基于EPT的儲能系統(tǒng)軟啟動控制策略

王 強，郭 偉，楊 策

（三峽大學電氣與新能源學院，宜昌 443002）

電子電力變壓器EPT（electronic power transformer）作為一種新型智能變壓器，除了具備傳統(tǒng)變壓器的變壓、隔離和控制的功能外，還具有電能轉換的功能，其多端口功能可以方便接入各種分布式電源、儲能設備和負載。同時，EPT具備電能質(zhì)量調(diào)節(jié)能力，能夠改善電壓閃變、諧波和電壓三相不平衡等電能質(zhì)量問題，滿足用戶對高質(zhì)量電能的需求[1-2]。與傳統(tǒng)變壓器相比，EPT無法應對電壓跌落或者中斷的狀況，該動態(tài)電能質(zhì)量問題會嚴重影響用電設備安全和穩(wěn)定運行，該問題可以通過加入儲能系統(tǒng)ESS（energy storage system）來解決[3]。

傳統(tǒng)的電池ESS是由1個雙向變流器和控制單元構成，不能靈活控制能量供應。已有學者對系統(tǒng)拓撲及儲能優(yōu)化展開研究。在PET與ESS基礎上，文獻[4]提出了可以解決端口間功率解耦問題的拓撲結構，但是在功率合理分配的靈活控制方面上還存在不足。文獻[5]提出了有源橋三端口變換器，實現(xiàn)橋臂開關的復用，提高功率密度，但儲能單元只位于輸出級，隔離變換器存在無功損耗，使儲能單元效率降低，系統(tǒng)的動態(tài)響應速度較慢，只適用于低功率場合，靈活性較差。文獻[6-7]針對ESS應用在EPT上已有一些成果，分別采用最優(yōu)控制及自抗擾控制對ESS并網(wǎng)的能量進行調(diào)度和管理，提高了EPT供電可靠性。文獻[8]利用主從控制實現(xiàn)了短路電流限流，解決了由于直流輸電線路低阻抗帶來的短路電流大的危害。文獻[9]提出了多重化DC/DC變換器的拓撲結構，該結構可以提高電池組的端電壓，從而進一步增大ESS并網(wǎng)容量，可以通過并聯(lián)提升每個開關管承受的壓降及最大電流，但是在串并聯(lián)多個電池組時，端口之間的能量控制比較復雜，也容易引起電路之間環(huán)流。

本文采用的是含多端口DC/DC變換器MPC（multi-port DC/DC converter）-ESS拓撲結構的電池組[10]，這種結構方便電池組之間的并聯(lián)接入，能夠靈活控制電池組的充放電。目前多電池組MPCESS的研究多是針對負荷或者電網(wǎng)之間的功率轉換[11]，變換器在直流母線電壓側的啟動方面上研究不多。文獻[10]在松弛端口處采用電壓閉環(huán)控制方法來穩(wěn)定直流母線電壓。本文在文獻[10]電壓環(huán)反饋的基礎上增設電流反饋內(nèi)環(huán)，利用電流內(nèi)環(huán)快速、及時的抗擾性來有效抑制負載擾動的影響，由于電流內(nèi)環(huán)對系統(tǒng)特性的改造，系統(tǒng)穩(wěn)定性得到加強，本文對文獻[10]中軟啟動控制策略進行優(yōu)化，同時將MPC-ESS軟啟動控制策略應用在EPT低壓直流側，分析該ESS在并入EPT低壓直流側時對電網(wǎng)瞬間的影響，利用各端口的軟啟動方式及相關控制策略，使各端口穩(wěn)定、靈活切入電網(wǎng)。經(jīng)過仿真，驗證了多電池組MPC-ESS軟啟動方式下在EPT低壓直流側應用的有效性，為EPT更穩(wěn)定地向負載供電提供了新方案。

