王 強(qiáng)，郭 偉，楊 策

（三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)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(zhuǎn)換的功能，其多端口功能可以方便接入各種分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備和負(fù)載。同時(shí)，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(duì)高質(zhì)量電能的需求[1-2]。與傳統(tǒng)變壓器相比，EPT無法應(yīng)對(duì)電壓跌落或者中斷的狀況，該動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問題會(huì)嚴(yán)重影響用電設(shè)備安全和穩(wěn)定運(yùn)行，該問題可以通過加入儲(chǔ)能系統(tǒng)ESS（energy storage system）來解決[3]。

傳統(tǒng)的電池ESS是由1個(gè)雙向變流器和控制單元構(gòu)成，不能靈活控制能量供應(yīng)。已有學(xué)者對(duì)系統(tǒng)拓?fù)浼皟?chǔ)能優(yōu)化展開研究。在PET與ESS基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[4]提出了可以解決端口間功率解耦問題的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是在功率合理分配的靈活控制方面上還存在不足。文獻(xiàn)[5]提出了有源橋三端口變換器，實(shí)現(xiàn)橋臂開關(guān)的復(fù)用，提高功率密度，但儲(chǔ)能單元只位于輸出級(jí)，隔離變換器存在無功損耗，使儲(chǔ)能單元效率降低，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢，只適用于低功率場合，靈活性較差。文獻(xiàn)[6-7]針對(duì)ESS應(yīng)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(duì)ESS并網(wǎng)的能量進(jìn)行調(diào)度和管理，提高了EPT供電可靠性。文獻(xiàn)[8]利用主從控制實(shí)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(xiàn)[9]提出了多重化DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以提高電池組的端電壓，從而進(jìn)一步增大ESS并網(wǎng)容量，可以通過并聯(lián)提升每個(gè)開關(guān)管承受的壓降及最大電流，但是在串并聯(lián)多個(gè)電池組時(shí)，端口之間的能量控制比較復(fù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電池組[10]，這種結(jié)構(gòu)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(duì)負(fù)荷或者電網(wǎng)之間的功率轉(zhuǎn)換[11]，變換器在直流母線電壓側(cè)的啟動(dòng)方面上研究不多。文獻(xiàn)[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(xiàn)[10]電壓環(huán)反饋的基礎(chǔ)上增設(shè)電流反饋內(nèi)環(huán)，利用電流內(nèi)環(huán)快速、及時(shí)的抗擾性來有效抑制負(fù)載擾動(dòng)的影響，由于電流內(nèi)環(huán)對(duì)系統(tǒng)特性的改造，系統(tǒng)穩(wěn)定性得到加強(qiáng)，本文對(duì)文獻(xiàn)[10]中軟啟動(dòng)控制策略進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)將MPC-ESS軟啟動(dòng)控制策略應(yīng)用在EPT低壓直流側(cè)，分析該ESS在并入EPT低壓直流側(cè)時(shí)對(duì)電網(wǎng)瞬間的影響，利用各端口的軟啟動(dòng)方式及相關(guān)控制策略，使各端口穩(wěn)定、靈活切入電網(wǎng)。經(jīng)過仿真，驗(yàn)證了多電池組MPC-ESS軟啟動(dòng)方式下在EPT低壓直流側(cè)應(yīng)用的有效性，為EPT更穩(wěn)定地向負(fù)載供電提供了新方案。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 EPT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1為帶有ESS的一種典型的AC/DC/AC型3階EPT結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主要部分為EPT和ESS。輸入級(jí)、隔離級(jí)及輸出級(jí)是EPT結(jié)構(gòu)的主要部分。其中，輸入級(jí)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(jìn)而給隔離級(jí)供電；隔離級(jí)的原邊由與輸入級(jí)聯(lián)接的全橋逆變器和1個(gè)單繞組組成，副邊由3個(gè)繞組的高頻變壓器和3個(gè)H型單相全橋整流器組成，主要是充當(dāng)電壓等級(jí)變換和隔離的作用[12]；輸出級(jí)是由3個(gè)單相電壓源逆變器組成，輸出端為YN型，能滿足負(fù)載的不平衡及大功率負(fù)載的需求[13]。已有學(xué)者對(duì)10 kV/400 V、500 kV·A的EPT進(jìn)行研究，用獨(dú)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(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of EPT with ESS

