儲能變流器平滑切換的研究

張 飛，萬樂斐，劉 亞

(內(nèi)蒙古科技大學信息工程學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

儲能變流器平滑切換的研究

張 飛，萬樂斐，劉 亞

(內(nèi)蒙古科技大學信息工程學院，內(nèi)蒙古 包頭014010)

由清潔能源(如太陽能、風能等)組成的可控制負荷微電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展迅速，極大提高了傳統(tǒng)供電網(wǎng)絡的可靠性。儲能變流系統(tǒng)是微電網(wǎng)系統(tǒng)中能量變換的關(guān)鍵系統(tǒng)，是微電網(wǎng)實現(xiàn)“削峰填谷，調(diào)劑余缺”的核心。研究儲能變流器技術(shù)對實現(xiàn)微電網(wǎng)離并網(wǎng)運行及狀態(tài)平穩(wěn)切換具有實際意義?，F(xiàn)場調(diào)研了風電廠光伏發(fā)電廠，對儲能變流器平滑切換進行了研究。在分析儲能變流器拓撲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分別建立三相儲能變流器不同運行狀態(tài)的數(shù)學模型。采用雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，具體分析儲能變流器離并網(wǎng)切換過程電壓、電流畸變的原因。在切換過程中，采用共電流環(huán)控制方式降低電壓電流畸變。對儲能變流器平滑切換的仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)不同調(diào)制模式間的平滑過渡。

微電網(wǎng)； 儲能； 變流器； 削峰填谷； 獨立運行； 并網(wǎng)運行； 平滑切換； 平滑過渡

0 引言

由于微網(wǎng)系統(tǒng)存在并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種工作狀態(tài)，儲能變流器需要有并網(wǎng)和獨立運行兩種工作模式，并能實現(xiàn)兩種模式間的平滑切換，以保證本地負載的不間斷供電。當電網(wǎng)發(fā)生故障或計劃檢修時，三相儲能變流器需要與大電網(wǎng)解列，由并網(wǎng)運行轉(zhuǎn)為獨立運行，待電網(wǎng)的故障清除或檢修完畢后，電網(wǎng)重新恢復正常運行；或者，由于試驗的需要，三相儲能變流器又要切換到并網(wǎng)運行模式。三相儲能變流器在獨立運行時輸出電壓的幅值、頻率和相位可能與電網(wǎng)電壓存在差異，如果直接并網(wǎng)，很可能會產(chǎn)生大電流沖擊，對電網(wǎng)和變流器造成損害。所以，變流器在并網(wǎng)之前，必須進行調(diào)整,以減小并網(wǎng)時對電網(wǎng)的沖擊。

在微電網(wǎng)的研究領(lǐng)域中，平滑切換問題是近年來人們關(guān)注的熱點，也是微電網(wǎng)研究領(lǐng)域的難題。本文在充分研究現(xiàn)有儲能變流器內(nèi)部算法的基礎(chǔ)上，進行儲能變流器平滑切換的研究，并通過仿真分析驗證了試驗的可行性。

1 雙環(huán)控制的切換數(shù)學模型

儲能變流器切換模式控制采用雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，并且共用電流內(nèi)環(huán)控制器，從而在轉(zhuǎn)換的過程中大大減小由控制器參數(shù)差異造成的并網(wǎng)電流沖擊。Switch1和Switch2是控制模式選擇開關(guān)。當變流器選擇并網(wǎng)運行PQ控制方式時，模式選擇開關(guān)切換到Id_ref和Iq_ref；當變流器選擇獨立運行V/F控制方式時，模式選擇開關(guān)切換到Ud_ref和Uq_ref。

2 變流器仿真與分析

2.1獨立到并網(wǎng)運行

在實際的變流器控制模式切換過程中，由于受到各種因素的影響，模式開關(guān)和并網(wǎng)開關(guān)同時動作雖是最理想的方式，但不符合實際的工程應用[1]。當控制模式開關(guān)切換和并網(wǎng)開關(guān)切換時，前后順序不同會使變流器和電網(wǎng)受到很大影響。以獨立運行切換到并網(wǎng)運行為例，當變流器獨立運行時，控制方式為V/F，若在控制方式切換的同時，并網(wǎng)開關(guān)也閉合，這種同時切換方式最為理想，但是實際當中很難實現(xiàn)。若控制方式先切換到PQ控制模式，然后再閉合并網(wǎng)開關(guān)，這種過渡方式為電流過渡過程；若先閉合并網(wǎng)開關(guān)，然后再切換控制方式，這種過渡方式為電壓過渡過程。