1 系統(tǒng)結構及工作原理

1.1 EPT拓撲結構

圖1為帶有ESS的一種典型的AC/DC/AC型3階EPT結構，該結構的兩個主要部分為EPT和ESS。輸入級、隔離級及輸出級是EPT結構的主要部分。其中，輸入級是三相高頻電壓型整流器，作用是將交流電壓整流為直流電壓進而給隔離級供電；隔離級的原邊由與輸入級聯(lián)接的全橋逆變器和1個單繞組組成，副邊由3個繞組的高頻變壓器和3個H型單相全橋整流器組成，主要是充當電壓等級變換和隔離的作用[12]；輸出級是由3個單相電壓源逆變器組成，輸出端為YN型，能滿足負載的不平衡及大功率負載的需求[13]。已有學者對10 kV/400 V、500 kV·A的EPT進行研究，用獨立直流電壓平衡控制器來保持直流電壓的平衡[14]。

圖1 帶有ESS的EPT結構Fig.1 Structure of EPT with ESS

ESS采用含多電池組的MPC拓撲結構，能夠實現(xiàn)多組電池的并聯(lián)接入和靈活的充放電控制。該系統(tǒng)通過DC/DC變換器連接到EPT的低壓直流側，通過EPT輸出級的逆變器向負載進行供電。ESS采用直流側連接方式，不存在電壓同步問題，系統(tǒng)結構簡單[15]。

1.2 電池組拓撲結構

圖2為MPC-ESS的拓撲結構。這種結構是由多組電池組和多個Buck/Boost雙向DC/DC變換器并聯(lián)而成。

圖2 多電池組MPC系統(tǒng)結構Fig.2 Structure of MPC system with multiple battery packs

圖2中，SW(n)為切合開關，對要啟動的電池組進行投切；K(n)為保護直流斷路器；RS(n)為啟動電阻，作用是在端口啟動瞬間減小突增的沖擊電流；Li(n)為濾波電感；iL(n)為流過濾波電感的電流；Cdc為濾波電容；Udc為濾波電容兩端電壓；Ubess(n)為電池組端口電壓。

MPC-ESS并聯(lián)在EPT低壓直流側，濾波電容起穩(wěn)定電壓的作用，并聯(lián)在母線兩端的電壓為低壓側直流母線電壓。當原邊電源側電壓出現(xiàn)波動或者中斷時，ESS可以通過DC/DC變換器進行功率的輸出或吸收，從而保證母線電壓的穩(wěn)定。多端口之間能量如何實現(xiàn)靈活控制是一個研究方向，有學者采用狀態(tài)估計方法來滿足系統(tǒng)靈活調(diào)控的需求[16]。

2 各端口控制方法

ESS中1個端口由電池組和1個雙向DC/DC變換器組成，每個端口的投入對系統(tǒng)都有暫態(tài)擾動。端口可分成1個松弛端口和多個功率端口，松弛端口是為了穩(wěn)定直流母線電壓、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的能量不平衡，其控制方式是先進行電流閉環(huán)控制，然后進行電壓外環(huán)及電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制；功率端口可以通過電流參數(shù)來控制吸收和釋放恒定的功率，其控制方式是電流閉環(huán)控制。

在MPC-ESS中，電池組和輸電側之間實時進行能量傳遞，本文采用互補的脈沖寬度調(diào)制PWM（pulse width modulation）控制方式。對松弛端口的控制策略進行分析，其控制策略如圖3（a）所示，其中Udc_ref為EPT低壓直流側電壓參考值。電壓誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后，其值與電感電流比較產(chǎn)生電流誤差，再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)，最后經(jīng)過限幅和PWM控制產(chǎn)生脈沖信號從而控制上下開關管導通狀況。對功率端口的控制策略進行分析，其控制策略如圖3（b）所示，其中Ibess_ref為電池組的參考電流值，Ibess為電池組的實際電流。電池組電流誤差經(jīng)過限幅后，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后再限幅，然后通過PWM控制生成脈沖信號。

