一種基于Boost變換器的蓄電池并網放電系統研究

羅志遠，湯金興，王 聰

（國網浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033）

一種基于Boost變換器的蓄電池并網放電系統研究

羅志遠，湯金興，王 聰

（國網浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033）

在電力系統中，必須定期對廠站直流系統后備電源—閥控式密封鉛酸蓄電池進行核對性放電試驗，準確掌握其容量，并保持其活性。為了提高核對性放電試驗的準確性，改善放電環境，同時達到節能的目的，結合電力電子技術、信號檢測與處理技術、控制技術與理論，對一種基于Boost升壓斬波電路的蓄電池有源逆變放電系統進行了研究，既能實現蓄電池恒流放電，核定其容量，又能將蓄電池放出的電能回饋電網，減少能量浪費，改善放電環境。

蓄電池；放電；升壓變換器；逆變器

0 引言

在目前電力系統中，VRLA（閥控式密封鉛酸蓄電池）作為直流操作的后備電源，是事故條件下二次控制電路重要的工作電源，其性能好壞直接影響到系統的安全。但VRLA長時間工作在持續不斷的浮充電狀態，會造成蓄電池陽極板鈍化，使電池內阻增大，電池的可用容量大大低于其標稱容量，從而導致蓄電池可能提供的實際后備供電能力降低。為此，必須定期對VRLA進行容量核定和活化性放電試驗，以保持蓄電池的活性并準確掌握其真實容量。目前很多地方仍采用傳統的電阻放電方式，存在放電造成的環境溫升大、容量測定結果不準確、蓄電池能量浪費、維護人員勞動強度大等缺點。在電力系統廠站自動化水平不斷提高的今天，開展針對自動化程度更高、控制更加精確以及更加節能環保的蓄電池維護手段和技術的研究是十分必要的。以下對一種既可提高蓄電池容量核定的準確性，又可減少蓄電池放出電能浪費的蓄電池放電系統進行研究和設計。

1 系統方案設計

1.1 系統的基本功能

該蓄電池有源逆變放電系統的功能是實現蓄電池的恒流放電控制，對其容量進行檢測，同時將直流電變為與公共電網同頻率的交流電反饋回電網，可減少能量浪費，改善放電環境。要使蓄電池組的直流電轉換為可以回饋電網的交流電，放電系統必然包括逆變環節。由于電力系統中用作后備直流電源的蓄電池組電壓規格一般為110 V或220 V，在放電過程中電壓會進一步降低，逆變環節又是一個降壓的過程，而電網的相電壓為220 V，所以必須采用升壓環節實現電壓的匹配。也就是說蓄電池有源逆變放電系統必須包括升壓環節和逆變環節。

1.2 系統方案設計

按照系統基本功能的要求，采用晶閘管相控有源逆變的放電系統可以采用以下2種結構方案：

（1）結構方案1：蓄電池→逆變器→工頻變壓器→220 V交流。蓄電池的直流電先逆變為交流電，再通過工頻變壓器進行升壓與電網相匹配，實現電能的回饋。

采用工頻變壓器升壓實現電壓匹配的方案只有一級電力電子變換電路，電路結構簡單。在變壓器變比一定的情況下，由于蓄電池的電壓在放電過程中的下降和電網的波動，必須通過不斷調整逆變器的逆變角來實現電壓的匹配和放電電流的控制，這樣會帶來更多的諧波，控制電路也比較復雜。同時逆變器工作于大電流狀態時，晶閘管工作時的損耗較大。

（2）結構方案2：蓄電池→升壓變換器→逆變器→220 V交流。蓄電池的直流電先經過DC/ DC升壓變換，使直流電壓升高，然后通過逆變環節將直流電轉換為交流電回饋電網。

采用這種方案的系統有兩級電力電子變換電路，但其實現過程并不復雜。可以通過對直流升壓變換器的控制來實現電壓的匹配，交流側可以直接接入交流電網。這種方案的難點在于低壓大電流的DC/DC部分，元件的導通損耗較大，對散熱設計要求較高。

為了盡量改善采用晶閘管相控有源逆變電路作為逆變器的有源逆變放電系統的功率因數，減小其對電網造成的諧波干擾，考慮到系統的可行性、可靠性及成本，基于結構方案2，提出了一種結合Boost升壓斬波電路和基于晶閘管的電流型三相全橋逆變電路的蓄電池有源逆變放電方案。在系統工作過程中保持逆變環節逆變角的恒定，不對其進行調節，使其工作于一個固定的諧波最小、功率因數最高的最小逆變角狀態。升壓環節采用結構簡單的Boost升壓電路，通過對Boost升壓電路的控制，將直流電壓升高，實現電壓匹配，以滿足后級逆變電路的工作條件，同時實現對蓄電池放電電流的控制，保持電流恒定，結合放電時間便可實現對蓄電池容量的測定。

