摘要:由于電子電力變壓器(EPT)在出現電網電壓跌落或者中斷時不能正常運行，但單個DC/DC端口的儲能系統投入瞬間會對系統產生擾動影響供電質量。將采用一種多電池組的多端口DC/DC變換器(MPC)的軟啟動控制方式應用在EPT中，對各端口的啟動控制方法進行詳細分析，使儲能系統在投切的同時減小沖擊電流，并在電網電壓發生電壓跌落或者中斷時，儲能系統能夠平穩提供功率來保持EPT低壓直流側電壓的穩定。通過在Matlab/Simulink環境下仿真，結果驗證了軟啟動方式下多電池組MPC儲能系統應用在EPT輸出側的有效性，保證用電設備的安穩、穩定運行。

　　關鍵詞：電子電力變壓器;儲能系統;電壓跌落;軟啟動

　　電子電力變壓器EPT(electronicpowertransformer，EPT)作為一種新型智能變壓器，除了具備傳統變壓器的變壓、隔離和控制的功能外，還具有電能轉換的功能，其多端口的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具備電能質量調節能力，能夠改善電壓閃變、諧波和電壓三相不平衡等電能質量問題，滿足用戶對高質量電能的需求[1-2]。與傳統變壓器相比，EPT無法應對電壓跌落或者中斷的狀況，由于不具備儲能單元，這是影響用電設備安全、穩定運行的最嚴重的動態電能質量問題，所以可以加入儲能系統來解決[3]。傳統的電池儲能系統(energystoragesystem，ESS)是由一個雙向變流器和控制單元構成，儲能系統不能靈活控制能量供應。

　　已有學者從系統的拓撲以及儲能的優化展開研究。在電力電子變壓器與儲能系統基礎上，文獻[4]提出了可以解決端口間功率解耦問題拓撲結構，但是在功率合理分配的靈活控制方面上還不足。文獻[5]提出有源橋三端口變換器，實現橋臂開關的復用，提高功率密度，但儲能單元只位于輸出側，隔離變換器存在無功損耗，使儲能單元效率降低，系統的動態響應速度較慢，只適用于低功率場合，靈活性較差。文獻[6-7]針對于儲能系統應用在電力電子變壓器上已有一些成果，方便于蓄電池能量的調度和管理。文獻[8]利用主從控制實現了短路電流限流，解決了由于直流輸電線路低阻抗帶來的短路電流的危害。

　　文獻[9]中提出了多重化DC/DC變換器的拓撲結構，該結構可以提高電池組的端電壓，從而進一步增大儲能系統并網容量，可以通過并聯使每個開關管承受的壓降以及最大電流得以提升。但是在串并聯多個電池組時，端口之間的能量控制比較復雜，也容易引起電路之間環流隱患。本文采用的是含多端口DC/DC變換器(multi-portDC/DCconverters，MPC)儲能系統拓撲結構的電池組[10]，這種結構方便電池組之間的并聯接入，能夠靈活控制電池組的充放電。一般對多電池組MPC儲能系統的研究是針對負荷或者電網之間的功率轉換上[11]，對變換器在直流母線電壓側的啟動方向上研究不多。

　　文獻[10]在松弛端口處采用電壓閉環控制的方法來穩定直流母線電壓，該文在原來電壓環反饋的基礎上增設電流反饋內環，利用電流內環快速、及時的抗擾性來有效的抑制負載擾動影響，同時由于電流內環對系統特性的改造，系統穩定性得到加強，對其軟啟動控制策略進行優化。同時將MPC儲能系統軟啟動控制策略應用在EPT低壓直流側，分析該儲能系統在并入EPT低壓直流側時對電網瞬間的影響，利用各端口的軟啟動方式以及相關控制策略，使各端口穩定、靈活切入電網。經過仿真，驗證了多電池組MPC儲能系統軟啟動方式下在EPT低壓直流側應用的有效性，為EPT更穩定的為負載供電提供了方案。

　　1系統結構及工作原理

　　1.1EPT拓撲結構

　　該結構的兩個主要部分為EPT和儲能系統。輸入級、隔離級以及輸出級是EPT結構的主要部分。輸入級主要是三相高頻電壓型整流器，作用是將電源交流電壓整流為直流電壓給隔離級供電;中間的隔離級的原方由與輸入級聯接的全橋逆變器和1個原方單繞組組成，副方由3繞組的高頻變壓器和3個H型單相全橋逆變器組成，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，三相四線制接型能滿足負載的不平衡以及大功率負載的需求[13]。已有學者對10kV/400V、500kVA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]。

　　儲能系統將采用含多電池組的多端口DC/DC變換器拓撲結構，這種結構能夠實現多組電池的并聯接入和靈活控制的充放電，該系統通過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。儲能系統采用直流側連接方式，不存在電壓同步問題，系統結構簡單[15]。

　　1.2電池組拓撲結構

　　MPC儲能系統并聯在EPT低壓直流側，濾波電容起穩定電壓的作用，并在一起的連接點電壓為低壓側直流母線電壓，當原方電源側電壓出現波動或者中斷時，儲能系統可以通過DC/DC變換器進行功率的輸出或者吸收，從而保證母線電壓的穩定性。多端口之間能量的靈活控制是個問題，有人采用狀態估計的方法，來滿足系統靈活調控的需求[16]。