圖3 各端口控制策略Fig.3 Control strategy for each port

3 各端口軟啟動方式及相關控制策略

由于DC/DC變換器投入瞬間會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生暫態(tài)擾動，威脅系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，這對電壓側的輸電質(zhì)量有很大影響。因此，本文采用多電池組MPC-ESS各端口軟啟動方式，并聯(lián)在EPT低壓直流側處，來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

3.1 松弛端口軟啟動

首先對松弛端口啟動過程進行分析。在沒有加啟動電阻的情況下，啟動瞬間開關管S1，S2是閉鎖狀態(tài)，等效電路如圖4所示。

圖4 雙向Buck/Boost變換器等效電路Fig.4 Equivalent circuit of bi-directional Buck/Boost converter

由圖4（a）可得

根據(jù)式（1）可得到Udc的方程，并對其進行拉普拉斯變換得

對式（3）進行反拉普拉斯變換得

式中，iN_max為沖擊電流最大值。由式（5）可知，切合開關閉合瞬間會有沖擊電流iN_max產(chǎn)生，會觸發(fā)保護裝置造成誤啟動。

為了防止系統(tǒng)的誤動作以及減小啟動瞬間對開關管的沖擊，可以借助啟動電阻進行軟啟動，等效電路如圖4（b）所示。加入啟動電阻后對其軟啟動過程進行分析。由圖4（b）可得

對式（6）進行化簡并拉普拉斯變換得

對式（7）的分母進行分析并求出2個實根為

對式（7）進行反拉普拉斯變換得

對式（9）求導可得極點t0=(lnx1-lnx2)/(x1-x2)，將t0、x1、x2代入，取極限x1→0、x2→-RS/Li可得

由式（10）可知，沖擊電流與啟動電阻有關。在無啟動電阻情況下，對濾波電感電流iL進行反常積分可得

將式（8）和式（9）代入（11），考慮到開關管壓降及非線性因素[17]，選取RS=50 Ω，Li=1 000 μH、Cdc=2 000 μF、Ubess=240 V。在MPC-ESS松弛端口的啟動階段，本文通過使用啟動電阻RS，先采用電流閉環(huán)控制，之后再采用電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制的空載軟啟動控制策略，來減小啟動過程中的電壓振蕩。

松弛端口處的電池組軟啟動階段控制流程如圖5所示，其中Udc_ref為EPT低壓直流側電壓參考值。首先，把投切開關SW閉合，保護直流斷路器K處于關斷狀態(tài)，從而可以接入啟動電阻，將該端口電池組投入運行；其次，當直流母線電壓與電池組端口電壓差值接近160 V時，閉合K將啟動電阻斷開，解鎖上下開關管，開始以電流閉環(huán)模式給電容充電；然后再比較電容電壓與EPT低壓直流側的電壓，當兩者相差約為20 V時，將電流閉環(huán)控制模式切換成電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)模式運行；最后并入EPT低壓直流側，參與整個系統(tǒng)的輸出側供電。

圖5 松弛端口軟啟動控制流程Fig.5 Flow chart of soft-starting control at relaxation port

控制模式切換主要是PI控制環(huán)的切換。系統(tǒng)穩(wěn)定運行時占空比突然變化會引起電流單方向的增大，造成系統(tǒng)波動。在進行控制模式切換時，將單電流環(huán)控制輸出的占空比以及PI積分項的值作為電壓及電流雙閉環(huán)控制中電壓環(huán)的輸入，完成控制切換。

3.2 功率端口軟啟動

在松弛端口啟動完成后，需要分析如何保證其他功率端口穩(wěn)定啟動。

設在1個控制周期內(nèi)圖2中上下開關管S1、S2的閉合時間分別為TS1和TS2。圖6（a）為上開關管S1閉合時等效電路；圖6（b）為下開關管S2閉合時等效電路。對于濾波電感Li，其電流變化量為

