對(duì)稱及不對(duì)稱電網(wǎng)故障下的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)低電壓穿越控制策略

侯桂欣，劉其輝，謝孟麗

（華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206）

0 引言

近年來隨著智能電網(wǎng)、新能源發(fā)電、電動(dòng)汽車等技術(shù)的不斷發(fā)展，儲(chǔ)能系統(tǒng)（Energy Storage System,ESS）應(yīng)用的研究日漸深入[1-3]。目前得到研究和應(yīng)用的電力儲(chǔ)能方式有很多，主要包括電池儲(chǔ)能，抽水儲(chǔ)能，飛輪儲(chǔ)能，超導(dǎo)儲(chǔ)能，壓縮空氣儲(chǔ)能等。其中電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（Battery Energy Storage System,BESS）應(yīng)用以歷史悠久，技術(shù)成熟，模塊化好[4]等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)，使用實(shí)例遍布國內(nèi)外[5-7]。

電力電子功率變換系統(tǒng)（Power Conversion System,PCS）是實(shí)現(xiàn)BESS 與電網(wǎng)能量變換與控制的核心，對(duì)BESS 性能起著至關(guān)重要的作用[8]。然而電網(wǎng)故障時(shí)，PCS 將不能正常工作，BESS 的性能也將受到影響，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞變流器器件，影響電池壽命。因此對(duì)PCS低電壓穿越(Low Voltage Ride-Though,LVRT)研究的重要性也日益突出。

目前，PCS 變流器的控制方法有很多[9-14]。文獻(xiàn)[10]在背靠背的雙變流器之間增加了DC-DC 斬波電路，在充分考慮了BESS 的非線性特點(diǎn)后，采用反饋線性化方法設(shè)計(jì)了控制器。然而此方法采用了13 個(gè)IGBT，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制繁瑣。文獻(xiàn)[13]總結(jié)了太陽能PCS 實(shí)現(xiàn)LVRT 的方法，但是所有方法均采用外加輔助裝備，沒有涉及到采用改進(jìn)控制方法來實(shí)現(xiàn)PCS 的LVRT。文獻(xiàn)[14]提出了在正負(fù)序同步坐標(biāo)系下，電網(wǎng)正、負(fù)序電壓分別定向的矢量控制策略，該方法可以消除功率波動(dòng)，穩(wěn)定直流母線電壓，然而電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，變流器不能給電網(wǎng)無功支持。文獻(xiàn)[15-16]分別研究了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越和不對(duì)稱控制，效果顯著。

綜上所述，應(yīng)用于風(fēng)電的LVRT 研究比較活躍，取得了一系列的成果。但針對(duì)BESS 特點(diǎn)且適用于對(duì)稱及不對(duì)稱電網(wǎng)故障時(shí)儲(chǔ)能PCS 的LVRT 技術(shù)還缺乏系統(tǒng)與深入的研究。本文就電壓跌落對(duì)BESS 的影響及PCS 實(shí)現(xiàn)LVRT 的思路進(jìn)行了分析；為了同時(shí)適應(yīng)電網(wǎng)對(duì)稱及不對(duì)稱故障，實(shí)現(xiàn)PCS正、負(fù)序電流的有效控制，還建立了PCS 正、負(fù)序復(fù)合型數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了雙d-q 電流調(diào)節(jié)型PCS 不平衡控制策略。依據(jù)LVRT 需要，在不對(duì)稱控制策略的基礎(chǔ)上加入了電流分配與功率指令切換環(huán)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)BESS 的LVRT，以及對(duì)電網(wǎng)的緊急無功支撐。最后利用PSCAD，對(duì)控制方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)及其LVRT 要求

