基于雙環(huán)解耦控制的光儲一體化變流器設(shè)計

張旭峰 俞嘯玲 趙莉莉 孫亮

摘 要：隨著微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，基于光伏發(fā)電系統(tǒng)的集成式儲能裝置得到了廣泛關(guān)注，針對其并/離網(wǎng)工作模式的需求提出了一種光儲一體化變流器的設(shè)計方案。首先總結(jié)了光儲一體化變流器的工作原理，包括光伏側(cè)、儲能側(cè)和負(fù)載側(cè)變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計;在此基礎(chǔ)上對負(fù)載側(cè)變換器采用雙環(huán)解耦控制策略，保證了系統(tǒng)在工作運行時的穩(wěn)定性;最后通過仿真驗證表明，該設(shè)計系統(tǒng)在并/離網(wǎng)模式下均具有較好的穩(wěn)態(tài)性能并且能夠?qū)崿F(xiàn)快速穩(wěn)定的模式切換，具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：光儲一體化;變流器;并/離網(wǎng);雙環(huán)解耦

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.185

0 引言

微電網(wǎng)系統(tǒng)主要由分布式電源、負(fù)荷、儲能裝置、變流器以及監(jiān)控保護裝置組成，其中，儲能裝置作為微電網(wǎng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，能夠?qū)μ柲?、風(fēng)能等具有間歇性的可再生能源進行存儲[1-2]。因此，隨著微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，基于光伏發(fā)電系統(tǒng)的集成式儲能裝置得到了廣泛關(guān)注。

本文提出了一種光儲一體化變流器的設(shè)計方案，逆變器基于三電平T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3-4]，采用雙環(huán)解耦控制方法，實現(xiàn)了光儲一體化變流器并/離網(wǎng)模式下的穩(wěn)定運行。

1 光儲一體化變流器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)的光伏儲能發(fā)電系統(tǒng)主要由多個變流器構(gòu)成，而光儲一體化變流器則是將這些變流器集成為一體，主要由光伏側(cè)和儲能側(cè)的兩個DC/DC變換器，負(fù)載側(cè)的DC/AC變換器組成。其中，光伏側(cè)變換器采用BOOST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將光伏組件產(chǎn)生的電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髂妇€所需電壓;儲能側(cè)變換器采用BUCK-BOOST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使能量能夠雙向流動，當(dāng)變換器工作在BUCK電路時，裝置為蓄電池充電，當(dāng)變換器工作在BOOST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時，蓄電池向直流母線充電，維持母線電壓恒定;DC/AC變換器采用T型三電平拓?fù)?，根?jù)電網(wǎng)工作的工作狀態(tài)能夠分別在并網(wǎng)模式和離網(wǎng)模式下運行。

2 光儲一體化變流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 光伏側(cè)BOOST電路拓?fù)?/p>

光儲一體化變流器光伏側(cè)變換器基于BOOST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示，用于將光伏組件產(chǎn)生的電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榫S持直流母線所需要的電壓。假設(shè)電感和電容的值為無窮大，當(dāng)可控開關(guān)閉合時，向充電，起到儲能作用;當(dāng)可控開關(guān)關(guān)斷時，起到泵生電壓的作用，和同時對電容充電并向負(fù)載供電，用于維持負(fù)載側(cè)的電壓。

2.2 儲能側(cè)BUCK-BOOST電路拓?fù)?/p>

儲能側(cè)變換器基于BUCK-BOOST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)可控開關(guān)保持閉合狀態(tài)時，變換器工作在BUCK模式，通過控制的開關(guān)狀態(tài)使系統(tǒng)為蓄電池提供充電電壓，即當(dāng)閉合時，由直流母線向蓄電池充電，電感儲能，當(dāng)關(guān)斷時，釋放能量;當(dāng)可控開關(guān)保持閉合狀態(tài)時，變換器工作在BOOST模式，通過控制的開關(guān)狀態(tài)使蓄電池為母線電容充電并向負(fù)載供電。

