模塊化高功率密度儲能變流器的研究

2019-01-17 08:38:06郭寶甫王衛(wèi)星

通信電源技術(shù) 2018年11期

徐軍，郭寶甫，王衛(wèi)星，田盈

(許繼集團有限公司, 河南許昌 461000)

0 引言

隨著可再生能源發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，儲能的作用日益受到重視[1]，儲能可起到平抑功率波動、消納多余電量、削峰填谷等優(yōu)良特性，但是傳統(tǒng)儲能裝置體積大、功率密度低，導(dǎo)致升級成本高、維護難度大等一系列問題。

為了解決上述問題，高功率密度的模塊化儲能變流器越來越受到業(yè)內(nèi)的重視，這是一種采用先進結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計以及多機并聯(lián)技術(shù)于一體的新型儲能系統(tǒng)變換裝置，由模塊化的DC/DC功率模塊與DC/AC功率模塊構(gòu)成，具備可協(xié)調(diào)控制儲能電池出力、平抑系統(tǒng)功率波動、抑制并網(wǎng)點過電壓[2]以及升級擴容方便等優(yōu)良特性。

因此，研究模塊化高功率密度儲能變流器及其關(guān)鍵技術(shù)，提升其性能，改善各項控制策略，必將給儲能系統(tǒng)乃至可再生能源發(fā)電帶來新的技術(shù)突破與發(fā)展空間。本文主要從高功率密度設(shè)計、多機并聯(lián)技術(shù)、樣機研制、試驗驗證等幾方面進行論述。

1 高功率密度設(shè)計

如今大功率儲能變流器小型化、模塊化、接口標(biāo)準(zhǔn)化已成為業(yè)內(nèi)發(fā)展的趨勢。儲能變流器的模塊化設(shè)計易于裝置維護[3]，縮短開發(fā)周期，可大大節(jié)約綜合成本，而功率密度指標(biāo)的優(yōu)劣則對模塊化的設(shè)計水平起著至關(guān)重要的作用，在一定功率規(guī)格的裝置上，功率密度越大，裝置占用空間越小，變流器的模塊化優(yōu)勢越突出，因此，在儲能變流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，宜采用高功率密度、模塊化的設(shè)計原則。

1.1 模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

構(gòu)成模塊化儲能變流器的標(biāo)準(zhǔn)功率模塊共兩種規(guī)格，分別為DC/DC[4]與DC/AC[5]，容量均為50 kW，機箱高度均為5U標(biāo)準(zhǔn)尺寸，在結(jié)構(gòu)設(shè)計層面使儲能變流器的設(shè)計達到統(tǒng)一，實現(xiàn)儲能變流器的高功率密度設(shè)計。

圖1所示為DC/DC標(biāo)準(zhǔn)功率模塊與DC/AC標(biāo)準(zhǔn)功率模塊，兩者在結(jié)構(gòu)尺寸以及安裝方式方面完全一致，可根據(jù)工程需求構(gòu)成儲能直流變流器、儲能交流變流器、單級式與雙級式儲能變流器。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)功率模塊

功率模塊內(nèi)部分為上下兩層，其中下層為集中發(fā)熱元件、濾波電感和散熱器，其冷卻方式為強迫風(fēng)冷，冷風(fēng)經(jīng)功率模塊前方進，依次經(jīng)過散熱器，濾波電感，散熱風(fēng)機，從后風(fēng)道排出；上層為功率電路板、驅(qū)動板、控制板與電源板等，依次在一個平面上鋪開，各層電氣連接均采用導(dǎo)電銅排硬連接，可保證內(nèi)部布局更加緊湊，提高有限空間利用率，功率模塊整體功率密度可達：

=1.204 W/cm3

1.2 屏柜結(jié)構(gòu)設(shè)計

以單級式儲能交流變流器為例，如圖2所示，柜體含五個抽屜空間，每個抽屜可容納一個50 kW標(biāo)準(zhǔn)功率模塊，整柜最大容量可擴容至250 kW，每個抽屜空間采用推拉式設(shè)計，由導(dǎo)軌保證功率模塊插入與抽出時的快速與無損，并設(shè)計有鎖扣機構(gòu)，當(dāng)功率模塊推入相應(yīng)抽屜底部時將自動上鎖，可有效防止功率模塊滑脫與晃動，保證機械與電氣連接的可靠性。

