在線供電模式的移動(dòng)儲(chǔ)能裝置控制策略研究

(國(guó)網(wǎng)寧德供電公司，福建 寧德 352100)

1 引言

為了保證重要場(chǎng)所的供電可靠性，廣泛采用了移動(dòng)式應(yīng)急電源車，移動(dòng)式應(yīng)急電源車在政治保電、城市電網(wǎng)應(yīng)急、對(duì)抗重大自然災(zāi)害以及電力緊缺地區(qū)臨時(shí)用電等中發(fā)揮了很大的作用，雖然目前儲(chǔ)能技術(shù)有了很大的進(jìn)展，國(guó)內(nèi)外在儲(chǔ)能系統(tǒng)并離網(wǎng)切換上的研究有了很大的進(jìn)展，但是要做到真正地?zé)o縫切換還是很困難的，尤其是對(duì)于更大功率的儲(chǔ)能裝置系統(tǒng)。本文所研究的儲(chǔ)能裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載不間斷供電。在線供電模式的移動(dòng)儲(chǔ)能裝置能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)載的不間斷供電[1]。這對(duì)于國(guó)家政治和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都有特別重大的意義。

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

大容量移動(dòng)式儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)鋄2-3]如圖1所示，主要由儲(chǔ)能單元、交直流變換單元以及監(jiān)控系統(tǒng)三部分構(gòu)成。

3 儲(chǔ)能裝置控制策略

3.1 并網(wǎng)模式下控制策略

PCS并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，直接采用電網(wǎng)頻率和電壓作為支撐，可根據(jù)需要對(duì)輸入輸出功率、直流側(cè)電壓或充放電電流進(jìn)行有效控制[4-6]。

(1)恒功率充放電控制

恒功率(P/Q)控制的目的是使儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出的有功和無(wú)功功率維持在其參考值附近。儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，直接采用電網(wǎng)頻率和電壓作為支撐，根據(jù)上級(jí)控制器發(fā)出的有功和無(wú)功參考值指令，儲(chǔ)能變流器按照P/Q控制策略實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功功率控制，其有功功率控制器和無(wú)功功率控制器可以分別調(diào)整有功和無(wú)功功率輸出，按照給定參考值輸出有功和無(wú)功功率，以使儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率維持恒定。P/Q控制框圖如圖2所示。

圖1 儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖2 P/Q控制框圖

圖2中，Pref、Qref分別為功率給定參考值；P、Q分別為功率實(shí)測(cè)值；idref、iqref分別為交流側(cè)電流dq軸分量的參考值；id、iq分別為交流側(cè)電流dq軸分量的實(shí)際值；ud、uq分別為逆變器輸出電壓dq軸分量的實(shí)際值；udl、uql分別為逆變器輸出電壓dq軸分量的參考值；L為交流側(cè)耦合電感；θ為電壓初始相位角。

要實(shí)現(xiàn)上述控制，首先要進(jìn)行有功和無(wú)功的解耦，將AC/DC變流器輸出的三相ABC坐標(biāo)系中的電壓電流分量變換到同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中的分量，并使q軸電壓分量uq=0，則逆變器輸出功率可以表示為：

(1)

功率給定參考值Pref、Qref與實(shí)際測(cè)量值P、Q之間的差值在PI調(diào)節(jié)器作用下，為逆變器輸出電流提供參考值idref、iqref。輸出電流參考值和電流實(shí)際值id、iq的差值在PI調(diào)節(jié)器作用下，為逆變器輸出電壓提供參考分量，同時(shí)，根據(jù)逆變器出口濾波電感參數(shù)L，計(jì)算dq軸電壓耦合分量ωLid、ωLiq，通過(guò)疊加，得到逆變器輸出電壓參考值udl、uql，再經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換，將其轉(zhuǎn)化為三相abc坐標(biāo)分量，對(duì)逆變器進(jìn)行控制。

(2)直流側(cè)恒壓控制

儲(chǔ)能變流器直流側(cè)恒壓控制的目的是使儲(chǔ)能系統(tǒng)直流母線電壓維持在參考值附近。外環(huán)采用直流電壓PI調(diào)節(jié)，維持電池電壓的恒定。電壓給定值為儲(chǔ)能電池允許的電壓值，電壓實(shí)際值由測(cè)量元件直接測(cè)得直流母線電壓。恒壓控制框圖如圖3所示。

圖3 AC-DC的恒壓控制框圖

圖3中，Vref為直流電壓參考值；Vdc為直流電壓實(shí)測(cè)值；其余變量含義與圖2中相同。

電流內(nèi)環(huán)無(wú)功電流的參考值由有功電流參考值和功率因數(shù)求?。?/p>

(2)

