在Buck电路和APFC之间额外添加由控制模块控制开断的开关,以控制核容的开闭。核容放电电流及核容电荷量变化情况如图6(a)所示,同时,蓄电池组放电电池电压波形的仿真结果如图6(b)所示。

(a)核容放电电流和核容电荷量变化

(b)放电电池电压波形图6 充放电核容仿真计算结果

从图6(a)可知,所搭建的在线核容充放电模块可以实现恒流放电,放电电流为22 A左右;随着电池恒流放电,各组蓄电池的核容电荷量呈现逐渐累积上升的趋势。同时,从图6(b)可知,蓄电池组的组间电压先升至电池标称电压,之后,蓄电池组的电压在恒流放电时电压降低,并保持在标称电压±3 V以内的范围。负载电压和电流波形如图7所示。

图7 负载电压和电流波形

由图7可知,负载处的电流大小为9 A左右,而电压的变化一直为108 V左右,同样符合负载输出的要求,输出的功率接近要求的1 000 W。经仿真结果分析,该电路模型可以完成在线核容放电且不脱离母线的需求。

5 结论

针对变电站直流电源系统中传统蓄电池核容维护放电需要离线而影响设备安全运行的问题,本文提出了蓄电池自动在线全容量核容方法,结论如下：

1)通过研究并联型直流供电系统自动在线核容控制策略,采用模块化的思路,提出了针对大功率并联型直流供电系统的蓄电池自动在线全容量核容方案。

2)采用Simulink仿真软件搭建蓄电池自动在线全容量核容的电路模块及其控制模块,通过模拟仿真完成了蓄电池的自动在线全容量核容放电,验证了蓄电池全自动在线全容量核容方案的可行性。

3)通过仿真验证了并联型蓄电池控制模块可以在对蓄电池完成在线核容维护放电工作的同时,保证直流电源系统中的蓄电池不脱离母线,解决了传统核容方案必须离线核容等问题,可为实际变电站直流电源系统设计与组建工程提供可行方案。