基于EPT的储能系统软启动控制策略

　　摘要:由于电子电力变压器(EPT)在出现电网电压跌落或者中断时不能正常运行，但单个DC/DC端口的储能系统投入瞬间会对系统产生扰动影响供电质量。将采用一种多电池组的多端口DC/DC变换器(MPC)的软启动控制方式应用在EPT中，对各端口的启动控制方法进行详细分析，使储能系统在投切的同时减小冲击电流，并在电网电压发生电压跌落或者中断时，储能系统能够平稳提供功率来保持EPT低压直流侧电压的稳定。通过在Matlab/Simulink环境下仿真，结果验证了软启动方式下多电池组MPC储能系统应用在EPT输出侧的有效性，保证用电设备的安稳、稳定运行。

　　关键词：电子电力变压器;储能系统;电压跌落;软启动

　　电子电力变压器EPT(electronicpowertransformer，EPT)作为一种新型智能变压器，除了具备传统变压器的变压、隔离和控制的功能外，还具有电能转换的功能，其多端口的功能可以方便接入各种分布式电源、储能设备和负载。

　　同时，EPT具备电能质量调节能力，能够改善电压闪变、谐波和电压三相不平衡等电能质量问题，满足用户对高质量电能的需求[1-2]。与传统变压器相比，EPT无法应对电压跌落或者中断的状况，由于不具备储能单元，这是影响用电设备安全、稳定运行的最严重的动态电能质量问题，所以可以加入储能系统来解决[3]。传统的电池储能系统(energystoragesystem，ESS)是由一个双向变流器和控制单元构成，储能系统不能灵活控制能量供应。

　　已有学者从系统的拓扑以及储能的优化展开研究。在电力电子变压器与储能系统基础上，文献[4]提出了可以解决端口间功率解耦问题拓扑结构，但是在功率合理分配的灵活控制方面上还不足。文献[5]提出有源桥三端口变换器，实现桥臂开关的复用，提高功率密度，但储能单元只位于输出侧，隔离变换器存在无功损耗，使储能单元效率降低，系统的动态响应速度较慢，只适用于低功率场合，灵活性较差。文献[6-7]针对于储能系统应用在电力电子变压器上已有一些成果，方便于蓄电池能量的调度和管理。文献[8]利用主从控制实现了短路电流限流，解决了由于直流输电线路低阻抗带来的短路电流的危害。

　　文献[9]中提出了多重化DC/DC变换器的拓扑结构，该结构可以提高电池组的端电压，从而进一步增大储能系统并网容量，可以通过并联使每个开关管承受的压降以及最大电流得以提升。但是在串并联多个电池组时，端口之间的能量控制比较复杂，也容易引起电路之间环流隐患。本文采用的是含多端口DC/DC变换器(multi-portDC/DCconverters，MPC)储能系统拓扑结构的电池组[10]，这种结构方便电池组之间的并联接入，能够灵活控制电池组的充放电。一般对多电池组MPC储能系统的研究是针对负荷或者电网之间的功率转换上[11]，对变换器在直流母线电压侧的启动方向上研究不多。

　　文献[10]在松弛端口处采用电压闭环控制的方法来稳定直流母线电压，该文在原来电压环反馈的基础上增设电流反馈内环，利用电流内环快速、及时的抗扰性来有效的抑制负载扰动影响，同时由于电流内环对系统特性的改造，系统稳定性得到加强，对其软启动控制策略进行优化。同时将MPC储能系统软启动控制策略应用在EPT低压直流侧，分析该储能系统在并入EPT低压直流侧时对电网瞬间的影响，利用各端口的软启动方式以及相关控制策略，使各端口稳定、灵活切入电网。经过仿真，验证了多电池组MPC储能系统软启动方式下在EPT低压直流侧应用的有效性，为EPT更稳定的为负载供电提供了方案。

