基于儲能功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的并離網(wǎng)運(yùn)行控制策略

褚洪武，李征

（東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海201620）

基于儲能功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的并離網(wǎng)運(yùn)行控制策略

褚洪武，李征

（東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海201620）

基于儲能功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)需要逆變器工作在并網(wǎng)/離網(wǎng)兩種工作模式下，針對三相T型結(jié)構(gòu)作為主電路拓?fù)淠孀兤餮芯苛瞬?離網(wǎng)工作模式的控制策略。并網(wǎng)模式下利用鎖相（PLL）技術(shù)跟蹤電網(wǎng)電壓的相位，并且用PI控制器來實現(xiàn)并網(wǎng)電流的控制。離網(wǎng)模式下采用電容電壓外環(huán)和電感電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，可以實現(xiàn)輸出電壓的有效控制。在完成了系統(tǒng)的狀態(tài)空間數(shù)學(xué)建?；A(chǔ)上，并且對系統(tǒng)在并網(wǎng)、離網(wǎng)兩種運(yùn)行模式下的控制算法，在搭建的100 kW全數(shù)字控制的實驗樣機(jī)上進(jìn)行了實驗和驗證。

儲能；T型拓?fù)?；功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；并網(wǎng)模式；離網(wǎng)模式

隨著人類對于電能需求量的不斷增大，風(fēng)能，太陽能等可再生能源逐步被開發(fā)和利用，分布式發(fā)電系統(tǒng)成為研究的熱點(diǎn)。常見的分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)包括風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)以及蓄電池發(fā)電系統(tǒng)。在微電網(wǎng)中，將并網(wǎng)發(fā)電功能與獨(dú)立逆變供電功能集成于一體是逆變器的發(fā)展方向，同時電力電子變換裝置的大功率高效率顯得尤為重要［1］。本文對基于儲能新型三電平拓?fù)涞腜CS并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種模式進(jìn)行了研究。

三相三電平變流器具有輸出電壓諧波含量小，dv/dt小，EMI小等優(yōu)點(diǎn)，是高壓大功率變流器應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。三相二極管中點(diǎn)箝位型（NPC）三電平變流器是三相三電平變流器的一種主要拓?fù)?，已?jīng)得到了廣泛應(yīng)用。而三相T型三電平變流器是基于NPC的一種改進(jìn)拓?fù)?，這種結(jié)構(gòu)每個橋臂通過一對反向串聯(lián)的開關(guān)管實現(xiàn)中點(diǎn)箝位功能，使變流器輸出電壓有3種電平。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比NPC在每相上減少了兩個鉗位二極管，在一定的功率等級和開關(guān)頻率不太高的場合可以在一定功率等級和開關(guān)頻率不太高的情況下，損耗更小，導(dǎo)通利用率更高，因此是一種很有發(fā)展前景的拓?fù)洌?］。

1　變流器的工作原理

1.1三相T型三電平變流器主電路拓?fù)?/p>

在圖1中vdc為直流電壓，C1與C2為直流母線電容，Va、Vb、Vc分別為以母線電容中點(diǎn)O為參考點(diǎn)的三相變流器各橋臂輸出的電壓，ua、ub、uc分別為電流經(jīng)過電感之后的各相電壓，La、Lb、Lc為逆變器側(cè)濾波電感，C為濾波電容，R為阻尼電阻，ia、ib、ic分別為流出逆變器的各相交流電流，iga、igb、igc為流向電網(wǎng)的各相交流電流，Ld為網(wǎng)側(cè)電感，ea、eb、ec為以中性點(diǎn)N為參考點(diǎn)的三相電網(wǎng)的各相電壓，Z為獨(dú)立運(yùn)行是負(fù)載的阻抗。

圖1　三相T型三電平變流器主電路拓?fù)鋱DFig.1The main circuit of T-type topology three-phase three-level converter

1.2單相T型三電平拓?fù)渑c工作原理

在圖2（a）中，Gsa1，Gsa2，Gsa3，Gsa4分別為T1，T2，T3，T4的驅(qū)動信號，驅(qū)動信號遵從Gsa1與Gsa3互補(bǔ)，Gsa2與Gsa4互補(bǔ)，且同一橋臂上下開關(guān)驅(qū)動信號Gsa1與Gsa2不能同時導(dǎo)通的原則［3］。