圖6 不同開關狀態(tài)下雙向Buck/Boost變換器等效電路Fig.6 Equivalent circuit of bi-directional Buck/Boost converter in different switching states

式中，UL為電感Li兩端的電壓。

圖7 不同D條件下啟動時iL變化Fig.7 Changes iniLwhen starting up at different values of D

由式（13）可得初始占空比D為

4 仿真研究

為了驗證軟啟動方式下多電池組MPC-ESS應用在EPT低壓直流側的有效性，在Matlab/Simulink環(huán)境下進行仿真實驗，搭建如圖1所示的仿真模型。在MPC-ESS并入EPT低壓直流側母線時，通過對負載波形進行仿真分析來驗證所提控制策略的有效性。

4.1 仿真參數(shù)

設EPT容量為500 kV·A，額定電壓等級為10 kV/380V，高壓直流母線電壓為15kV，低壓直流母線電壓為400V，高頻變壓器變比為37.5∶1，頻率為1 000 Hz；采用3組相同的蓄電池，單個蓄電池額定電壓為240V，容量為100 A·h；負載容量為500 kV·A。

4.2 軟啟動實驗對比

4.2.1 松弛端口軟啟動對比

在未接啟動電阻且直接啟動的情況下，松弛端口的仿真結果如圖8所示。在t0=0.50 s時投入松弛端口處的電池組，此時瞬間產(chǎn)生幅值為330 A左右的沖擊電流，與式（5）得到的結論一致。由于ESS功率瞬間流入，低壓側直流母線端電壓波動最大幅值為550 V。該沖擊電流會導致ESS的保護裝置誤觸發(fā)，直流母線電壓的波動也會對負載端的供電質(zhì)量產(chǎn)生影響。

圖8 未接啟動電阻直接啟動時松弛端口的仿真結果Fig.8 Simulation results of the relaxation port when strating directly without connecting the starting resistance

圖9為在軟啟動控制下松弛端口處的電池組的仿真結果。可見，投入啟動電阻RS可承擔部分壓降，在啟動瞬間后沖擊電流降低到5 A以下；在t1時閉合保護斷路器將啟動電阻斷開，電流與電壓有輕微振蕩；在t2時啟動上下開關管，功率端口以電流閉環(huán)來緩慢提升Udc；在t3時切換為電壓外環(huán)電流閉環(huán)工作模式，可以看出切換模式時波動不足以影響系統(tǒng)保護裝置誤觸發(fā)。在濾波電容兩端電壓達到EPT低壓側電壓參考值后就可以對松弛端口進行投入。從圖9可以看出，該啟動方法減小了端口投入的啟動電流，也驗證了松弛端口軟啟動方法的可行性。

圖9 松弛端口軟啟動過程Fig.9 Process of soft start of relaxation port

4.2.2 功率端口軟啟動的對比

圖10為當初始占空比D=0.7直接啟動下功率端口的仿真結果。可以看出，t=6.00 s時將功率端口的電池組并入電網(wǎng)，并入瞬間產(chǎn)生幅值為190 A的沖擊電流，同時引起低壓側母線電壓波動為40 V，這種情況直接給電網(wǎng)帶來振蕩，無法正常啟動。當采用式（14）計算得出的初始占空比時，軟啟動下功率端口的波形如圖11所示。可以看出，在t=6.00 s功率端口并入瞬間，iL和Udc都沒有出現(xiàn)大的波動，能穩(wěn)定啟動，驗證了本文方法應用在EPT的有效性。