ESS采用含多電池組的MPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(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(cè)，通過EPT輸出級(jí)的逆變器向負(fù)載進(jìn)行供電。ESS采用直流側(cè)連接方式，不存在電壓同步問題，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單[15]。

1.2 電池組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2為MPC-ESS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是由多組電池組和多個(gè)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(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of MPC system with multiple battery packs

圖2中，SW(n)為切合開關(guān)，對(duì)要啟動(dòng)的電池組進(jìn)行投切；K(n)為保護(hù)直流斷路器；RS(n)為啟動(dòng)電阻，作用是在端口啟動(dòng)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(cè)，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(cè)直流母線電壓。當(dāng)原邊電源側(cè)電壓出現(xiàn)波動(dòng)或者中斷時(shí)，ESS可以通過DC/DC變換器進(jìn)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(shí)現(xiàn)靈活控制是一個(gè)研究方向，有學(xué)者采用狀態(tài)估計(jì)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(gè)端口由電池組和1個(gè)雙向DC/DC變換器組成，每個(gè)端口的投入對(duì)系統(tǒng)都有暫態(tài)擾動(dòng)。端口可分成1個(gè)松弛端口和多個(gè)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(jìn)行電流閉環(huán)控制，然后進(jìn)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(cè)之間實(shí)時(shí)進(jìn)行能量傳遞，本文采用互補(bǔ)的脈沖寬度調(diào)制PWM（pulse width modulation）控制方式。對(duì)松弛端口的控制策略進(jìn)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(cè)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(hào)從而控制上下開關(guān)管導(dǎo)通狀況。對(duì)功率端口的控制策略進(jìn)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(shí)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(hào)。

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

3 各端口軟啟動(dòng)方式及相關(guān)控制策略

由于DC/DC變換器投入瞬間會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生暫態(tài)擾動(dòng)，威脅系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，這對(duì)電壓側(cè)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(dòng)方式，并聯(lián)在EPT低壓直流側(cè)處，來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1 松弛端口軟啟動(dòng)

首先對(duì)松弛端口啟動(dòng)過程進(jìn)行分析。在沒有加啟動(dòng)電阻的情況下，啟動(dòng)瞬間開關(guān)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(duì)其進(jìn)行拉普拉斯變換得

對(duì)式（3）進(jìn)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(guān)閉合瞬間會(huì)有沖擊電流iN_max產(chǎn)生，會(huì)觸發(fā)保護(hù)裝置造成誤啟動(dòng)。

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

對(duì)式（6）進(jìn)行化簡并拉普拉斯變換得

對(duì)式（7）的分母進(jìn)行分析并求出2個(gè)實(shí)根為

對(duì)式（7）進(jìn)行反拉普拉斯變換得

對(duì)式（9）求導(dǎo)可得極點(diǎn)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(dòng)電阻有關(guān)。在無啟動(dòng)電阻情況下，對(duì)濾波電感電流iL進(jìn)行反常積分可得

將式（8）和式（9）代入（11），考慮到開關(guān)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(dòng)階段，本文通過使用啟動(dòng)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(dòng)控制策略，來減小啟動(dòng)過程中的電壓振蕩。

松弛端口處的電池組軟啟動(dòng)階段控制流程如圖5所示，其中Udc_ref為EPT低壓直流側(cè)電壓參考值。首先，把投切開關(guān)SW閉合，保護(hù)直流斷路器K處于關(guān)斷狀態(tài)，從而可以接入啟動(dòng)電阻，將該端口電池組投入運(yùn)行；其次，當(dāng)直流母線電壓與電池組端口電壓差值接近160 V時(shí)，閉合K將啟動(dòng)電阻斷開，解鎖上下開關(guān)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(cè)的電壓，當(dāng)兩者相差約為20 V時(shí)，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(yùn)行；最后并入EPT低壓直流側(cè)，參與整個(gè)系統(tǒng)的輸出側(cè)供電。