　　1系统结构及工作原理

　　1.1EPT拓扑结构

　　该结构的两个主要部分为EPT和储能系统。输入级、隔离级以及输出级是EPT结构的主要部分。输入级主要是三相高频电压型整流器，作用是将电源交流电压整流为直流电压给隔离级供电;中间的隔离级的原方由与输入级联接的全桥逆变器和1个原方单绕组组成，副方由3绕组的高频变压器和3个H型单相全桥逆变器组成，主要是充当电压等级变换和隔离的作用[12];输出级是由3个单相电压源逆变器组成，输出端为YN型，三相四线制接型能满足负载的不平衡以及大功率负载的需求[13]。已有学者对10kV/400V、500kVA的EPT进行研究，用独立直流电压平衡控制器来保持直流电压的平衡[14]。

　　储能系统将采用含多电池组的多端口DC/DC变换器拓扑结构，这种结构能够实现多组电池的并联接入和灵活控制的充放电，该系统通过DC/DC变换器连接到EPT的低压直流侧，通过EPT输出级的逆变器向负载进行供电。储能系统采用直流侧连接方式，不存在电压同步问题，系统结构简单[15]。

　　1.2电池组拓扑结构

　　MPC储能系统并联在EPT低压直流侧，滤波电容起稳定电压的作用，并在一起的连接点电压为低压侧直流母线电压，当原方电源侧电压出现波动或者中断时，储能系统可以通过DC/DC变换器进行功率的输出或者吸收，从而保证母线电压的稳定性。多端口之间能量的灵活控制是个问题，有人采用状态估计的方法，来满足系统灵活调控的需求[16]。

　　2各端口控制方法

　　储能系统中每个电池组和一个双向DC/DC变换器组合，每个端口的投入对系统都有暂态扰动。可以将端口分成一个松弛端口和多个功率端口。松弛端口是为了稳定直流母线电压调节系统的能量不平衡，它的控制方式是电压外环电流内环的双闭环控制。

　　功率端口可以通过电流参数来控制吸收和释放恒定的功率，它的控制方式是电流闭环控制。在MPC储能系统中，电池组和输电侧之间实时进行能量传递，将采用互补的PWM控制方式。对松弛端口的控制策略进行分析，低压直流侧电压，dc为滤波电容两端电压，为流过滤波电感电流。

　　电压误差经过PI(proportionalintegral，PI)调节后，其值与电感电流比较产生电流误差后，再经过PI调节，最后经过限幅和PWM发生器产生信号从而控制上下开关管导通状况;对功率端口的控制策略进行分析，bess_ref为参考电流值，bess为电池组的实际电流，电流误差经过限幅在经过PI调节后再限幅，然后通过PWM发生器生成脉冲信号。

　　3各个端口软启动方式及相关控制策略

　　由于DC/DC变换器投入瞬间会对整个系统产生巨大的扰动，这对电压侧的输电质量有很大影响。所以本文将采用多电池组MPC储能系统各端口软启动方式，并联在EPT低压直流侧处，来提高系统的稳定运行。

　　4仿真研究

　　为了验证软启动方式下多电池组MPC储能系统应用在EPT低压直流侧的有效性，在Matlab/Simulink环境下仿真实验，搭建相应的仿真模型。在MPC储能系统并入EPT低压直流侧母线时，通过对负载波形的分析，来证实仿真的有效性。

　　4.1仿真参数

　　EPT容量500kV⋅A、额定电压等级10kV/380V、高压直流母线电压15kV、低压直流母线电压400V、高频变压器变比37.5，频率1000Hz。3组相同蓄电池，单个蓄电池额定电压240V、容量100A⋅h。负载容量500kV⋅A。

　　4.2软启动实验对比

　　(1)松弛端口软启动对比在没有接启动电阻，直接启动的情况下的仿真结果，其中为储能电感电流，dc是储能系统端口电压。在0.5s0=时将松弛端口处的电池组投入，则瞬间产生一个330A左右的冲击电流，即与式(5)得到的结论一致，由于储能系统功率瞬间流入，低压侧直流母线端波动最大幅值为550V。该冲击电流将会导致储能系统的保护装置进行误操作，直流母线电压的波动也会对负载端的供电质量产生影响。