1.1 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理

BESS 由電池系統(tǒng)和PCS 組成[8]，后者作為實(shí)現(xiàn)BESS 并網(wǎng)的橋梁，也是LVRT 研究的核心。

PCS 連接于電池組與電網(wǎng)之間，其功能就是把電網(wǎng)電能存入電池組或?qū)㈦姵亟M能量回饋到電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電池組和電網(wǎng)之間能量的有序交換。PCS 不僅要在電網(wǎng)正常時(shí)提高電力系統(tǒng)電能質(zhì)量，還應(yīng)在電網(wǎng)故障時(shí)不脫網(wǎng)，為關(guān)鍵負(fù)荷供電[8]。PCS 主要由變流器主電路及其控制系統(tǒng)組成。PCS 要實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與電池組之間能量的雙向流動(dòng)，因此采用雙向功率變換器拓?fù)?，如圖1。

圖1 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the BESS

1.2 電網(wǎng)故障對(duì)電池儲(chǔ)能PCS 的影響

電網(wǎng)故障時(shí)，輸送到電網(wǎng)的功率突然減小，若不及時(shí)調(diào)節(jié)儲(chǔ)能電池輸入功率，則功率不平衡將導(dǎo)致變流器輸出電流迅速上升，危及變流器安全。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)不對(duì)稱的電壓跌落時(shí)，如果不采取措施實(shí)現(xiàn)負(fù)序電流的控制，PCS 因不能實(shí)現(xiàn)電流的完全控制而容易過流損壞。此外，受電網(wǎng)負(fù)序電壓影響，PCS 輸出有功功率會(huì)發(fā)生2 倍電網(wǎng)頻率的正弦波動(dòng)，進(jìn)而使直流側(cè)電壓產(chǎn)生2 倍頻波動(dòng)，影響變流器整體穩(wěn)定性，以及儲(chǔ)能裝置的壽命[17]。綜上，BESS應(yīng)具備一定的耐受電網(wǎng)故障的能力，避免在故障時(shí)脫網(wǎng)而引起的其他連鎖故障。目前，還沒有明確提出BESS 低電壓穿越要求，BESS 和光伏PCS 的功能和控制方法相似，一般可以借鑒光伏PCS 的LVRT 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[18]。

同風(fēng)電變流器不同，儲(chǔ)能PCS 直流側(cè)由于電池電壓鉗位的原因，在電網(wǎng)故障時(shí)直流母線電壓不會(huì)出現(xiàn)過大的波動(dòng)。因此BESS 更注重變流器過流問題和有功、無功電流的分配問題。針對(duì)這一特點(diǎn)，在不平衡控制策略基礎(chǔ)上，加入限流及有功、無功電流的分配環(huán)節(jié)，為本文實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)LVRT 的控制方案。

2 電池儲(chǔ)能PCS 的正、負(fù)序復(fù)合模型

本文的控制模型均基于正負(fù)序復(fù)合坐標(biāo)系。三相靜止坐標(biāo)系下PCS 等效電路如圖2所示，圖中Ls、Rs為電網(wǎng)與變流器之間的電感和電阻，e、i、v分為電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)、輸入到變流器的電流和變流器端電壓，下標(biāo)abc 分別表示abc 三相，udc為直流母線電壓，Cdc為直流母線電容。Sk(k=a，b，c)為開關(guān)函數(shù)，其中Sk=1 時(shí)，相應(yīng)橋臂上管導(dǎo)通,下管關(guān)斷；Sk=0 時(shí)，相應(yīng)橋臂上管關(guān)斷，下管導(dǎo)通。

圖2 PCS 變流器的等效電路Fig.2 Equivalent circuit of the PCS converter

α-β 坐標(biāo)系下變流器的數(shù)學(xué)模型為

其中，Eαβ、Vαβ、Iαβ分別是α-β 坐標(biāo)系中電網(wǎng)電壓、交流側(cè)電壓和電流復(fù)矢量。電網(wǎng)不平衡時(shí)，Vαβ、Iαβ均含有正序、負(fù)序分量，則

