大功率储能变流器分析
2022-02-26申欣欣
申欣欣，赵 廉
(西安德纳检验检测有限公司，西安 710000)
0 引 言
随着我国各方面的不断发展和进步，人们对于电量的需求越来越大，这导致传输线路的距离越来越长，为了有效的处理这个问题，强化对于能源的利用率，大功率储能变流器在我国的应用越来越普遍。作为储能系统，大功率储能变流器能够根据现实状况释放或者是储存的量，其实质是可以促进能量在电时与电网间的双向交换。本文主要研究的是可以单独控制多组蓄电池组的储能变流器，可以有效解决传统定直流母线放电电压无法控制等问题。
1 大功率储能变流器的拓扑结构
想要储存电能设置有很高的难度系数，对于以往在进行电力生产的过程中，发电、输电和用电等基本上都是在同一个时间下实施的，采取调度的措施可以在很大程度上确保电能供应的平衡性。但是随着时代的不断发展，微电网的发展越来越繁荣，在这种情况下，新能源发电的输出功率需要符合微电网本身的标准和需求，对于储能系统来说，其调峰作用的关键性和意义越来越突出。
对于单级型的储能变流器来说，其拓扑结构的能量不可以任意改变，而且储能系统输出的电压也缺乏稳定性，均流特性方面有待提升。本文的储能变流器可以作为光蓄互补系统中的。组成部分，同时还可以单独对多组电池进行控制。与只包含一个DC/AC环节的单级型拓扑结构比较来说，多级的拓扑型结构多了一个DC/DC环节。
对于多级型的储能变流器来说，可以把蓄电池组产生的直流电能通过DC/DC的变换器增大电压，然后提供给pwm变流器，通过逆变之后再流入电网。采用这种方式可以扩大蓄电池组的工作电压范围。下面是多级型储能变流器的拓扑结构(如图1所示)。
图1 多级型储能变流器的拓扑结构
这个拓扑结构具有以下的优势：首先，可以接入很多组电池，在不同的电池组之间，能够使用单独的DC/DC环节进行掌控，从而使得多组电池组充放电方面互不影响，而且可以独立地对其充放电情况进行控制。其次，可以增大电池组电压工作的区间。其次，对于电池组间出现的环流情况，可以有效的防止。最后，提高电池组投切的灵活性，使得电池储能系统容量可以根据需求合理配置，这样给运行以及管理提供了便利。
在平时的生活以及生产过程中，需要确保可以24小时供电，不然的话就会给生活带来影响，甚至给人们的财产和生命带来威胁。对于大功率的储能变流器来说，其可以实现电池储能的作用，这样就可以提供应急电源。对于一般的UPS来说，在功率比较大的场所是不适用的，因此使用大功率储能变流器，能够给关键的负载提供电能，在突发状况下可以保障工程或者是用电设备的顺利运行，从而确保供电的稳定性和可靠性。
2 控制大功率储能变流器的有关措施
对于大功率储能变流器来说，包含对DC/DC变换器环节的控制以及并网变流器的控制，现阶段，并网变流器的控制技术发展的越来越成熟，下面主要探究的是对DC/DC变换器环节的控制技术。
在以往恒流控制的情况下，DC/DC变换器可以根据要求来进行充放电，然而其中间直流电压是通过并网变流器来维持稳定性的，在离网的情况下并网变流器没有办法发挥其作用，所以在离网的情况下没有办法使用该项技术来维持充放电电流的稳定性，通过使用下垂控制的方式，可以有效的解决这个问题。
下垂控制的原理是按照设计的下垂曲线来确定在电压不同的情况下，DC/DC变换器的输出功率。其中含有两种模式，一种是下垂放电模式，另外一种是下垂充电模式。在知道电池电压的条件下，可以对DC/DC变换器的输出功率进行确定，这样就可以对输出的电流的指令值进行确定。
在采用下垂控制措施的时候，首先需要设计好下垂曲线，在电压不一样的情况下，根据所得到的不同电流指令，可以发现电流指令会随着电压的波动而不断出现变化，最后会实现一个动态性的平衡。在这个过程中，系统的功率也是属于平衡状态，电压值也是稳定的，同时电压值也是在电压允许区间内的某一个电压值，如图2所示。
图2 下垂曲线示意图
2.1 下垂放电的模式(曲线A)
在Udc小于或者等于U1的情况下，根据电流基准值IA处于放电状态。当Udc处于U1与U3的范围之间时，需要根据Udc的不同变化情况，根据直线A科学合理地对放电电流进行调整。当Udc处于U3和U4之间时，没有放电的电流，这个时候处于停止放电的状态。在Udc大于或者等于U4的情况下，自动的调整到下垂充电的状态，在这个时候是根据基准电流值IB来充电的。
2.2 下垂充电的模式(曲线B)
在Udc大于或者等于U4的情况下，在这个时候是根据基准电流值IB来充电的。当Udc处于U2与U4的范围之间时，需要根据Udc的不同变化情况，根据直线B科学合理地对放电电流进行调整。当Udc处于U1和U2之间时，没有充电的电流，这个时候处于停止充电的状态。在Udc小于或者等于U1的情况下，自动的调整到下垂放电的状态，在这个时候是根据电流基准值IA来放电的。
通过分析可以知道，在处于放电状态的时候，电压的范围是从U3到U4，在处于充电状态的时候，电压的范围是从U1到U2，具有电压死区的作用。在现实的使用过程中，下垂控制存在很多的优势，其不但可以在并网的状态下运行，同时在离网的情况下也可以运行，不仅如此，其还可以按照电池组的SOC状态科学合理的对各支路的功率进行分配，这样能够使得各支路的输出功率以及输入功率得到有效的掌控，从而也可以更好的控制充电电流和放电电流。
3 大功率储能变流器的实验
在直流源输出电压为650伏的情况下，并网变流器是在双闭环的模式下工作的，这个时候可以对DC/DC通道的充电电流和放电电流的数值进行测量，从而可以通过测量结果来判断有没有做到下垂控制。
通过对Udc进行调节，把Udc的大小从760 V慢慢的增加到860 V，之后再慢慢的减小，对于DC/DC通道来说，在上垂放电模式工作的过程中，其放电基准电流是10 A，而在下垂放电模式工作的过程中，其充电基准电流是5 A。设放电的方向是正方向，表1是其在充电和放电过程中电感电流的平均值。
表1 不同Udc下充/放电电流
通过上面这个表，可以将其绘成图3。从图3所绘制的曲线来说，曲线1是Udc从760 V增加到860 V所得到的曲线，而曲线2是Udc从860 V减小到760 V之后所得到的曲线。从所得到的曲线的情况来看，大体上实现了下垂控制的效果。
图3 下垂时控制的电流
4 结束语
对于大功率储能变流器来说，其具有双向交换能量的作用，由于它本身具有的多种优势，在我国微电网中得到了很普及的运用，与此同时，在大功率储能变流器完成下垂控制的情况下，其充电电流以及放电电流可以准确的对指定电流进行跟踪，而且具有很高的工作效率，从目前的情况来看，具有双向储能作用的大功率变流器已经成为了光蓄互补发电系统的关键组成部分。