電流過渡方式切換步驟如下。

①檢測電網(wǎng)電壓，分析此刻電網(wǎng)電壓的頻率、幅值和相位信息。

②三相變流器的輸出電壓按照步驟①中電網(wǎng)電壓的量進行調(diào)整。

③控制模式先切換到并網(wǎng)控制模式，循環(huán)檢查并網(wǎng)條件。若符合，閉合并網(wǎng)開關(guān)。

變流器由獨立運行切換到并網(wǎng)運行時，變流器初始工作在獨立運行模式，在檢測到并網(wǎng)信號后，變流器控制方式先切換到PQ控制方式，然后循環(huán)檢測變流器輸出電壓的頻率、相位和幅值，若滿足并網(wǎng)要求即閉合并網(wǎng)開關(guān)。切換時，還需要考慮系統(tǒng)的功率平衡，保證切換過程的平滑進行[2]。

仿真模型中，變流器以V/F模式啟動運行，設定負載吸收的有功功率(P)為7kW，無功功率(Q)為0。在0.5s時,變流器的控制方式由V/F控制模式切換到PQ模式。盡管兩種控制模式共用一個電流環(huán)，但是外環(huán)參數(shù)的差異仍然會造成電流的沖擊，切換后變流系統(tǒng)需要重新進行參數(shù)調(diào)整。

變流器輸出與并網(wǎng)的有功、無功功率如圖1所示。從圖1可知，有功功率P輸出下降到5000W，經(jīng)0.025s后輸出電流和電壓跟蹤上給定值，重新達到穩(wěn)定狀態(tài)；為了觀察變流器和電網(wǎng)之間的能量交換，向電網(wǎng)輸送多余電量，甩去了1kW次要負載。

圖1 輸出與并網(wǎng)功率

變流器獨立到并網(wǎng)時輸出電壓、電流波形如圖2所示。從圖2可知，在控制方式切換的瞬間，變流器的輸出電壓下降到286V，小于額定電壓的10%，電流下降到13.5A。

圖2 輸出電壓、電流波形(獨立到并網(wǎng))

變流器獨立到并網(wǎng)時，C相并網(wǎng)電壓、電流波形如圖3所示。

圖3 C相并網(wǎng)電壓、電流波形(獨立到并網(wǎng))

從圖3中可以看出，在0.6s時，變流器向電網(wǎng)輸送電能。這個過程中系統(tǒng)會檢測變流器輸出電壓與電網(wǎng)電壓是否滿足頻率和幅值的差值范圍。若滿足要求則閉合并網(wǎng)開關(guān)，完成并網(wǎng)切換過程[3]。

變流器切換到并網(wǎng)運行模式后，變流器的有功功率給定值是8kW，無功功率是0。除向負載供電外，變流器還可向電網(wǎng)輸送功率1kW。從仿真可以看到，在0.6s 時，變流器輸出電流無明顯變化，但是因為切掉了次要負載，導致電壓增至324V，電壓增幅為額定電壓的4%，差值在允許的范圍之內(nèi)[4]。此外，在負載驟減的瞬間，輸出電壓和電流發(fā)生輕微畸變，使得輸出無功功率有明顯的增加，經(jīng)0.03s 后恢復穩(wěn)定。從圖3可以看出，在0.6s時切換到并網(wǎng)運行模式，經(jīng)0.02s電壓、電流實現(xiàn)并網(wǎng)[5]。

2.2并網(wǎng)到獨立運行

變流器由并網(wǎng)狀態(tài)切換到獨立運行狀態(tài)時，變流器初始工作狀態(tài)是并網(wǎng)運行PQ控制模式。當電網(wǎng)故障或者由于試驗需要，變流器與大電網(wǎng)必須被斷開，轉(zhuǎn)入獨立運行模式。由上文的分析可知，切換過渡方式可以有多種。為了盡可能減小獨立運行負載電壓的波動，并且確保大電網(wǎng)故障時變流器與大電網(wǎng)解列及時且迅速，所以三相儲能變流器由并網(wǎng)運行切換到獨立運行時，首先斷開并網(wǎng)開關(guān)，然后再切換控制模式。

切換控制模式的步驟如下。首先，檢測電網(wǎng)信號，判斷是否故障，或者有離網(wǎng)運行的需求；檢測到故障或者離網(wǎng)信號后，迅速斷開并網(wǎng)開關(guān)，使變流器與電網(wǎng)解列；最后，變流器切換到獨立運行模式，轉(zhuǎn)入獨立運行狀態(tài)。根據(jù)上述切換步驟，可得出變流器該過程仿真波形。輸出與輸入電網(wǎng)功率，并網(wǎng)到獨立時輸出的電壓、電流波形以及C相并網(wǎng)電壓、電流波形分別如圖4～圖6所示。

圖4 輸出與輸入電網(wǎng)功率

圖5 輸出電壓、電流波形(并網(wǎng)到獨立)

圖6 C相并網(wǎng)電壓、電流波形(并網(wǎng)到獨立)