3 電網(wǎng)故障時(shí)PCS 的LVRT 策略

PCS 的LVRT 的實(shí)質(zhì)是在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)防止開關(guān)器件因過流、過壓而損壞，同時(shí)保持并網(wǎng)運(yùn)行前提下，具備一定的功率控制能力。LVRT 的實(shí)現(xiàn)方案體現(xiàn)在兩個(gè)層次：一是電壓跌落時(shí)電流指令分配與切換；二是電流幅值的有效控制。

3.1 電網(wǎng)電壓對(duì)稱跌落

電網(wǎng)電壓對(duì)稱故障時(shí)，電磁負(fù)序分量為零，因此只需考慮正序電流的控制即可。PCS 的控制器通過比較電網(wǎng)電壓和額定電壓來判斷電網(wǎng)是否發(fā)生對(duì)稱故障,當(dāng)對(duì)稱故障發(fā)生后,將變流器控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)入對(duì)稱故障模式,抑制故障電流,以實(shí)現(xiàn) PCS 的LVRT，同時(shí)還要盡可能多發(fā)出無功功率支撐電網(wǎng)。

電網(wǎng)故障時(shí),d、q 軸電流指令分別為

控制原理見圖3。電網(wǎng)電壓正常時(shí)，K1、K2位于“1”處，電網(wǎng)電壓對(duì)稱故障時(shí)，二者同時(shí)切換至“2”處；imax=0.45 kA 為器件最大允許電流；為變流器輸出有功功率指令。同風(fēng)電和光伏的LVRT不同，BESS 不需要控制直流母線電壓，因此去掉 電壓外環(huán)，由功率指令直接計(jì)算電流指令，并采用PI 閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)電流指令的跟蹤。

圖3 電網(wǎng)對(duì)稱故障時(shí)LVRT 策略Fig.3 LVRT strategy under balance grid fault

3.2 電網(wǎng)不對(duì)稱跌落

電網(wǎng)不對(duì)稱跌落時(shí)會(huì)產(chǎn)生負(fù)序電磁量，此時(shí)要對(duì)包括負(fù)序電流在內(nèi)的全電流進(jìn)行控制，本文采用基于雙d-q 電流調(diào)節(jié)的不平衡控制策略[19]。采用T/4時(shí)延法進(jìn)行序分量分解，將所有電磁量分解到正負(fù)序坐標(biāo)系下，功率方程為[20]

式中：p、q表示有功和無功；下標(biāo)0、c2、s2表示功率的直流、余弦和正弦分量。直流母線電壓的2倍頻波動(dòng)會(huì)影響電池的壽命，負(fù)序電流可能使交流電流超過imax。因此本文通過控制有功功率的二倍頻分量來消除直流母線電壓的二倍頻波動(dòng)，并通過功率指令切換的方式，實(shí)現(xiàn)限流控制。因此選擇0p、0q、s2p和c2p作為控制對(duì)象。假設(shè)四個(gè)功率的指令值為，采用電網(wǎng)電壓定向，則電流指令為式（7）[20]，其中為電網(wǎng)電壓在正、負(fù)序分量。

圖4 電網(wǎng)不對(duì)稱故障時(shí)LVRT 策略Fig.4 LVRT strategy under unbalance grid fault

圖4 中，電網(wǎng)正常時(shí)，K1、K2均位于“1”處，電網(wǎng)不對(duì)稱故障時(shí)，二者同時(shí)切換至“2”處。其中為電網(wǎng)正常時(shí)功率指令；為電網(wǎng)故障時(shí)功率指令。

4 仿真研究

本文在PSCAD 上建立了84 kW 電池儲(chǔ)能模塊仿真模型。仿真模型參數(shù)為：蓄電池組額定功率為84 kW；電網(wǎng)電壓為380 V；電網(wǎng)系統(tǒng)阻抗為0.005 ?；電力電子器件開關(guān)頻率為3.2 kHz；交流側(cè)濾波電感和電容分別為0.95 nH 和140 μF；直流儲(chǔ)能電容為5 040 μF。電網(wǎng)故障模擬是通過在電網(wǎng)側(cè)設(shè)置故障實(shí)現(xiàn)的，通過分相設(shè)置，便可模擬出電網(wǎng)對(duì)稱和不對(duì)稱故障，設(shè)置接地電阻的大小可模擬電壓跌落程度。

