大功率儲能變流器分析

申欣欣，趙 廉

(西安德納檢驗檢測有限公司，西安 710000)

0 引 言

隨著我國各方面的不斷發(fā)展和進(jìn)步，人們對于電量的需求越來越大，這導(dǎo)致傳輸線路的距離越來越長，為了有效的處理這個問題，強(qiáng)化對于能源的利用率，大功率儲能變流器在我國的應(yīng)用越來越普遍。作為儲能系統(tǒng)，大功率儲能變流器能夠根據(jù)現(xiàn)實狀況釋放或者是儲存的量，其實質(zhì)是可以促進(jìn)能量在電時與電網(wǎng)間的雙向交換。本文主要研究的是可以單獨(dú)控制多組蓄電池組的儲能變流器，可以有效解決傳統(tǒng)定直流母線放電電壓無法控制等問題。

1 大功率儲能變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

想要儲存電能設(shè)置有很高的難度系數(shù)，對于以往在進(jìn)行電力生產(chǎn)的過程中，發(fā)電、輸電和用電等基本上都是在同一個時間下實施的，采取調(diào)度的措施可以在很大程度上確保電能供應(yīng)的平衡性。但是隨著時代的不斷發(fā)展，微電網(wǎng)的發(fā)展越來越繁榮，在這種情況下，新能源發(fā)電的輸出功率需要符合微電網(wǎng)本身的標(biāo)準(zhǔn)和需求，對于儲能系統(tǒng)來說，其調(diào)峰作用的關(guān)鍵性和意義越來越突出。

對于單級型的儲能變流器來說，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的能量不可以任意改變，而且儲能系統(tǒng)輸出的電壓也缺乏穩(wěn)定性，均流特性方面有待提升。本文的儲能變流器可以作為光蓄互補(bǔ)系統(tǒng)中的。組成部分，同時還可以單獨(dú)對多組電池進(jìn)行控制。與只包含一個DC/AC環(huán)節(jié)的單級型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較來說，多級的拓?fù)湫徒Y(jié)構(gòu)多了一個DC/DC環(huán)節(jié)。

對于多級型的儲能變流器來說，可以把蓄電池組產(chǎn)生的直流電能通過DC/DC的變換器增大電壓，然后提供給pwm變流器，通過逆變之后再流入電網(wǎng)。采用這種方式可以擴(kuò)大蓄電池組的工作電壓范圍。下面是多級型儲能變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如圖1所示)。

圖1 多級型儲能變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

這個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有以下的優(yōu)勢：首先，可以接入很多組電池，在不同的電池組之間，能夠使用單獨(dú)的DC/DC環(huán)節(jié)進(jìn)行掌控，從而使得多組電池組充放電方面互不影響，而且可以獨(dú)立地對其充放電情況進(jìn)行控制。其次，可以增大電池組電壓工作的區(qū)間。其次，對于電池組間出現(xiàn)的環(huán)流情況，可以有效的防止。最后，提高電池組投切的靈活性，使得電池儲能系統(tǒng)容量可以根據(jù)需求合理配置，這樣給運(yùn)行以及管理提供了便利。

在平時的生活以及生產(chǎn)過程中，需要確保可以24小時供電，不然的話就會給生活帶來影響，甚至給人們的財產(chǎn)和生命帶來威脅。對于大功率的儲能變流器來說，其可以實現(xiàn)電池儲能的作用，這樣就可以提供應(yīng)急電源。對于一般的UPS來說，在功率比較大的場所是不適用的，因此使用大功率儲能變流器，能夠給關(guān)鍵的負(fù)載提供電能，在突發(fā)狀況下可以保障工程或者是用電設(shè)備的順利運(yùn)行，從而確保供電的穩(wěn)定性和可靠性。

2 控制大功率儲能變流器的有關(guān)措施

對于大功率儲能變流器來說，包含對DC/DC變換器環(huán)節(jié)的控制以及并網(wǎng)變流器的控制，現(xiàn)階段，并網(wǎng)變流器的控制技術(shù)發(fā)展的越來越成熟，下面主要探究的是對DC/DC變換器環(huán)節(jié)的控制技術(shù)。

在以往恒流控制的情況下，DC/DC變換器可以根據(jù)要求來進(jìn)行充放電，然而其中間直流電壓是通過并網(wǎng)變流器來維持穩(wěn)定性的，在離網(wǎng)的情況下并網(wǎng)變流器沒有辦法發(fā)揮其作用，所以在離網(wǎng)的情況下沒有辦法使用該項技術(shù)來維持充放電電流的穩(wěn)定性，通過使用下垂控制的方式，可以有效的解決這個問題。