圖10 直接啟動下功率端口的仿真結果Fig.10 Simulation results under direct start of power port

圖11 軟啟動下功率端口的波形Fig.11 Waveforms under soft start of power port

從圖12可以看出，在未接啟動電阻控制策略情況下，t=0.24 s時將ESS并入EPT低壓直流側瞬間，負載電壓和負載電流有明顯波動。而在使用軟啟動控制策略情況下，將ESS并入EPT低壓直流側瞬間，圖13中負載電壓和負載電流沒有明顯波動，電網(wǎng)可以保持穩(wěn)定運行。在圖12和圖13中，u0為負載電壓；i0為負載電流；ua、ub、uc分別為a相、b相和c相的相電壓；ia、ib、ic分別為a相、b相和c相的相電流。

圖12 ESS直接投入波形Fig.12 Waveforms with direct input of ESS

圖13 ESS軟啟動投入波形Fig.13 Waveforms with input of ESS under soft-starting

4.3 電壓跌落仿真

圖14為未采用ESS情況下電壓跌落仿真結果，其中ui為輸入側端電壓，Udc2為EPT低壓側直流母線電壓。在t=0.15 s時輸入級的電網(wǎng)出現(xiàn)電壓跌落到額定值的40%的現(xiàn)象。從圖14（b）可以看出，EPT直流低壓側電壓快速降低，無法為輸出級的負載提供穩(wěn)定電壓，輸出級的電壓、電流都有較大波動，對負載供電質(zhì)量有較大影響。可見，EPT低壓側在未接ESS的情況下，輸入級的電網(wǎng)出現(xiàn)電壓跌落時，輸出電壓無法保持穩(wěn)定。

圖14 未接ESS情況下電壓跌落仿真結果Fig.14 Simulation results of voltage sag without ESS connection

在EPT低壓直流側加入了采用軟啟動方式的MPC-ESS，仿真結果如圖15所示。可以看出，電網(wǎng)電壓在t=0.15 s時突然跌落，由于有ESS接入，電池組雙向直流變換器工作在升壓模式下，可以維持低壓直流母線電壓穩(wěn)定；在t=0.30 s時輸入側電壓恢復正常，低壓側直流電壓經(jīng)過微小波動在t=0.32 s時恢復正常，EPT輸出級的負載的電壓、電流波形在整個過程中連續(xù)穩(wěn)定，供電不受影響。

圖15 采用軟啟動方式的MPC-ESS的情況下電壓跌落補償Fig.15 Voltage sag compensation in case of MPC-ESS with soft start mode

4.4 單端口與多端口對比

從圖16可以看出，當系統(tǒng)在t=0.15 s出現(xiàn)電壓跌落及在t=0.30 s電壓恢復時，單端口及多端口的ESS都能有效地對EPT低壓側直流母線進行補償，但是在補償效果上兩者有所不同。單端口ESS從t=0.15 s開始對突變進行補償，直流電壓波動的最低點為397.2 V，在t=0.30 s系統(tǒng)電壓恢復正常后，直流電壓波動的最高點為404.9 V；而多端口ESS在t=0.15 s時電壓跌落，直流電壓波動的最低點為399.2 V，在t=0.30 s系統(tǒng)電壓恢復后，直流電壓波動的最高點為401.5 V。對比分析可知，在出現(xiàn)系統(tǒng)電壓跌落及電壓恢復的情況下，多端口對低電壓側突變后的補償超調(diào)更小，即EPT低壓直流母線波形受到的影響更小，以此來體現(xiàn)多端口的優(yōu)越性。

圖16 單端口與多端口對比Fig.16 Comparison between single port and multiple ports

5 結語

本文采用了一種可接入多電池組的MPC-ESS，將該系統(tǒng)各端口的軟啟動方式及相關控制策略應用在EPT低壓直流側，提高了EPT的供電可靠性。在Matlab/Simulink環(huán)境下進行仿真分析，結果驗證了多電池組軟啟動方式的MPC-ESS應用在EPT中的有效性，減小了ESS各端口在投入瞬間的沖擊電流，并且采用多端口可使EPT在電網(wǎng)跌落時能更穩(wěn)定地安全運行。本文方法為EPT-ESS的各端口靈活、穩(wěn)定投切提供了新方案。