儲能裝置多機系統(tǒng)在離網狀態(tài)下的環(huán)流控制策略

林漢平 吳文宣 蔡金錠 鄭 高

（1. 福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108；2. 國家電網福建省電力有限公司電力科學研究院，福州 350007；3. 國家電網福建省電力有限公司，福州 350001）

為了提高儲能系統(tǒng)的容量和可靠性，廣泛采用了多臺儲能裝置并聯(lián)的儲能系統(tǒng)。但在實際應用中，各臺儲能裝置的輸出電壓幅值和相角不可能完全相等，同時輸出線路阻抗也有差異。故當多臺儲能裝置并聯(lián)工作時必然會產生環(huán)流，從而使各臺儲能裝置不能均分負載，使得部分裝置工作于過載狀態(tài)，導致并聯(lián)系統(tǒng)崩潰。所以需要在儲能裝置離網控制中加入并聯(lián)控制抑制各臺變流器間的環(huán)流，保證各臺儲能裝置均分負載正常工作。本文提出了基于平均功率均分控制的并聯(lián)控制策略，需檢測系統(tǒng)輸出有功和無功功率，其均流效果好，穩(wěn)定性高，且具有較強的抗擾動性，可有效抑制并聯(lián)系統(tǒng)中環(huán)流的產生，對多臺儲能裝置構成的大容量儲能系統(tǒng)在離網運行下的并聯(lián)控制策略及均流控制的實現(xiàn)具有重要意義。

1 系統(tǒng)建模

圖1中ioi1、ioi2為變壓器高壓側輸出電流；Zloαd為本地恒阻抗負載，流過負載的電流為兩臺儲能裝置交流側輸出電流之和。其中，對上述變量中的下標i有i= a ,b,c。

根據圖1系統(tǒng)框圖，兩臺儲能裝置并聯(lián)系統(tǒng)中每臺儲能電源與變流器的直流側相連，變流器交流側接LCL濾波器，然后經隔離變壓器并聯(lián)后與負載相連。單臺變流器可視為一個交流電壓源U1、U2。由于輸出端變壓器漏感的存在，故并聯(lián)運行時線路阻抗主要呈感性，即Zl1= jX1，Zl2= jX2，其并聯(lián)等效模型如圖2所示[1-2]。

圖1 PCS離網并聯(lián)運行系統(tǒng)等效拓撲結構

圖2 兩組儲能裝置并聯(lián)運行示意圖

假設并聯(lián)母線電壓為U0∠0°，變流器交流側輸出電壓為U1∠φ1、U2∠φ2，則各臺變流器輸出電流為

各臺變流器的輸出功率為

兩臺變流器之間的環(huán)流為Ih，則[3]

由式（4）環(huán)流公式可知，系統(tǒng)環(huán)流與兩臺變流器交流側輸出電壓的幅值、相角以及它們之間的線路阻抗有關。因此為了減小變流器之間的環(huán)流需控制各臺變流器的輸出幅值、相角相等，同時在保證線路阻抗相等的前提下，盡量增大輸出線路阻抗。本文提出了基于平均功率均分控制[4]的離網并聯(lián)控制策略。

2 儲能系統(tǒng)離網運行控制分析

根據圖1儲能系統(tǒng)離網等效拓撲結構，根據基爾霍夫電壓定律、基爾霍夫電流定律可得離網運行時電路的狀態(tài)方程組：

式中，L0和R為折算到變流器側的漏感（包含L2）和等效電阻，將上式進行dq變換，則變流器dq變換后模型為

則由式（6）可得變流器離網運行模型框圖如圖3所示。

根據圖3所示的數學模型，當系統(tǒng)處于離網運行時，此時儲能系統(tǒng)脫離配電網與負荷形成獨立的微電網，儲能系統(tǒng)作為電源向重要負荷供電，同時向微電網提供電壓和頻率支撐，此時需要儲能系統(tǒng)具有恒定的電壓和頻率，因此變流器采用V/f控制[5-6]。V/f控制是包含電流內環(huán)、電壓外環(huán)的雙環(huán)控制。控制原理框圖如圖4所示。

