基于DC-DC變換的變電站直流電源設計

王建元，武金亞，溫偉偉，趙鑫，劉鶴

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

0 引 言

國內隨著專利問題及鋰電池新技術的突破，鋰動力電池將廣泛應用于變電站直流系統中［1］。由于單體蓄電池性能的差異，串聯使用時會產生不均衡現象導致“短板效應”［2］。如何提高電池的循環壽命，防止大量的能源浪費現已成為一個重要的研究課題。

為了提高電源的容量和可靠性，采用多個電源模塊并聯互備，是電力系統中變電站后備電源發展的一個方向［3-5］。由于單體蓄電池的電壓幅值有限，為了達到要求的輸出電壓，國內正在推廣對單體電源采用DC-DC變換實現Boost升壓的方法。為了提高電力系統運行的安全性和可靠性，確保升壓后并聯的電源模塊能平均分配負載電流，必須采用均流技術［6-7］。文獻［8］提出了對并聯均流技術的實施運用，以實現并聯電源的均流控制。

但是，傳統的Boost變換器在電力系統后備電源的運用中存在著諸多缺陷，包括：開關管所承受電流過大，單個儲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，動態特性不好等［9-10］。然而有源法中的最大均流法雖廣為應用，但其只能實現動態均流，致使輸出電流存在低頻振蕩，輸出電壓有過電壓現象［11］。

以上缺陷的存在，將會給電力系統的運行帶來安全隱患。本文設計了一種基于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仿真軟件對所提出的策略進行了仿真研究，仿真結果表明了該策略的可行性和有效性。

1 變電站直流負荷的計算與電池的選擇

1．1 變電站直流負荷的容量計算

110 kV變電站二次回路上的直流負荷主要分為：經常負荷、事故負荷、沖擊負荷。其直流母線輸出的額定電壓Ur主要為220 V［12］。結合110 kV變電站直流系統實際分配情況對直流負荷進行統計。結果見表1。

表1 110 kV變電站系統直流負荷統計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變電站負荷分配的基礎上，選擇鋰電池時應滿足以下三個階段的容量要求。

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）。

（2）持續階段。

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

（3）隨機階段。

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

由式（1）～式（3）所得出的容量值可推出所需鋰電池的總容量值為：

式中，kre=1．2（可靠系數）；keq=0．9（鋰電池有效容量系數）。

結合上述計算，在變電站后備電源工作時，為了避免電池并聯出現冗余。本文選用2塊均為48 V，100 A·h的磷酸鐵鋰電池相互并聯，其詳細參數可見表2。

表2 48 V鋰電池參數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）的導通與關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IGBT。當工作時兩個IGBT的區別只是相位延遲時間不同。充電時，等效電路如圖2所示。兩個IGBT均導通，其通態時間為ton。此時儲能電感L進行能量儲存，為了防止電容C對地放電，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。電感充電時的儲能值為UinI·ton。

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

如圖3所示，當IGBT關斷時電路為放電等效電路。設IGBT的截止時間為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

由于在設計時電路中電容和電感值是無法實現無限大的選取，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輸入電壓的基礎上，結合MATLAB／Simulink實現電路的仿真。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為儲能電感側的電流值。結合本文選取的鋰電池參數，理論求得電感值L=83 μH，實際選取電感值為2 mH。

電容的容量選擇條件為：

式中，U′為紋波電壓。

結合本文選用的輸入電壓為48 V，輸出電壓要達到220 V，計算求得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電源模塊進行并聯，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個直接并聯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轉換電路、PWM生成電路、運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，用來檢測電源模塊輸出的電壓值，CT1為電流傳感器，用來檢測輸出的電流值，A1為運算放大電路和二極管及電阻構成均流信號發生電路。結合二極管的單向導電性，相互并聯的電源模塊會通過各自的二極管D1把最大的電流信號與1號均流母線相連。與此同時相并的直流電源把其最大電壓差送到2號均流母線。輸出的電壓信號Uout，電流信號Iout以及兩個均流母線上的最大電流信號值Imax和最大電流差值ΔImax經A／D轉換電路運算，轉換成對應的數字信號送到CPU上。由中間電流均流控制方法控制PWM生成電路發出對應的PWM信號，來控制DC／DC雙重Boost直流升壓電路中IGBT管的導通與關斷狀態。當并聯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，則實現均流。

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Imax和最大電流差值信號ΔImax經“MID”運算得出中間電流值信號Imid。通過中間電流信號Imid來比較調節輸出電流Iout的大小，當輸出的電流差值滿足中間電流控制法的精度要求，則實現均流控制。

4 仿真分析與結果

使用MATLAB／Simulink仿真軟件依據雙重Boost升壓法和中間電流均流控制法進行建模仿真，其仿真拓撲圖，如圖9所示。

圖9 仿真模型Fig．9 Simulation model

通過電流信號Imid分別來控制兩個電源封裝模塊（Boost、Boost1）中的IGBT的通斷。均流互備的電源模塊輸出結果如圖10所示，當電阻R設為75Ω時，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。兩個電源模塊輸出的電流誤差符合中間電流控制法對均流精度的要求，同時還能實現理想的輸出電壓。

圖10 仿真結果Fig．10 Simulation result

5 結束語

本文針對電力系統中后備電源的可靠運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仿真環境下搭建了相應的仿真模型，通過對各項特性理論分析和仿真結果總結得出：雙重Boost升壓變換法不但能達到升壓穩壓的目的，而且降低了功率元件的電流應力，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現對兩個并聯升壓電路的穩態控制，不但確保了電源的安全運行，而且提高了其供電品質。結果表明該方案即能提高鋰電池系統的使用效率，也可以保證電源模塊在出現故障的情況下實現不斷電替換。