　　2各端口控制方法

　　儲能系統中每個電池組和一個雙向DC/DC變換器組合，每個端口的投入對系統都有暫態擾動。可以將端口分成一個松弛端口和多個功率端口。松弛端口是為了穩定直流母線電壓調節系統的能量不平衡，它的控制方式是電壓外環電流內環的雙閉環控制。

　　功率端口可以通過電流參數來控制吸收和釋放恒定的功率，它的控制方式是電流閉環控制。在MPC儲能系統中，電池組和輸電側之間實時進行能量傳遞，將采用互補的PWM控制方式。對松弛端口的控制策略進行分析，低壓直流側電壓，dc為濾波電容兩端電壓，為流過濾波電感電流。

　　電壓誤差經過PI(proportionalintegral，PI)調節后，其值與電感電流比較產生電流誤差后，再經過PI調節，最后經過限幅和PWM發生器產生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，bess_ref為參考電流值，bess為電池組的實際電流，電流誤差經過限幅在經過PI調節后再限幅，然后通過PWM發生器生成脈沖信號。

　　3各個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產生巨大的擾動，這對電壓側的輸電質量有很大影響。所以本文將采用多電池組MPC儲能系統各端口軟啟動方式，并聯在EPT低壓直流側處，來提高系統的穩定運行。

　　4仿真研究

　　為了驗證軟啟動方式下多電池組MPC儲能系統應用在EPT低壓直流側的有效性，在Matlab/Simulink環境下仿真實驗，搭建相應的仿真模型。在MPC儲能系統并入EPT低壓直流側母線時，通過對負載波形的分析，來證實仿真的有效性。

　　4.1仿真參數

　　EPT容量500kV⋅A、額定電壓等級10kV/380V、高壓直流母線電壓15kV、低壓直流母線電壓400V、高頻變壓器變比37.5，頻率1000Hz。3組相同蓄電池，單個蓄電池額定電壓240V、容量100A⋅h。負載容量500kV⋅A。

　　4.2軟啟動實驗對比

　　(1)松弛端口軟啟動對比在沒有接啟動電阻，直接啟動的情況下的仿真結果，其中為儲能電感電流，dc是儲能系統端口電壓。在0.5s0=時將松弛端口處的電池組投入，則瞬間產生一個330A左右的沖擊電流，即與式(5)得到的結論一致，由于儲能系統功率瞬間流入，低壓側直流母線端波動最大幅值為550V。該沖擊電流將會導致儲能系統的保護裝置進行誤操作，直流母線電壓的波動也會對負載端的供電質量產生影響。

　　啟動電阻S投入承擔部分壓降后，在啟動瞬間后的沖擊電流降低到5A往下;在1時接入保護斷路器將啟動電阻斷開，電流與電壓有輕微振蕩;在2時啟動上下開關管以電流閉環模式工作來緩慢提升電壓dc;在3時切換為電壓外環電流閉環工作模式，看出切換模式時的波動不足以影響系統保護裝置的誤操作。在電壓達到EPT低壓側電壓參考值后就可以投入。從中觀察得出，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。

　　當系統在0.15s出現電壓跌落以及在0.3s電壓恢復時，單端口以及多端口的儲能系統都能有效的對EPT低壓側母線進行補償，但是在補償程度上有所不同。單端口儲能系統在0.15s開始對突變進行補償，波形在最低點電壓為397.2V處回升，在0.3s系統電壓恢復正常后，波動的最高點電壓在404.9V處;而多端口儲能系統在0.15s跌落時，波形回升的最低電壓為399.2V，在0.3s系統電壓恢復后，電壓波形的最高點在401.5V處。通過對比可以分析，在出現系統電壓跌落以及電壓恢復的情況下，多端口對低電壓側突變后的超調要小，也就是EPT低壓直流母線波形受到的影響更小，以此來體現了多端口的優越性。

　　5結語

　　本文采用了一種可接入多電池組的MPC儲能系統，利用該系統各端口的軟啟動方式及相關策略，并將其應用在EPT低壓直流側，提高了EPT的供電可靠性。在Matlab/Simulink環境下仿真，結果驗證了多電池組軟啟動方式的MPC儲能系統應用在EPT中的有效性，使儲能系統各端口在投入瞬間時減小了沖擊電流，為EPT儲能系統的各端口靈活、穩定投切提供了方案，也對比了單端口與多端口之間的差異，從而體現了多端口的優越性，同時讓EPT在面對電網跌落的狀況時也能更穩定地安全運行。

　　電池組在投入EPT低壓直流母線后，各端口電池組給負載提供功率，分配各個功率端口能量的輸出也會影響整個系統效率的傳遞，接下來希望利用超級電容的功率密度大、壽命長的特點，彌補蓄電池頻繁進行大功率充電而影響循環使用壽命的缺點。將采用混合儲能系統結構來分析各個端口能量的控制，更好的均衡提供功率。

　　參考文獻

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　　作者：王強，郭偉，楊策