仿真模型中，變流器的初始工作狀態(tài)是 PQ 并網(wǎng)運行模式，變流器給定的有功功率值為8kW，無功功率為0，負載所需有功功率被設置為7kW，無功功率為0。在0.1s 時，當變流器與電網(wǎng)解列的信號發(fā)出后，并網(wǎng)開關(guān)動作斷開，將變流器與電網(wǎng)解列。為了保持切換前后功率平衡，并網(wǎng)開關(guān)斷開同時投入次要負載，大小為1kW。由圖4(b)可以看出，在0.1s 時刻，并網(wǎng)開關(guān)斷開和投入負載造成功率變化，有功功率曲線產(chǎn)生突變[6]；在0.2s 時刻，將變流器的控制策略切換成V/F控制，由于控制器參數(shù)的變化，變流器需要重新調(diào)整輸出電壓和電流，因此電壓和電流瞬時跌落到295V和16.4A[7]。從圖5可以看到，電壓、電流的變化進一步導致圖4(a)變流器輸出的有功功率驟減，有功功率下降到6kW，經(jīng)過0.035s重新輸出負載所需的功率的大小。由此可以看出，與大電網(wǎng)解列后，變流器迅速停止向電網(wǎng)輸送功率[8]。

3 結(jié)束語

本文分析了變流器平滑切換的重要性，對變流器的平滑切換技術(shù)進行了理論分析與仿真實踐，并基于MATLAB軟件、通過數(shù)學計算搭建系統(tǒng)，進行充放電的控制。仿真波形證明，該系統(tǒng)可以并網(wǎng)運行或者獨立運行，并可以實現(xiàn)兩種控制模式的平滑切換[9]。

[1] 孫欽斐，楊仁剛，周獻飛，等.基于數(shù)字鎖相環(huán)的儲能逆變器并網(wǎng)功率控制方法[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2013,29(s1)：138-142.

[2] 郭立東，伍春生，王一波，等.微電網(wǎng)儲能雙模式逆變器控制方法的研究[J].可再生能源，2013(1)：26-29.

[3] 楊傳海，肖兵.單極性SPWM調(diào)制的三相電能回饋單元設計[J].電氣傳動，2012，42(2)：30-35．

[4]YANGC,XIAOB.DesignofathreephasepowersupplyunitbasedonunipolarSPWMmodulation[J].ElectricDrive,2012,42(2):30-35.

[5]ACKERMANT,ANDERSONG,SENDERL.Distributedgeneration：adefinition[J].ElectricPowerSystemResearch，2001，57(6)：195-204.

[6] 史云浩.三相雙模式逆變器控制方法研究[D].武漢：華中科技大學，2013.

[7] 趙清林，郭小強，鄔偉揚.單相逆變器并網(wǎng)控制技術(shù)研究[J].中國電機工程學報，2007，27(16)：60-64．

[8] 劉飛.三相并網(wǎng)逆變器LCL濾波器的參數(shù)設計與研究[J].電工技術(shù)學報，2010，25(3)：110-115.

[9] 張潔瓊.高性能的電池管理系統(tǒng)[D].長春：長春理工大學，2013.

ResearchontheSmoothSwitchingofEnergyStorageConverter

ZHANG Fei，WAN Lefei，LIU Ya

(School of Information Engineering,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou014010,China)

The load controllable micro-grid system which consists of clean energy,such as solar and wind energy,has been developing rapidly; this greatly improves the reliability of the traditional power supply network.Energy storage converter system is the key system of energy transformation in the micro-grid system; it is the core for micro-grid to realize “peak clipping and valley filling,as well as surplus and deficiency adjusting”.The research on the technology of energy storage converter possesses practical significance for implementing the grid-connected and grid-disconnected operations of micro-grid,and the smooth state switching. On the basis of field investigation for wind power plants and photovoltaic power plants,the smooth switching of energy storage converter is researched.Having been analyzing the topologic structure of energy storage converter,the mathematical models of three-phase energy storage converter under different operating states are established respectively.By using dual loop control structure,the reasons of voltage and current distortions during the switching process of energy storage converter are analyzed specifically.In switching process,the common current control mode may reduce the distortions of voltage and current.The simulation result of smooth switching proves that the system can achieve smooth transition between different modulation modes.

Micro-grid; Energy storage; Converter; Peak clipping and valley filling; Independent operation; Grid connected operation; Smooth switching; Smooth transition

TH7;TP17

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201710009

修改稿收到日期:2017-04-25

張飛(1982—)，男，碩士，講師，主要從事新能源技術(shù)的研究。E-mail3555153@qq.cm。

萬樂斐(通信作者)，男，在讀碩士研究生，主要從事變流器的開發(fā)工作。E-mail:1104691235@qq.com。