圖5 松弛端口軟啟動(dòng)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(yùn)行時(shí)占空比突然變化會(huì)引起電流單方向的增大，造成系統(tǒng)波動(dòng)。在進(jìn)行控制模式切換時(shí)，將單電流環(huán)控制輸出的占空比以及PI積分項(xiàng)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(dòng)

在松弛端口啟動(dòng)完成后，需要分析如何保證其他功率端口穩(wěn)定啟動(dòng)。

設(shè)在1個(gè)控制周期內(nèi)圖2中上下開關(guān)管S1、S2的閉合時(shí)間分別為TS1和TS2。圖6（a）為上開關(guān)管S1閉合時(shí)等效電路；圖6（b）為下開關(guān)管S2閉合時(shí)等效電路。對(duì)于濾波電感Li，其電流變化量為

圖6 不同開關(guān)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(dòng)時(shí)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(yàn)證軟啟動(dòng)方式下多電池組MPC-ESS應(yīng)用在EPT低壓直流側(cè)的有效性，在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，搭建如圖1所示的仿真模型。在MPC-ESS并入EPT低壓直流側(cè)母線時(shí)，通過對(duì)負(fù)載波形進(jìn)行仿真分析來驗(yàn)證所提控制策略的有效性。

4.1 仿真參數(shù)

設(shè)EPT容量為500 kV·A，額定電壓等級(jí)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(gè)蓄電池額定電壓為240V，容量為100 A·h；負(fù)載容量為500 kV·A。

4.2 軟啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比

4.2.1 松弛端口軟啟動(dòng)對(duì)比

在未接啟動(dòng)電阻且直接啟動(dòng)的情況下，松弛端口的仿真結(jié)果如圖8所示。在t0=0.50 s時(shí)投入松弛端口處的電池組，此時(shí)瞬間產(chǎn)生幅值為330 A左右的沖擊電流，與式（5）得到的結(jié)論一致。由于ESS功率瞬間流入，低壓側(cè)直流母線端電壓波動(dòng)最大幅值為550 V。該沖擊電流會(huì)導(dǎo)致ESS的保護(hù)裝置誤觸發(fā)，直流母線電壓的波動(dòng)也會(huì)對(duì)負(fù)載端的供電質(zhì)量產(chǎn)生影響。

圖8 未接啟動(dòng)電阻直接啟動(dòng)時(shí)松弛端口的仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of the relaxation port when strating directly without connecting the starting resistance

圖9為在軟啟動(dòng)控制下松弛端口處的電池組的仿真結(jié)果?？梢姡度雴?dòng)電阻RS可承擔(dān)部分壓降，在啟動(dòng)瞬間后沖擊電流降低到5 A以下；在t1時(shí)閉合保護(hù)斷路器將啟動(dòng)電阻斷開，電流與電壓有輕微振蕩；在t2時(shí)啟動(dòng)上下開關(guān)管，功率端口以電流閉環(huán)來緩慢提升Udc；在t3時(shí)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(shí)波動(dòng)不足以影響系統(tǒng)保護(hù)裝置誤觸發(fā)。在濾波電容兩端電壓達(dá)到EPT低壓側(cè)電壓參考值后就可以對(duì)松弛端口進(jìn)行投入。從圖9可以看出，該啟動(dòng)方法減小了端口投入的啟動(dòng)電流，也驗(yàn)證了松弛端口軟啟動(dòng)方法的可行性。