下垂控制的原理是按照設(shè)計的下垂曲線來確定在電壓不同的情況下，DC/DC變換器的輸出功率。其中含有兩種模式，一種是下垂放電模式，另外一種是下垂充電模式。在知道電池電壓的條件下，可以對DC/DC變換器的輸出功率進(jìn)行確定，這樣就可以對輸出的電流的指令值進(jìn)行確定。

在采用下垂控制措施的時候，首先需要設(shè)計好下垂曲線，在電壓不一樣的情況下，根據(jù)所得到的不同電流指令，可以發(fā)現(xiàn)電流指令會隨著電壓的波動而不斷出現(xiàn)變化，最后會實現(xiàn)一個動態(tài)性的平衡。在這個過程中，系統(tǒng)的功率也是屬于平衡狀態(tài)，電壓值也是穩(wěn)定的，同時電壓值也是在電壓允許區(qū)間內(nèi)的某一個電壓值，如圖2所示。

圖2 下垂曲線示意圖

2.1 下垂放電的模式(曲線A)

在Udc小于或者等于U1的情況下，根據(jù)電流基準(zhǔn)值IA處于放電狀態(tài)。當(dāng)Udc處于U1與U3的范圍之間時，需要根據(jù)Udc的不同變化情況，根據(jù)直線A科學(xué)合理地對放電電流進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)Udc處于U3和U4之間時，沒有放電的電流，這個時候處于停止放電的狀態(tài)。在Udc大于或者等于U4的情況下，自動的調(diào)整到下垂充電的狀態(tài)，在這個時候是根據(jù)基準(zhǔn)電流值IB來充電的。

2.2 下垂充電的模式(曲線B)

在Udc大于或者等于U4的情況下，在這個時候是根據(jù)基準(zhǔn)電流值IB來充電的。當(dāng)Udc處于U2與U4的范圍之間時，需要根據(jù)Udc的不同變化情況，根據(jù)直線B科學(xué)合理地對放電電流進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)Udc處于U1和U2之間時，沒有充電的電流，這個時候處于停止充電的狀態(tài)。在Udc小于或者等于U1的情況下，自動的調(diào)整到下垂放電的狀態(tài)，在這個時候是根據(jù)電流基準(zhǔn)值IA來放電的。

通過分析可以知道，在處于放電狀態(tài)的時候，電壓的范圍是從U3到U4，在處于充電狀態(tài)的時候，電壓的范圍是從U1到U2，具有電壓死區(qū)的作用。在現(xiàn)實的使用過程中，下垂控制存在很多的優(yōu)勢，其不但可以在并網(wǎng)的狀態(tài)下運(yùn)行，同時在離網(wǎng)的情況下也可以運(yùn)行，不僅如此，其還可以按照電池組的SOC狀態(tài)科學(xué)合理的對各支路的功率進(jìn)行分配，這樣能夠使得各支路的輸出功率以及輸入功率得到有效的掌控，從而也可以更好的控制充電電流和放電電流。

3 大功率儲能變流器的實驗

在直流源輸出電壓為650伏的情況下，并網(wǎng)變流器是在雙閉環(huán)的模式下工作的，這個時候可以對DC/DC通道的充電電流和放電電流的數(shù)值進(jìn)行測量，從而可以通過測量結(jié)果來判斷有沒有做到下垂控制。

通過對Udc進(jìn)行調(diào)節(jié)，把Udc的大小從760 V慢慢的增加到860 V，之后再慢慢的減小，對于DC/DC通道來說，在上垂放電模式工作的過程中，其放電基準(zhǔn)電流是10 A，而在下垂放電模式工作的過程中，其充電基準(zhǔn)電流是5 A。設(shè)放電的方向是正方向，表1是其在充電和放電過程中電感電流的平均值。

表1 不同Udc下充/放電電流

通過上面這個表，可以將其繪成圖3。從圖3所繪制的曲線來說，曲線1是Udc從760 V增加到860 V所得到的曲線，而曲線2是Udc從860 V減小到760 V之后所得到的曲線。從所得到的曲線的情況來看，大體上實現(xiàn)了下垂控制的效果。

圖3 下垂時控制的電流

4 結(jié)束語

對于大功率儲能變流器來說，其具有雙向交換能量的作用，由于它本身具有的多種優(yōu)勢，在我國微電網(wǎng)中得到了很普及的運(yùn)用，與此同時，在大功率儲能變流器完成下垂控制的情況下，其充電電流以及放電電流可以準(zhǔn)確的對指定電流進(jìn)行跟蹤，而且具有很高的工作效率，從目前的情況來看，具有雙向儲能作用的大功率變流器已經(jīng)成為了光蓄互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。