　　启动电阻S投入承担部分压降后，在启动瞬间后的冲击电流降低到5A往下;在1时接入保护断路器将启动电阻断开，电流与电压有轻微振荡;在2时启动上下开关管以电流闭环模式工作来缓慢提升电压dc;在3时切换为电压外环电流闭环工作模式，看出切换模式时的波动不足以影响系统保护装置的误操作。在电压达到EPT低压侧电压参考值后就可以投入。从中观察得出，该启动方法减小了端口投入的启动电流，也验证了松弛端口软启动方法的可行性。

　　当系统在0.15s出现电压跌落以及在0.3s电压恢复时，单端口以及多端口的储能系统都能有效的对EPT低压侧母线进行补偿，但是在补偿程度上有所不同。单端口储能系统在0.15s开始对突变进行补偿，波形在最低点电压为397.2V处回升，在0.3s系统电压恢复正常后，波动的最高点电压在404.9V处;而多端口储能系统在0.15s跌落时，波形回升的最低电压为399.2V，在0.3s系统电压恢复后，电压波形的最高点在401.5V处。通过对比可以分析，在出现系统电压跌落以及电压恢复的情况下，多端口对低电压侧突变后的超调要小，也就是EPT低压直流母线波形受到的影响更小，以此来体现了多端口的优越性。

　　5结语

　　本文采用了一种可接入多电池组的MPC储能系统，利用该系统各端口的软启动方式及相关策略，并将其应用在EPT低压直流侧，提高了EPT的供电可靠性。在Matlab/Simulink环境下仿真，结果验证了多电池组软启动方式的MPC储能系统应用在EPT中的有效性，使储能系统各端口在投入瞬间时减小了冲击电流，为EPT储能系统的各端口灵活、稳定投切提供了方案，也对比了单端口与多端口之间的差异，从而体现了多端口的优越性，同时让EPT在面对电网跌落的状况时也能更稳定地安全运行。

　　电池组在投入EPT低压直流母线后，各端口电池组给负载提供功率，分配各个功率端口能量的输出也会影响整个系统效率的传递，接下来希望利用超级电容的功率密度大、寿命长的特点，弥补蓄电池频繁进行大功率充电而影响循环使用寿命的缺点。将采用混合储能系统结构来分析各个端口能量的控制，更好的均衡提供功率。

　　参考文献

　　[1]毛承雄，王丹，范澍，等.电子电力变压器[M].北京：中国电力出版社，2010.

　　[2]李子欣，高范强，赵聪，等(LiZixin，GaoFanqiang，ZhaoCong，etal).电力电子变压器技术研究综述(Researchreviewofpowerelectronictransformertechnologies)[J].中国电机工程学报(ProceedingsoftheCSEE)，2018，38(5)：1274-1289.

　　[3]李凯，赵争鸣，袁立强，等(LiKai，ZhaoZhengming，YuanLiqiang，etal).面向交直流混合配电系统的多端口电力电子变压器研究综述(Overviewonresearchofmulti-portpowerelectronictransformerorientedforAC/DChybriddistributiongrid)[J].高电压技术(HighVoltageEngineering)，2021，47(4)：1233-1250.

　　[4]魏梦航，荆龙，吴学智，等(WeiMenghang，JingLong，WuXuezhi，etal).含储能的电力电子变压器拓扑及控制策略研究(ResearchontopologyandcontrolstrategyofESS-PET)[J].电网技术(PowerSystemTechnology)，2018，42(11)：3630-3637.

　　[5]孙孝峰，刘飞龙，熊亮亮，等(SunXiaofeng，LiuFeilong，XiongLiangliang，etal).双Buck/Boost集成双有源桥三端口DC-DC变换器(DualBuck/Boostintegrateddualactivebridgethree-portDC-DCconverter)[J].电工技术学报(TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety)，2016，31(22)：73-82.

　　作者：王强，郭伟，杨策