圖2 單級式儲能交流變流器(正面)

模塊化儲能變流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計取消了所有導(dǎo)線連接，完全由屏柜一體化替代，可有效避免軟體導(dǎo)線的不安全性與不可靠性，真正實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)功率模塊的即插即用。

如圖3所示，屏柜背部利用一體化導(dǎo)流銅排實現(xiàn)功率流的即插即用，當(dāng)功率模塊推入后可與鎖扣機構(gòu)配合完成固定與電氣連接。銅排分為直流銅排與交流銅排。當(dāng)某個抽屜空缺時不影響其他部分的電氣連接；屏柜內(nèi)部利用通信導(dǎo)管實現(xiàn)信息流的即插即用，可與功率模塊背部的通信連接器緊密結(jié)合，保證系統(tǒng)通信的電氣連接。

2 多機并聯(lián)設(shè)計

模塊化儲能變流器將傳統(tǒng)的單臺大容量裝置分為若干個同等規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)功率模塊[6]，對于不同容量要求的儲能系統(tǒng)，只需并聯(lián)相應(yīng)數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)功率模塊即可達到容量要求，既能簡化生產(chǎn)設(shè)計，又能提高生產(chǎn)效率。

但是多功率模塊并聯(lián)若不能實現(xiàn)能量的平均控制，將導(dǎo)致單臺功率模塊所通過的能量過大，造成損壞，繼而產(chǎn)生惡性循環(huán)損壞其他功率模塊，嚴(yán)重時會導(dǎo)

圖3 單級式儲能交流變流器(背面)

致并聯(lián)系統(tǒng)的崩潰[7,8]。所以模塊化儲能變流器的多機并聯(lián)控制技術(shù)十分重要，因此要保證整個并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,必須在多個功率模塊之間找到合適的控制方法，保持各功率模塊之間能量分配的一致性與高效性，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.1 DC/DC并聯(lián)

DC/DC主拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示，橋臂采用Ⅰ字形雙并聯(lián)三電平結(jié)構(gòu)，可完成不同電壓等級直流電能之間的相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)能量的單/雙向流動[4]。

圖4 DC/DC模塊拓撲圖

基于上述主拓撲，針對儲能系統(tǒng)中存在的DC/DC多機并聯(lián)時由于出力分配不合理導(dǎo)致的輸出電流性能下降，從而降低系統(tǒng)總體工作效率，甚至縮短蓄電池壽命以及DC/DC使用年限的問題[9,10]，提出一種DC/DC并聯(lián)運行自尋優(yōu)動態(tài)出力調(diào)節(jié)控制技術(shù)，可對DC/DC并聯(lián)系統(tǒng)中的各個DC/DC輸出電流紋波以及系統(tǒng)總輸出電流紋波進行檢測，根據(jù)紋波實際值向控制系統(tǒng)進行反饋，然后由控制系統(tǒng)對各個DC/DC的出力進行調(diào)整，使其輸出電流紋波滿足系統(tǒng)接入條件，并通過自尋優(yōu)找到DC/DC的最佳出力狀態(tài)，發(fā)揮出最大的性能，提高DC/DC并聯(lián)的工作效率。

DC/DC并聯(lián)運行自尋優(yōu)動態(tài)出力調(diào)節(jié)控制技術(shù)原理如圖5所示。

首先，進行DC/DC的初次出力分配，該分配方案可以為隨機的，但必須為合理的，例如不能使DC/DC過載運行；然后，根據(jù)檢測到的DC/DC輸出電流紋波與系統(tǒng)總電流紋波，判斷其是否超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。如果超標(biāo)則重新分配各個DC/DC的出力，再檢測，再分配，直至紋波滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；最后，雖然此時整個并聯(lián)系統(tǒng)的運行狀態(tài)是滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的，卻不一定為最優(yōu)狀態(tài)，因此系統(tǒng)將進入自動尋優(yōu)環(huán)節(jié)，即在紋波不超標(biāo)的分配方案基礎(chǔ)上再次進行DC/DC的出力分配，然后將輸出結(jié)果與上次結(jié)果進行比較，如果結(jié)果得到優(yōu)化則繼續(xù)尋找最優(yōu)方案，否則以上次分配方案作為最佳方案。