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

4.2.2 功率端口軟啟動(dòng)的對(duì)比

圖10為當(dāng)初始占空比D=0.7直接啟動(dòng)下功率端口的仿真結(jié)果?？梢钥闯?，t=6.00 s時(shí)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(shí)引起低壓側(cè)母線電壓波動(dòng)為40 V，這種情況直接給電網(wǎng)帶來振蕩，無法正常啟動(dòng)。當(dāng)采用式（14）計(jì)算得出的初始占空比時(shí)，軟啟動(dòng)下功率端口的波形如圖11所示?？梢钥闯觯趖=6.00 s功率端口并入瞬間，iL和Udc都沒有出現(xiàn)大的波動(dòng)，能穩(wěn)定啟動(dòng)，驗(yàn)證了本文方法應(yīng)用在EPT的有效性。

圖10 直接啟動(dòng)下功率端口的仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results under direct start of power port

圖11 軟啟動(dòng)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(dòng)電阻控制策略情況下，t=0.24 s時(shí)將ESS并入EPT低壓直流側(cè)瞬間，負(fù)載電壓和負(fù)載電流有明顯波動(dòng)。而在使用軟啟動(dòng)控制策略情況下，將ESS并入EPT低壓直流側(cè)瞬間，圖13中負(fù)載電壓和負(fù)載電流沒有明顯波動(dòng)，電網(wǎng)可以保持穩(wěn)定運(yùn)行。在圖12和圖13中，u0為負(fù)載電壓；i0為負(fù)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(dòng)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(jié)果，其中ui為輸入側(cè)端電壓，Udc2為EPT低壓側(cè)直流母線電壓。在t=0.15 s時(shí)輸入級(jí)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(cè)電壓快速降低，無法為輸出級(jí)的負(fù)載提供穩(wěn)定電壓，輸出級(jí)的電壓、電流都有較大波動(dòng)，對(duì)負(fù)載供電質(zhì)量有較大影響?？梢?，EPT低壓側(cè)在未接ESS的情況下，輸入級(jí)的電網(wǎng)出現(xiàn)電壓跌落時(shí)，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(jié)果Fig.14 Simulation results of voltage sag without ESS connection

在EPT低壓直流側(cè)加入了采用軟啟動(dòng)方式的MPC-ESS，仿真結(jié)果如圖15所示?？梢钥闯?，電網(wǎng)電壓在t=0.15 s時(shí)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(shí)輸入側(cè)電壓恢復(fù)正常，低壓側(cè)直流電壓經(jīng)過微小波動(dòng)在t=0.32 s時(shí)恢復(fù)正常，EPT輸出級(jí)的負(fù)載的電壓、電流波形在整個(gè)過程中連續(xù)穩(wěn)定，供電不受影響。

圖15 采用軟啟動(dòng)方式的MPC-ESS的情況下電壓跌落補(bǔ)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(duì)比

從圖16可以看出，當(dāng)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(fù)時(shí)，單端口及多端口的ESS都能有效地對(duì)EPT低壓側(cè)直流母線進(jìn)行補(bǔ)償，但是在補(bǔ)償效果上兩者有所不同。單端口ESS從t=0.15 s開始對(duì)突變進(jìn)行補(bǔ)償，直流電壓波動(dòng)的最低點(diǎn)為397.2 V，在t=0.30 s系統(tǒng)電壓恢復(fù)正常后，直流電壓波動(dòng)的最高點(diǎn)為404.9 V；而多端口ESS在t=0.15 s時(shí)電壓跌落，直流電壓波動(dòng)的最低點(diǎn)為399.2 V，在t=0.30 s系統(tǒng)電壓恢復(fù)后，直流電壓波動(dòng)的最高點(diǎn)為401.5 V。對(duì)比分析可知，在出現(xiàn)系統(tǒng)電壓跌落及電壓恢復(fù)的情況下，多端口對(duì)低電壓側(cè)突變后的補(bǔ)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(duì)比Fig.16 Comparison between single port and multiple ports

5 結(jié)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(dòng)方式及相關(guān)控制策略應(yīng)用在EPT低壓直流側(cè)，提高了EPT的供電可靠性。在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真分析，結(jié)果驗(yàn)證了多電池組軟啟動(dòng)方式的MPC-ESS應(yīng)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(shí)能更穩(wěn)定地安全運(yùn)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。