直流電壓參考值Vref與實(shí)際測(cè)量值Vdc之間的差值在PI調(diào)節(jié)器作用下，為逆變器輸出d軸電流提供參考idref。q軸電流參考值由式(2)計(jì)算得到。輸出電流參考值和電流實(shí)際值id、iq的差值在PI調(diào)節(jié)器作用下，為逆變器輸出電壓提供參考分量，同時(shí)，根據(jù)逆變器出口濾波電感參數(shù)L，計(jì)算dq軸電壓耦合分量ωLid、ωLiq，通過(guò)疊加，得到逆變器輸出電壓參考值udl、uql，再經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換，將其轉(zhuǎn)化為三相abc坐標(biāo)分量，對(duì)儲(chǔ)能變流器進(jìn)行控制。

(3)直流側(cè)恒流控制

儲(chǔ)能變流器直流側(cè)恒流控制的目的是使儲(chǔ)能系統(tǒng)直流母線電流維持在參考值附近。外環(huán)采用直流電流PI調(diào)節(jié)，維持儲(chǔ)能電池輸入/輸出電流的恒定。電流給定值必須在儲(chǔ)能電池允許范圍內(nèi)，實(shí)際值由測(cè)量元件直接測(cè)得。恒流控制框圖如圖4所示。

圖4中Iref為直流電流參考值；Idc為直流電流實(shí)測(cè)值；其余變量含義與圖2中相同。

3.2 離網(wǎng)模式下控制策略

PCS離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，獨(dú)立為負(fù)荷供電，通常采用電壓/頻率(V/f)控制方法，控制交流側(cè)的電壓和頻率為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓和頻率支撐。V/f控制的基本思想是無(wú)論儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率如何變化，其出口電壓的幅值和頻率均不會(huì)發(fā)生變化。

圖4 恒流控制框圖

本次設(shè)計(jì)中采用電壓電流雙閉環(huán)控制，以輸出電壓為外環(huán)控制，濾波電感電流為內(nèi)環(huán)控制，如圖5所示。圖5中，uref為給定電壓參考值；udref、uqref分別電壓參考值的dq分量；idref、iqref分別為交流側(cè)電流dq軸分量的參考值；id、iq分別為交流側(cè)電流dq軸分量的實(shí)際值；Vd、Vq分別為逆變器輸出電壓dq軸分量的實(shí)際值；Vsd、Vsq分別為逆變器輸出電壓dq軸分量的參考值；Ls為交流側(cè)耦合電感；f為給定頻率指令；ω為電壓初始電角度；θ為電壓相位角。

該控制策略，在電壓閉環(huán)的基礎(chǔ)上，又增加了電流內(nèi)環(huán)，實(shí)現(xiàn)了既對(duì)輸出電壓有效值進(jìn)行控制，又對(duì)輸出電流的波形進(jìn)行控制。電壓外環(huán)控制為交流側(cè)提供電壓支撐，電感電流內(nèi)環(huán)控制能夠快速跟蹤負(fù)荷變化，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

圖5 電壓電流雙閉環(huán)控制框圖

4 系統(tǒng)仿真與分析

以250kW儲(chǔ)能裝置為例進(jìn)行仿真研究，仿真電路如圖6所示。

為了驗(yàn)證在線供電模式的移動(dòng)儲(chǔ)能裝置控制策略的正確性，通過(guò)MATLAB/Simulink仿真軟件對(duì)儲(chǔ)能裝置系統(tǒng)進(jìn)行仿真[7]。主要是對(duì)以下三種情況進(jìn)行仿真研究：電網(wǎng)電壓正常，電網(wǎng)電壓不正常，離網(wǎng)運(yùn)行。其中電網(wǎng)電壓不正常中的電網(wǎng)電壓突然斷電的情況最能體現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)不間斷供電的作用。

圖6 在線供電模式的移動(dòng)儲(chǔ)能裝置仿真電路

4.1 電網(wǎng)電壓正常

圖7和圖8為并網(wǎng)充電滿載運(yùn)行時(shí)電池電流、電網(wǎng)電流和直流母線電壓的仿真波形。由圖7可見(jiàn)，在電網(wǎng)電壓正常時(shí)，電池電流和電網(wǎng)電流均正常；由圖8可見(jiàn)，在滿載充電情況下，直流側(cè)端電壓略低于750V。穩(wěn)態(tài)時(shí)，直流電壓波動(dòng)峰峰值為2V，直流電壓紋波為0.27%，滿足紋波要求。

注：圖中Vc為電網(wǎng)電壓；Ig為電網(wǎng)側(cè)電流；Ibat為電流側(cè)電流；Udc為直流母線電壓。圖7 充電時(shí)電網(wǎng)電流與充電電流波形

