模塊化高功率密度儲能變流器的研究

2019-01-17 08:38:06郭寶甫王衛星

通信電源技術 2018年11期

徐軍，郭寶甫，王衛星，田盈

(許繼集團有限公司, 河南許昌 461000)

0 引言

隨著可再生能源發電技術的快速發展，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、削峰填谷等優良特性，但是傳統儲能裝置體積大、功率密度低，導致升級成本高、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內的重視，這是一種采用先進結構工藝設計以及多機并聯技術于一體的新型儲能系統變換裝置，由模塊化的DC/DC功率模塊與DC/AC功率模塊構成，具備可協調控制儲能電池出力、平抑系統功率波動、抑制并網點過電壓[2]以及升級擴容方便等優良特性。

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

1 高功率密度設計

如今大功率儲能變流器小型化、模塊化、接口標準化已成為業內發展的趨勢。儲能變流器的模塊化設計易于裝置維護[3]，縮短開發周期，可大大節約綜合成本，而功率密度指標的優劣則對模塊化的設計水平起著至關重要的作用，在一定功率規格的裝置上，功率密度越大，裝置占用空間越小，變流器的模塊化優勢越突出，因此，在儲能變流器的結構設計方面，宜采用高功率密度、模塊化的設計原則。

1.1 模塊結構設計

構成模塊化儲能變流器的標準功率模塊共兩種規格，分別為DC/DC[4]與DC/AC[5]，容量均為50 kW，機箱高度均為5U標準尺寸，在結構設計層面使儲能變流器的設計達到統一，實現儲能變流器的高功率密度設計。

圖1所示為DC/DC標準功率模塊與DC/AC標準功率模塊，兩者在結構尺寸以及安裝方式方面完全一致，可根據工程需求構成儲能直流變流器、儲能交流變流器、單級式與雙級式儲能變流器。

圖1 標準功率模塊

功率模塊內部分為上下兩層，其中下層為集中發熱元件、濾波電感和散熱器，其冷卻方式為強迫風冷，冷風經功率模塊前方進，依次經過散熱器，濾波電感，散熱風機，從后風道排出；上層為功率電路板、驅動板、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電銅排硬連接，可保證內部布局更加緊湊，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 屏柜結構設計

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標準功率模塊，整柜最大容量可擴容至250 kW，每個抽屜空間采用推拉式設計，由導軌保證功率模塊插入與抽出時的快速與無損，并設計有鎖扣機構，當功率模塊推入相應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構設計取消了所有導線連接，完全由屏柜一體化替代，可有效避免軟體導線的不安全性與不可靠性，真正實現標準功率模塊的即插即用。

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

2 多機并聯設計

模塊化儲能變流器將傳統的單臺大容量裝置分為若干個同等規格的標準功率模塊[6]，對于不同容量要求的儲能系統，只需并聯相應數量的標準功率模塊即可達到容量要求，既能簡化生產設計，又能提高生產效率。

但是多功率模塊并聯若不能實現能量的平均控制，將導致單臺功率模塊所通過的能量過大，造成損壞，繼而產生惡性循環損壞其他功率模塊，嚴重時會導

圖3 單級式儲能交流變流器(背面)

致并聯系統的崩潰[7,8]。所以模塊化儲能變流器的多機并聯控制技術十分重要，因此要保證整個并聯系統的穩定運行,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，從而提高系統的穩定性。

2.1 DC/DC并聯

DC/DC主拓撲結構如圖4所示，橋臂采用Ⅰ字形雙并聯三電平結構，可完成不同電壓等級直流電能之間的相互轉換，實現能量的單/雙向流動[4]。

圖4 DC/DC模塊拓撲圖

基于上述主拓撲，針對儲能系統中存在的DC/DC多機并聯時由于出力分配不合理導致的輸出電流性能下降，從而降低系統總體工作效率，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并聯運行自尋優動態出力調節控制技術，可對DC/DC并聯系統中的各個DC/DC輸出電流紋波以及系統總輸出電流紋波進行檢測，根據紋波實際值向控制系統進行反饋，然后由控制系統對各個DC/DC的出力進行調整，使其輸出電流紋波滿足系統接入條件，并通過自尋優找到DC/DC的最佳出力狀態，發揮出最大的性能，提高DC/DC并聯的工作效率。

DC/DC并聯運行自尋優動態出力調節控制技術原理如圖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，根據檢測到的DC/DC輸出電流紋波與系統總電流紋波，判斷其是否超過標準規定。如果超標則重新分配各個DC/DC的出力，再檢測，再分配，直至紋波滿足標準規定；最后，雖然此時整個并聯系統的運行狀態是滿足標準要求的，卻不一定為最優狀態，因此系統將進入自動尋優環節，即在紋波不超標的分配方案基礎上再次進行DC/DC的出力分配，然后將輸出結果與上次結果進行比較，如果結果得到優化則繼續尋找最優方案，否則以上次分配方案作為最佳方案。

圖5 DC/DC并聯運行自尋優動態出力調節控制技術原理

2.2 DC/AC并聯

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構，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換，實現能量的雙向流動[5]。

圖6 DC/AC模塊拓撲圖

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

DC/AC并聯運行動態出力分配控制方法原理如圖7所示。

圖7 DC/AC并聯運行動態出力分配控制方法原理

首先根據系統需求，調整并聯系統輸出的總功率，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，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。調整完畢之后，記錄此時交流側并網點的THD；然后，選擇并聯系統中的某個DC/AC，在使得并聯系統正常運行以及并聯系統總的輸出功率、各個DC/AC的輸出功率、交流側并網點THD不超標的前提下，對該DC/AC的輸出功率進行調節，使得并聯系統交流側并網點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，如果出現各DC/AC功率分配不同但交流側并網點THD都很小的情況，則考慮各個DC/AC輸出側的THD，選取讓各個DC/AC的THD大小較為接近的功率分配組合。