圖3 變流器離網運行時的等效數學模型

圖4 電壓電流雙環(huán)控制原理圖

3 基于平均功率均分控制研究

根據式（4），為了抑制系統(tǒng)中的環(huán)流，必須保證兩臺變流器交流側輸出電壓幅值和相角一致，在變流器控制中加入功率均衡控制，保證各臺變流器均分功率，從而抑制環(huán)流[7]。

假設變流器輸出平均功率時其對應的輸出電壓為Uc_αve∠φc_αve，并且由外置同步信號作為基準進行dq分解，則有

由上式可知，當線路阻抗為純感性時，變流器交流側電壓 q軸分量差異引起有功不均衡，d軸差異造成無功輸出環(huán)流。為了實現(xiàn)變流器輸出功率的均衡，可在變流器電壓控制外加入功率均衡的PI控制，通過測量每組并聯(lián)系統(tǒng)向母線輸出的電壓U0和電流i0，計算輸出有功、無功功率，與其平均功率相比較，經過PI控制得到功率外環(huán)的輸出量，疊加在變流器輸出電壓指令上作為修正，以抑制變流器之間的環(huán)流。

結合圖 4、圖 5可得離網運行時基于平均功率均分控制框圖。

圖5 功率外環(huán)控制原理圖

圖6 基于平均功率均分控制框圖

4 系統(tǒng)仿真與分析

儲能系統(tǒng)離網仿真模型包括兩套儲能裝置，每套儲能裝置分別由電池模塊、變流器模塊、濾波器模塊、變壓器模塊以及負載組成，如圖7所示。

4.1 控制模塊設計

測取兩臺變流器交流輸出側的電感L1電流和電容C兩端的電壓，計算求得并聯(lián)的每組電池輸出的有功功率和無功功率。

圖7 儲能系統(tǒng)多機并聯(lián)仿真模型

圖8 第一組儲能裝置輸出功率仿真模型

圖9 第二組儲能裝置輸出功率仿真模型

計算兩組儲能裝置輸出的平均功率的大小仿真模型如圖10所示。

圖10 兩組儲能裝置的平均功率仿真模型

將平均功率與兩組儲能裝置實際輸出功率分別進行比較，如圖11，經過PI調節(jié)器后輸出的誤差量作為電壓外環(huán)的輸入量，如圖12所示。由電壓電流雙環(huán)控制得到dq坐標下的調制波，再由坐標變換為abc坐標系下調制波，與SPWM中的三角波比較后輸出變流器開關管的驅動信號。

圖11 基于平均功率均控制仿真模型

圖12 電壓電流雙環(huán)控制仿真模型

4.2 仿真結果分析

對儲能系統(tǒng)多機離網并聯(lián)運行進行仿真分析，空載運行檢測輸出電壓的同步情況，以及環(huán)流的大小。圖13為兩臺PCS輸出交流側電容電壓波形，從圖中可以看出，經過外同步信號的同步，兩臺PCS的輸出電壓實現(xiàn)了相位的同步，空載運行時，兩臺變流器輸出電壓重合較好，輸出環(huán)流較小。

圖13 兩臺PCS輸出交流側電容電壓A相波形

儲能系統(tǒng)并聯(lián)帶載運行時，實驗結果如圖14、圖15所示，兩臺PCS的輸出電壓實現(xiàn)了相位的同步，輸出電壓重合較好，輸出環(huán)流很小，功率均分控制策略能夠有效的抑制了環(huán)流的產生。

圖14 兩臺PCS輸出交流側電容電壓A相波形

圖15 兩臺PCS輸出環(huán)流波形

5 結論

本文研究了多機并聯(lián)運行情況下，由于各臺儲能裝置的輸出電壓幅值和相角不可能完全相等，同時輸出線路阻抗也有差異，并聯(lián)運行系統(tǒng)中必然會產生環(huán)流，導致各臺儲能裝置不能均分負載，出現(xiàn)過載狀態(tài)，甚至引起并聯(lián)系統(tǒng)崩潰。為了抑制環(huán)流的產生，提出了基于平均功率的均分控制，該控制方法將經過PI控制得到功率外環(huán)的輸出量，疊加在變流器輸出交流電壓指令上作為修正。通過Matlab/Simulink軟件對離網控制策略進行仿真分析驗證，在空載和帶載運行下該控制方法均起到很好的抑制環(huán)流的作用，實現(xiàn)了兩臺PCS的均流運行。

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