2.3 負(fù)載側(cè)T型三電平電路拓?fù)?/p>

圖2是T型三電平拓?fù)涞幕窘Y(jié)構(gòu)[4]，主要用于光儲一體化變流器的逆變或整流環(huán)節(jié)，由12個可控開關(guān)組成，根據(jù)可控開關(guān)的關(guān)斷可以輸出三種電平。表1是以A相為例的T型三電平變流器的開關(guān)狀態(tài)表，其中P、O、N分別表示橋臂輸出端與直流側(cè)正端、中性點、負(fù)端相連的狀態(tài)。當(dāng)裝置工作在并網(wǎng)運行狀態(tài)時，變流器將電網(wǎng)的輸入電流整定在直流母線上，為蓄電池充電，實現(xiàn)整流功能;當(dāng)裝置工作在離網(wǎng)狀態(tài)時，變流器將光伏組件和蓄電池對直流母線施加的電壓進行逆變，輸出三相電流為負(fù)載供電，實現(xiàn)逆變功能。

3 光儲一體化變流器控制策略設(shè)計

系統(tǒng)在并網(wǎng)和離網(wǎng)模式下正常工作是光儲一體化變流器穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，其整體控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。T型三電平變流器與直流母線相連，經(jīng)LC濾波器連接至大電網(wǎng)及負(fù)載，變流器側(cè)的三相電流經(jīng)過電流控制環(huán)節(jié)，獲得高質(zhì)量的輸出波形。為了保證直流母線中點電位的平衡并降低開關(guān)算法的復(fù)雜程度，采用改進后的60°SVPWM算法，輸出脈沖控制開關(guān)管的關(guān)斷。當(dāng)系統(tǒng)運行在并網(wǎng)模式時，蓄電池根據(jù)剩余容量（SOC）進行充電;當(dāng)系統(tǒng)運行在離網(wǎng)模式時，光伏組件根據(jù)光照強度和溫度，采用MPPT控制策略獲取最大功率點電壓，將輸入電壓通過BOOST變換器為直流母線和蓄電池充電。

4 雙環(huán)解耦控制策略

為滿足光儲一體化變流器的并/離網(wǎng)需求，負(fù)載側(cè)AC/DC變換器根據(jù)運行方式分別采用不同的控制策略，如圖4所示。當(dāng)孤島運行時，采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)控制策略，即V/f控制，電壓外環(huán)選取變流器側(cè)三相電壓，用于確保交流側(cè)三相電壓的穩(wěn)定和確定指令電流的參考值，電流內(nèi)環(huán)選取電感電流，用于實現(xiàn)電流的快速跟蹤;當(dāng)并網(wǎng)運行時，采用功率外環(huán)電流內(nèi)環(huán)控制策略，即P/Q控制，功率外環(huán)經(jīng)PI控制為內(nèi)環(huán)提供參考電流，兩種狀態(tài)根據(jù)公共耦合點PCC的接收信號進行切換。然后實際電流與參考電流的差值經(jīng)過PI控制與電流的交叉耦合項進行比較，得到dq軸輸出電壓、，根據(jù)派克反變換計算三相輸出電壓，并通過SVPWM調(diào)制單元得到變流器的觸發(fā)脈沖，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與快速響應(yīng)。

5 仿真驗證

為了驗證光儲一體化變流器在并/離網(wǎng)模式下系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在Simulink中搭建光儲一體化變流器的系統(tǒng)模型，分別為光儲一體化變流器由并網(wǎng)切換到孤島和孤島切換到并網(wǎng)時的輸出波形，均在0.5s開始切換?？梢钥闯觯鈨σ惑w化變流器在孤島和并網(wǎng)工作模式下均保持較好的穩(wěn)定特性，兩種模式的電壓和電流切換過程快速穩(wěn)定，系統(tǒng)工作運行正常，具有較好的穩(wěn)態(tài)性能及動態(tài)響應(yīng)。

6 結(jié)論

本文在分析光儲一體化變流器基本原理的基礎(chǔ)上，對光儲一體化變流器的電路拓?fù)溥M行了設(shè)計，根據(jù)并/離網(wǎng)運行要求，采用雙環(huán)解耦方法對逆變器側(cè)進行控制，并進行了仿真性能的驗證。實驗表明本方案設(shè)計的光儲一體化變流器具有較好的穩(wěn)態(tài)性能及動態(tài)響應(yīng)，能夠滿足并離網(wǎng)運行需求，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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