圖8 充電時(shí)的直流母線電壓波形

4.1.1 電網(wǎng)電壓不正常

電網(wǎng)電壓不正常包括電網(wǎng)電壓突變和過(guò)欠壓、三相不平衡、電網(wǎng)電壓含諧波。

①網(wǎng)電壓突變和過(guò)欠壓

圖9所示為充電時(shí)電網(wǎng)電壓突變以及過(guò)欠壓時(shí)候的電網(wǎng)電流和電池電流波形，在0.1s前電網(wǎng)電壓正常，0.1s時(shí)電網(wǎng)電壓突升為正常電壓的115%，0.2s時(shí)突降為正常電壓的85%?？梢钥吹皆陔娋W(wǎng)電壓突升突降時(shí)電池電流均有一定的振蕩，但震蕩幅值較小，在10ms以內(nèi)能恢復(fù)穩(wěn)定，系統(tǒng)仍然能夠正常工作。電網(wǎng)過(guò)壓和欠壓恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)的電流諧波畸變率分別為2.51%、2.13%。均能滿足諧波畸變率的要求。

圖9 電壓突變時(shí)電網(wǎng)電流和電池電流波形

②網(wǎng)電壓不平衡

圖10所示為電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)的電池電流和并網(wǎng)電流波形，由于不平衡時(shí)電壓中有很大的負(fù)序分量，可以看到輸出三相電流略有不平衡，且THD=4.66%。由于負(fù)序電壓會(huì)產(chǎn)生高一次的功率波動(dòng)，導(dǎo)致直流側(cè)電池電流出現(xiàn)了較高的2次電流紋波，電流紋波為5.22A?？梢栽谥噶钪凶⑷胍欢ǖ呢?fù)序電流，保證負(fù)序電流和正序電壓的乘積與正序電流和負(fù)序電壓乘積相差180度，從而相互抵消。

圖10 電壓不平衡時(shí)電網(wǎng)電流和電池電流波形

③電網(wǎng)電壓含大量諧波

圖11所示為電網(wǎng)電壓中存在6%5次諧波，5%7次諧波時(shí)的電網(wǎng)電流和電池電流波形?？梢钥吹诫娋W(wǎng)電流中5、7次電流諧波明顯增加，并網(wǎng)電流THD=3.96%，仍能滿足5%要求。電網(wǎng)電壓含有較大的5、7次諧波時(shí)，在直流側(cè)主要引起6次(300Hz)的電池電流紋波，因此可以在直流母線電容旁并聯(lián)一個(gè)諧振頻率為300Hz的LC串聯(lián)諧振回路，用來(lái)吸收300Hz的電流紋波。由圖可見(jiàn)，在直流側(cè)加入諧振回路后，諧振回路將電池電流中的300Hz紋波吸收，電池電流紋波在4A以內(nèi)，和電網(wǎng)正常時(shí)電池電流紋波大小相同。

圖11 電壓含諧波時(shí)電網(wǎng)電流和電池電流波形

④電網(wǎng)電壓突然斷電

圖12為系統(tǒng)滿載運(yùn)行，電網(wǎng)電壓突然斷電時(shí)電池電流和電網(wǎng)電流以及負(fù)載電壓電流的仿真波形。先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行充電啟動(dòng)，0.2s時(shí)斷開(kāi)電網(wǎng)電壓，0.4s重新接入電網(wǎng)電壓。由圖12可見(jiàn)，電池電流基本沒(méi)有超調(diào)。由圖14可見(jiàn)三相負(fù)載端電壓在電網(wǎng)電壓斷開(kāi)瞬間稍有波動(dòng)，但是并不影響負(fù)載正常運(yùn)行，輸出電流影響甚微，系統(tǒng)正常運(yùn)行。

圖15為放電時(shí)充電電流波形。由圖(a)、(b)可知放電電流含有較大的25Hz(0.62A)、150Hz(0.41A)，300Hz(0.37A)、2850Hz(0.24A)、3150Hz(0.2A)電流紋波，電流總的紋波小于3A，直流電流紋波為0.7%，滿足紋波要求。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了在線供電模式的移動(dòng)儲(chǔ)能裝置的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)能夠保證系統(tǒng)的不間斷供電，保證了系統(tǒng)的供電可靠性，對(duì)變流器并網(wǎng)、離網(wǎng)控制策略進(jìn)行分析研究，介紹變流器的并/離網(wǎng)控制方式，根據(jù)儲(chǔ)能電站并/離網(wǎng)特點(diǎn)，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，直接采用電網(wǎng)頻率和電壓作為支撐，可根據(jù)需要對(duì)輸入輸出功率、直流側(cè)電壓或充放電電流進(jìn)行有效控制。PCS離網(wǎng)時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)獨(dú)立為負(fù)荷供電，通常采用電壓/頻率(V/f)控制方法，控制交流側(cè)的電壓和頻率為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓和頻率支撐。運(yùn)用MATLAB/Simulink軟件對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓正常，電網(wǎng)電壓不正常進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，在電網(wǎng)電壓不正常的情況下，儲(chǔ)能系統(tǒng)仍能正常工作，保證負(fù)載不間斷運(yùn)行，驗(yàn)證了儲(chǔ)能控制策略的有效性。

圖12 電網(wǎng)電流與電池電流波形

圖13 直流母線電壓波形

圖14 三相負(fù)載端電壓和輸出電流波形

圖15 放電時(shí)的充電電流波形