圖2　單相T型三電平拓?fù)浜万?qū)動波形圖Fig.2Thetopology of T-type one-phase three-level converter and the waveforms of drive signals

若假定電流從變流器流向電感為正方向。當(dāng)系統(tǒng)工作在圖2（b）所示的階段Ⅰ時，u（t）＞0，i（t）＜0，此時T2常通，T4常斷，T1和T3作PWM切換。若A點(diǎn)輸出為P電平，則電流流過D1，A點(diǎn)輸出為0電平，電流點(diǎn)過T3和T2反并的二極管。當(dāng)工作在階段Ⅱ時，u（t）＞0，i（t）＞0，此時T2常通，T4常斷，T1和T3作PWM切換。若A點(diǎn)輸出為P電平，則電流流過T1，A點(diǎn)輸出為0電平，電流點(diǎn)過T2和T3反并的二極管。以上以工頻正半周期為例分析了T型三電平的工作原理，同理可分析負(fù)半周期A分別輸出N電平和0電平。

1.3儲能變流器的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)基爾霍夫定律，可以建立變流器在abc靜態(tài)坐標(biāo)下的狀態(tài)方程，并且經(jīng)過坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換，得到dq兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的方程如下［4］：

式中，Vd，q、ud，q、id，q、i1d，1q、ed，q、igd，gq分別為Va、Vb、Vc、ua、ub、uc、ia、ib、ic、i1a、i1b、i1c、ea、eb、ec、iga、igb、igc的d-q軸分量。

Vd，Vq的狀態(tài)空間表達(dá)式滿足

上式中，［DdDq］T為PWM占空比［DaDbDc］T的d-q軸分量。經(jīng)過整理得到變流器主電路的時域形式的狀態(tài)空間平均模型如圖3所示。

圖3　變流器的狀態(tài)空間平均模型Fig.3The state space average model of the converter

2　基于儲能的微網(wǎng)運(yùn)行控制策略

微網(wǎng)的運(yùn)行方式主要包括并網(wǎng)模式和離網(wǎng)模式兩種工況，由于該系統(tǒng)是以儲能單元作為微網(wǎng)的電源，因此變流器的控制策略對于整個系統(tǒng)控制非常重要［5］。

2.1并網(wǎng)模式

在并網(wǎng)運(yùn)行模式下，配電網(wǎng)為系統(tǒng)提供電壓與頻率的支持，同時要求系統(tǒng)能參與維持整個電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提高故障的承受能力等。變流器采用的是PQ控制，其控制目的是使分布式電源輸出的有功功率和無功功率等于其參考值，以使儲能單元處于適宜的荷電狀態(tài)和良好的功率調(diào)節(jié)能力，或根據(jù)系統(tǒng)的需要向配電網(wǎng)吸收或輸出一定的有功和無功功率，實現(xiàn)系統(tǒng)與配電網(wǎng)公共連接點(diǎn)PCC功率潮流的相對穩(wěn)定。

變流器并網(wǎng)運(yùn)行的控制算法結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，先采集三相電網(wǎng)電壓，利用軟件同步鎖相算法得到相位角θ，電流經(jīng)過Clarke變換及Park變換得到id和iq，由變流器的有功和無功功率計算得到電流環(huán)的給定值，電流內(nèi)環(huán)采用PI控制，以使電流快速跟蹤電壓給定，為了增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗擾動性，然后通過解耦和電網(wǎng)電壓前饋控制后可去除交叉耦合項，再由SVPWM調(diào)制成開關(guān)信號驅(qū)動各相開關(guān)管的通斷。

圖4　變流器并網(wǎng)運(yùn)行的控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.4The controlstrategy of grid-connected operationconverter

2.2離網(wǎng)模式

離網(wǎng)模式采用V-f控制方法［6］，為了實現(xiàn)對輸出電壓的控制，常采用電壓型的控制方式，在采用電壓外環(huán)實現(xiàn)對輸出電壓穩(wěn)定控制的基礎(chǔ)上，同時加入電流內(nèi)環(huán)來實現(xiàn)逆變器輸出電流的控制。統(tǒng)的預(yù)設(shè)值，經(jīng)濾波電容電壓環(huán)、濾波電感電流環(huán)雙環(huán)控制后產(chǎn)生變流器的PWM控制信號，如圖5所示為系統(tǒng)工作于離網(wǎng)運(yùn)行模式時的控制結(jié)構(gòu)框圖。