故障在1 s 時(shí)發(fā)生，持續(xù)0.6 s，在1.6 s 時(shí)刻系統(tǒng)恢復(fù)正常。三相及單相短路時(shí)接地電阻分別為0.00125 ? 和0.0011 ?。

4.1 電網(wǎng)對(duì)稱故障時(shí)PCS 控制仿真研究

從圖中可以看出，電網(wǎng)電壓發(fā)生對(duì)稱故障時(shí)，如果不改變控制策略，變流器輸出的交流電流峰值達(dá)到800 A，已經(jīng)超過了二極管和IGBT 能夠承受的imax。而改變控制策略后，交流電路只有400 A左右，因此，改進(jìn)后的控制策略有效地控制了交流電流的幅值，達(dá)到了預(yù)期效果，實(shí)現(xiàn)了BESS 的LVRT。

圖5 電網(wǎng)電壓對(duì)稱故障時(shí)仿真對(duì)比圖Fig.5 Comparison diagram of the simulation under balance grid fault

4.2 電網(wǎng)不對(duì)稱故障時(shí)PCS 控制仿真研究

圖6 無LVRT 策略仿真圖Fig.6 Simulation diagram without LVRT strategy

從圖6 中可以看出，電網(wǎng)不對(duì)稱故障時(shí)，PCS交流電流幅值達(dá)到800 A，嚴(yán)重超過了imax，且功率和直流母線電壓都存在波動(dòng)，此波動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響電池的壽命。因此，將PCS 交流側(cè)輸出電流降低到變流器能承受的范圍，同時(shí)抑制PCS 輸出有功功率的波動(dòng)，并在變流器能承受的范圍內(nèi)輸出無功功率，幫助電網(wǎng)電壓恢復(fù)的研究具有重要意義。

采用雙d-q 電流控制策略，控制PCS 輸出有功功率波動(dòng)，并進(jìn)行功率切換，使PCS 發(fā)出一定的無功功率。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 有LVRT 策略仿真圖Fig.7 Simulation diagram with LVRT strategy

從圖7 中可以看出，三相交流電流的幅值限定在300 A 左右，滿足變流器的要求；有功功率的波動(dòng)得到抑制，并可按需發(fā)出；PCS 可以向電網(wǎng)提供 一定的無功支持，有助于電網(wǎng)電壓的恢復(fù)；同圖6相比，直流母線電壓波動(dòng)減小了，但是由于電池系統(tǒng)向電網(wǎng)發(fā)出的有功功率減小，因此，直流母線電壓有所上升，但在允許范圍之內(nèi)。

5 結(jié)論

本文建立了BESS的PCS在雙d-q坐標(biāo)系下的正、負(fù)序復(fù)合模型，在此基礎(chǔ)上研究了BESS實(shí)現(xiàn)LVRT的方法。電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，充分利用PCS容量，通過有功、無功電流的分配實(shí)現(xiàn)限流和最大限度地發(fā)出無功功率的兼顧。不對(duì)稱故障時(shí)，還要額外考慮對(duì)負(fù)序電流的控制，在實(shí)現(xiàn)限流的前提下，本文以抑制有功功率2次波動(dòng)為目標(biāo)，在電流所承受的范圍內(nèi)，計(jì)算無功功率指令，實(shí)現(xiàn)PCS對(duì)電網(wǎng)的無功支持，幫助電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。且BESS在LVRT過程中沒有增加任何附加裝置，只是依靠控制方法的改變來實(shí)現(xiàn)，不僅提高了BESS運(yùn)行的可靠性，還具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

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