圖5 DC/DC并聯(lián)運行自尋優(yōu)動態(tài)出力調(diào)節(jié)控制技術(shù)原理

2.2 DC/AC并聯(lián)

DC/AC主拓撲如圖6所示，橋臂采用T型二極管鉗位三電平結(jié)構(gòu)，輸出回路采用LCL濾波電路，可有效降低輸出電流諧波含量，完成直流電能與交流電能之間的相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)能量的雙向流動[5]。

圖6 DC/AC模塊拓撲圖

基于上述主電路拓撲，針對DC/AC并聯(lián)運行的實際需求，提出一種基于功率擾動的DC/AC并聯(lián)動態(tài)出力分配控制方法。該方法可以解決DC/AC并聯(lián)運行出力的動態(tài)分配問題[11,12]，并可在一定程度上降低并聯(lián)系統(tǒng)交流側(cè)并網(wǎng)點的THD，改善其交流側(cè)的外特性[13,14]。在保證各個DC/AC的輸出功率、并網(wǎng)系統(tǒng)總輸出功率、并網(wǎng)點THD不超標(biāo)的前提下，改變并聯(lián)系統(tǒng)中某個DC/AC的輸出功率，在系統(tǒng)穩(wěn)定后，測量并聯(lián)系統(tǒng)交流側(cè)并網(wǎng)點的THD，將并聯(lián)系統(tǒng)交流側(cè)并網(wǎng)點的THD最小時的輸出功率設(shè)定為該DC/AC的輸出功率。然后按照上述步驟調(diào)整其他DC/AC的輸出功率，從而迅速找出使得并聯(lián)系統(tǒng)并網(wǎng)點THD最小的功率分配組合，為DC/AC的并聯(lián)運行提供技術(shù)保障[15]。

DC/AC并聯(lián)運行動態(tài)出力分配控制方法原理如圖7所示。

圖7 DC/AC并聯(lián)運行動態(tài)出力分配控制方法原理

首先根據(jù)系統(tǒng)需求，調(diào)整并聯(lián)系統(tǒng)輸出的總功率，并對各個DC/AC進行功率分配，之后判斷各個DC/AC的輸出功率是否在其額定功率內(nèi)，如果某一DC/AC的輸出功率大于自身額定功率，則降低其輸出功率。調(diào)整完畢之后，記錄此時交流側(cè)并網(wǎng)點的THD；然后，選擇并聯(lián)系統(tǒng)中的某個DC/AC，在使得并聯(lián)系統(tǒng)正常運行以及并聯(lián)系統(tǒng)總的輸出功率、各個DC/AC的輸出功率、交流側(cè)并網(wǎng)點THD不超標(biāo)的前提下，對該DC/AC的輸出功率進行調(diào)節(jié)，使得并聯(lián)系統(tǒng)交流側(cè)并網(wǎng)點THD最小，此時該DC/AC輸出的功率值即為使得THD最小時的輸出功率，其他DC/AC可以此類推。

在實際操作過程中，如果出現(xiàn)各DC/AC功率分配不同但交流側(cè)并網(wǎng)點THD都很小的情況，則考慮各個DC/AC輸出側(cè)的THD，選取讓各個DC/AC的THD大小較為接近的功率分配組合。

3 模塊化儲能變流器研制及試驗驗證

3.1 裝置研制

本次研制的標(biāo)準(zhǔn)功率模塊共分為DC/DC與DC/AC兩種，規(guī)格均為50 kW，機箱高度5U，圖8所示為50 kW標(biāo)準(zhǔn)功率模塊實物圖，各標(biāo)準(zhǔn)功率模塊采用機架式安裝方式，按照標(biāo)準(zhǔn)屏柜設(shè)計，可自由組合構(gòu)成不同容量的儲能變流器。