PQ型儲能變流器在MATALAB中的仿真分析

許冰冰， 張占鋒， 張智勇， 李自明， 錢 進(jìn)

(1.國網(wǎng)安慶供電公司， 安徽 安慶 246000;2.喀什大學(xué) 物理與電氣工程學(xué)院， 新疆 喀什 844000;3.國網(wǎng)桐鄉(xiāng)市供電有限公司， 浙江 桐鄉(xiāng) 314500)

0 引言

可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用可以改善環(huán)境、解決能源危機(jī)等問題。然而，這種清潔能源易受氣象環(huán)境影響，輸出功率具有波動性，給微電網(wǎng)及負(fù)荷帶來不可忽視的負(fù)面影響。儲能系統(tǒng)可以平抑微電網(wǎng)功率波動，提高微電網(wǎng)抗擾動能力，強(qiáng)化區(qū)域電網(wǎng)的供電可靠性和安全性[1,2]。因此，儲能系統(tǒng)在可再生能源高比例接入的微電網(wǎng)中應(yīng)用具有非常重要的現(xiàn)實意義和工程價值。

目前，針對儲能系統(tǒng)應(yīng)用于微電網(wǎng)的研究，國內(nèi)外相關(guān)專家主要側(cè)重于儲能電池、變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的理論建模、儲能容量的優(yōu)化配置以及儲能系統(tǒng)離網(wǎng)/并網(wǎng)切換控制策略的理論研究，而將變流器控制策略應(yīng)用于實際模型中的仿真分析研究較少。文獻(xiàn)[3,4]為提高風(fēng)光儲微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益，提出一種同時考慮源、荷的隨機(jī)不確定性與預(yù)測誤差不確定性的微電網(wǎng)儲能容量協(xié)同優(yōu)化方法。文獻(xiàn)[5-7]針對儲能變流器，提出了一種基于混合控制器的雙閉環(huán)控制器，該控制器比傳統(tǒng)控制器的控制效果更優(yōu)化，具有更好的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能且抗干擾能力強(qiáng)。文獻(xiàn)[8-12]從變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略出發(fā)，提出一種新型的DC/DC變換器，采用優(yōu)化的控制系統(tǒng)，提升變換器的性能。針對上述問題，文章側(cè)重于對微電網(wǎng)儲能變流器控制策略的模型仿真，通過在Matlab/Simulink中搭建詳細(xì)的仿真模型，驗證PQ型儲能變流器控制策略的有效性。

為適應(yīng)高比例可再生能源接入微電網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展需要，研究儲能在微電網(wǎng)中的控制策略顯得尤為重要。文章基于Matlab/Simulink仿真平臺搭建了PQ型儲能變流器并網(wǎng)仿真模型，通過模擬微電網(wǎng)的功率波動，對PQ型儲能變流器的功率控制特性進(jìn)行仿真分析。

1 PQ型儲能變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

典型的PQ型儲能變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(含變壓器)如圖1所示。

圖1 PQ型儲能變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖中，Va，Vb，Vc為逆變器交流側(cè)輸出電壓，ia，ib，ic為逆變器并網(wǎng)輸出電流，ea，eb，ec為電網(wǎng)電壓，L為輸出濾波電感及變壓器一次側(cè)漏感，L′為電網(wǎng)及變壓器二次側(cè)漏感，r為逆變器輸出等效電阻，r′為電網(wǎng)等效電阻，T為Y/Δ隔離變壓器。

2 PQ型儲能變流器的控制策略

在dq坐標(biāo)系下，三相逆變器電流內(nèi)環(huán)控制方程為:

(1)

其中，usd、usq逆變器參考電壓，kp、ki制器參數(shù)，ω為電網(wǎng)角頻率。

由式(1)可以看出，d軸電流和q軸電流可以實現(xiàn)獨立控制。由并網(wǎng)逆變器在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合瞬時無功功率理論，采用等幅值變換的方法，可以計算得到三相逆變器在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下輸出的有功瞬時功率和無功瞬時功率表達(dá)式如式(2)所示：

(2)

其中P為有功功率，Q為無功功率，ud、uq為ua、ub、uc在dq坐標(biāo)系上的等效分量，id、iq分別為電感電流iaL、ibL、icL在dq坐標(biāo)系上的等效分量，矩陣求逆的d、q軸電流指令值idref、iqref。

(3)