整個蓄電池有源逆變放電系統由主電路、控制電路和保護電路構成，系統原理如圖1所示。

該方案因為在前級采用了升壓電路，可以使逆變電路的晶閘管工作于更小的電流狀態，減小了所需晶閘管的容量。采用固定逆變電路逆變角的運行模式，在一定程度上改善了相控有源逆變放電的功率因數，減小了諧波，控制也更加容易實現。雖然比結構方案1多了一個升壓斬波環節，但省去了一個升壓變壓器，以及減小了所需晶閘管的容量，所節約成本足以抵償升壓斬波電路的成本。選擇三相全橋逆變電路，與單相逆變電路相比，更有利于三相電網的平衡；與三相半波逆變電路相比，消除了偶次諧波，減小了交流電流，逆變電路需要的平波電抗器電感量及工作電流也較小。

圖1 放電系統原理框圖

2 系統的建模與仿真

完整的蓄電池有源逆變放電系統仿真模型如圖2所示。為了驗證在電網電壓波動時的恒流放電結果，交流電網采用三相可編程電源模塊，可以在設定的時刻改變交流電壓幅值。蓄電池模型采用一個可控的直流電壓源實現。蓄電池的恒流放電控制采用PI控制模塊實現。

根據系統主電路參數的設計結果，設定升壓電感值為10 mH，電容值為1 000 μF，平波電抗器電感值為30 mH，電感直流電阻值為1 Ω。三相全橋逆變電路的控制角設為150°，即逆變角設定為30°，三相交流電壓為380 V，蓄電池電壓初始值為220 V，放電電流設定為50 A，控制信號頻率為10 kHz，仿真時長設為0.35 s，仿真算法為ode23tb。蓄電池放電時，升壓電路輸出電流Io，輸出電壓Uo，蓄電池放電電流I，蓄電池電壓U波形如圖3所示。蓄電池有源逆變放電系統單相并網電流及電網電壓波形如圖4所示。

從仿真結果可得，在蓄電池電壓隨著放電的進行而不斷下降的過程中，恒流控制電路能夠保證蓄電池的恒流放電和逆變并網的順利進行。

因為蓄電池放電過程中電壓下降的速度很慢，在此假設直流（蓄電池）電壓值不變，考慮交流電網波動時放電系統的工作狀態，設定交流電網線電壓初始值為380 V，在0.2 s時升高為初始值的1.1倍。升壓電路輸出電流 Io和輸出電壓Uo，蓄電池放電電流I和直流電源（蓄電池）電壓U波形如圖5所示。蓄電池有源逆變放電系統單相并網電流及電網電壓波形如圖6所示。

圖2 放電系統仿真模型

圖3 蓄電池放電時電壓、電流波形

圖4 蓄電池放電時的單相并網電流波形

當其他條件不變，設定電網電壓在0.2 s降為初始值0.9倍時的波形分別如圖7和圖8所示。

從仿真結果可以得到，在蓄電池電壓隨著放電的進行而降低，或者電網電壓幅值出現向上和向下的波動時，系統都能夠保持蓄電池按設定電流50 A恒流放電，放電電流紋波滿足在參數設計時要求的5%以內，直流輸出電壓紋波滿足參數設計1%的要求，能夠保證回饋電流的連續性，順利實現能量的回饋。

圖5 電網電壓幅值增大時波形

圖6 電網電壓幅值增大時單相并網電流波形

圖7 電網電壓幅值減小時波形

圖8 電網電壓幅值減小時單相并網電流波形

3 結語

提出的一種基于Boost升壓斬波電路的蓄電池有源逆變放電系統方案，在一定程度上改善了采用晶閘管相控有源逆變電路實現能量回饋時的功率因數，減小了并網電流的諧波。該方案具有電路結構簡單，控制易實現，可靠性高，成本相對較低等優點，在大容量蓄電池的放電試驗中優勢更加明顯。為變電站和發電廠直流屏逆變放電提供了一種新的參考方案，具有一定的應用前景。

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（本文編輯：方明霞）

Study of A Battery Integrated Discharging System Based on Boost Converter

LUO Zhiyuan，TANG Jinxing，WANG Cong

（State Grid Jiaxing Power Supply Company，Jiaxing Zhejiang 314033，China）

In power system，discharge test on the backup power source-VRLA（valve regulated lead-acid battery）of DC system in power plants and substations must be regularly conducted to learn its capacity accurately and keep its activity.For the sake of test accuracy enhancement，discharge environment improvement and energy conservation，the paper investigates an active power inverter discharge system of battery based on Boost chopping circuit，which not only enables constant current discharge for capacity check but reduces energy waste by injecting the discharged battery energy into power grid and improves the discharge environment.

battery；discharge；boost converter；inverter

TM912

A

1007-1881（2016）12-0069-04

2016-10-17

羅志遠（1985），男，工程師，主要從事電力系統變電運維工作。