圖5　變流器離網(wǎng)運(yùn)行的控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.5The control strategy of islanded operation converter

3　實驗結(jié)果

本文對基于儲能系統(tǒng)的T型三電平變流器的并網(wǎng)運(yùn)行和離網(wǎng)運(yùn)行兩種工況進(jìn)行了研究，在控制方式上，選用了以TI公司的TMS320F28335芯片為控制核心，用SVPWM調(diào)制方式產(chǎn)生三相開關(guān)管的開關(guān)信號。設(shè)計了一套基于磷酸鐵鋰電池作為儲能載體的三相電壓型PWM變流器系統(tǒng)。

為了驗證理論分析，搭建三相變流器系統(tǒng)，開關(guān)頻率fs= 10 kHz，電網(wǎng)線電壓有效值為380 V，直流側(cè)電壓為650 V。圖6給出了實驗波形，其中，Uab為網(wǎng)側(cè)的AB線電壓，UAB為變流器側(cè)濾波前的AB線電壓，Ia為A相交流電流，Id為直流母線電流。圖6（a）為并網(wǎng)模式運(yùn)行放電啟動時波形，從中可以看出放電過程運(yùn)行穩(wěn)定，變流器的輸出電壓對電網(wǎng)電壓的跟隨性好，電流的THD較小，符合并網(wǎng)要求。圖6（b）為充電啟動的波形，可見充電啟動過程大約經(jīng)過800 ms左右，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。圖6（c）為充電切換成放電的波形，轉(zhuǎn)換的過程中交流和直流的電流變化較為平滑，轉(zhuǎn)換的過程中變流器運(yùn)行穩(wěn)定，沒有電流沖擊，變流器運(yùn)行正常。圖6（d）為系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行時的波形，可見輸出交流電壓為穩(wěn)定的正弦波，變流器運(yùn)行穩(wěn)定。

圖6　實驗波形Fig.6The experimental waveforms

4　結(jié)論

文中基于儲能的三相T型三電平能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)上，完成了系統(tǒng)的狀態(tài)空間數(shù)學(xué)建模和系統(tǒng)在并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種運(yùn)行模式下的控制算法的研究，并設(shè)計了一臺100 kW全數(shù)字控制實驗樣機(jī)，驗證了理論分析的正確性。實驗結(jié)果表明，此變流器在兩種工作模式下運(yùn)行，系統(tǒng)的直流側(cè)上下電容電壓平衡，交流輸出電壓電流諧波小，有功及無功功率可調(diào)配，符合系統(tǒng)的設(shè)計要求。

［1］王劍，劉天琪，李興源.風(fēng)電場及儲能裝置對發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性的影響［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（5）：165-170. WANG Jian，LIU Tian-qi，LI Xing-yuan.Influences of connecting wind farms and energy storage devices to power grid on reliability of power generation and transmission system［J］. Power System Technology，2011，35（5）：165-170.

［2］Bragard M，Soltau N，Thomas S，et al.The balance of renewable sources and user demands in grids：Power electronics for modular battery energy storage systems［J］.Power Electronics，IEEE Transactions on，2010，25（12）：3049-3056.

［3］鄒慶玉.逆阻型IGBT的三相T型逆變控制系統(tǒng)分析與設(shè)計［D］.［4］徐德鴻.電力電子系統(tǒng)建模及控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

杭州：浙江大學(xué)，2012.

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Research on grid-connected/islanded PCS based on energy storage system

CHU Hong-wu，LI Zheng
（College of Information Science and Technology，Donghua University，Shanghai 201620，China）

According to the requirement that a convert based on the energy storage PCS needs to work in the grid-connected mode and the islanded mode，the control strategy of the two modes is studied for an inverter withthe three-phase T-type structure as the main circuit topology.In the grid-connected mode，grid voltage is tracked by a phaselock loop（PLL）and the PI controller is also utilized for the current control.The capacitor voltage outer loop and inner inductor current loop are used in the islanded mode，thus theoutput voltage is effectively controled.The mathematical mode of the whole system and those control algorithms in two operating modes are discussed，the system performance iscarried out and verified in the experimental prototype machine of 100 kW full digital control experiments.

energy storage；T topology；power conversion system；gird-connected mode；islanded mode

TN3

A

1674-6236（2015）20-0152-03

2014-12-30稿件編號：201412306

褚洪武（1990—），男，湖北孝感人，碩士研究生。研究方向：電力電子技術(shù)。