如果將d軸定向在三相靜止坐標(biāo)的a軸，q軸垂直于d軸，那么ud等于輸出電壓的絕對值，uq等于0，所示式(4)可表示為

(4)

由以上分析可知，當(dāng)給定有功功率和無功功率時可以實現(xiàn)功率解耦控制，在需要有功功率跟蹤時，可以將無功功率指令值設(shè)為零；在需要無功補(bǔ)償時，可以將有功功率給定值設(shè)置為零。根據(jù)分析，可得到PQ型并網(wǎng)逆變器控制框圖如圖2所示。

圖2 PQ型儲能變流器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為使并網(wǎng)系統(tǒng)的有功功率輸出達(dá)到最大，PQ型三相并網(wǎng)逆變器根據(jù)瞬時功率表達(dá)式得出電流d軸和q軸分量參考值idref，iqref，然后電流參考值與其實際值id，iq的偏差經(jīng)過PI控制器并加上補(bǔ)償分量，得到電壓參考值，作為SPWM脈沖發(fā)生器的參考電壓。必須采用鎖相技術(shù)控制輸出電流的頻率、相位與電網(wǎng)電壓嚴(yán)格同步。經(jīng)過SPWM模塊后，輸出6路SPWM控制信號，從而實現(xiàn)對光伏并網(wǎng)逆變器的控制。

3 PQ型儲能并網(wǎng)系統(tǒng)整體仿真模型

圖3是在Matlab/Simulink中實現(xiàn)的PQ型儲能系統(tǒng)整體模型，包括鉛酸蓄電池模型、儲能雙向DC/DC充放電控制器模型和PQ型并網(wǎng)逆變器模型。

圖3 PQ型儲能并網(wǎng)系統(tǒng)整體仿真模型

4 仿真分析

系統(tǒng)模型的參數(shù)與仿真條件為：儲能鉛酸蓄電池額定電壓320 V，容量為200 Ah，SOC設(shè)定初值為50%；儲能系統(tǒng)DC/DC充放電控制器輸入側(cè)直流電壓320 V，輸出側(cè)直流電壓750 V。變壓器采用240/380 V三角形/星形Dyn11接法。

根據(jù)儲能系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行的主要功能，設(shè)定有功功率波動指令實現(xiàn)有功功率跟蹤，此時可以將無功功率設(shè)置為零。圖4、圖5、圖6是鉛酸蓄電池儲能系統(tǒng)功率跟蹤波形圖。圖中模擬光伏電源出力短期功率波動，將波動功率作為功率跟蹤指令。

圖4 并網(wǎng)功率跟蹤仿真波形

圖5 并網(wǎng)功率跟蹤時電壓電流波形

圖4是儲能系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行控制交換功率波動時的功率跟蹤仿真波形。圖中功率指令分別為10 kW、100 kW、0 kW、-100 kW、20 kW、100 kW，功率變化時間間隔為0.5 s，正值功率表示儲能系統(tǒng)發(fā)出功率，補(bǔ)償交換功率波動，鉛酸蓄電池處于放電狀態(tài)，負(fù)值功率表示儲能系統(tǒng)吸收功率，吸收交換功率波動，鉛酸蓄電池處于充電狀態(tài)。從仿真波形可以看出，儲能系統(tǒng)可較好地跟蹤功率指令，且可控制無功功率為零。圖5是功率跟蹤時的逆變器輸出的三相電壓電流波形。仿真波形中電壓波形穩(wěn)定，電流跟隨輸出功率的大小而改變。圖6是儲能系統(tǒng)并網(wǎng)時鉛酸蓄電池的SOC、電池輸出電流、電池輸出電壓波形圖。從仿真波形中可以看出，鉛酸蓄電池的SOC、電流和電壓跟隨功率指令的變化而變化。

圖6 并網(wǎng)功率跟蹤時鉛酸蓄電池波形圖

5 結(jié)論

文章基于Matlab/Simulink仿真平臺搭建了PQ型儲能變流器并網(wǎng)仿真模型，通過模擬微電網(wǎng)的功率波動，對PQ型儲能變流器的功率控制特性進(jìn)行仿真分析，可知，PQ型儲能變流器可以實現(xiàn)輸出功率的快速可控，有效跟蹤平抑微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時與主電網(wǎng)交換功率出現(xiàn)的功率波動，提高可再生能源的并網(wǎng)接入能力以及電網(wǎng)的穩(wěn)定性。