基于LC串聯(lián)型儲能變換器的狀態(tài)反饋控制策略研究

王逸超 歐明勇 陳仲偉 馬伏軍

摘? ?要：為了滿足新能源電站的無功需求，提出了一種LC串聯(lián)濾波型變換器. 以三相380 V/30 kW并網(wǎng)變換器為例，相比傳統(tǒng)的L和LC型濾波器結(jié)構(gòu)，所提變換器結(jié)構(gòu)能夠在保持變換器輸出無功功率能力的同時，降低系統(tǒng)直流工作電壓約為原變換器的71%，釋放了系統(tǒng)12%的有源容量，同時效率相比原濾波結(jié)構(gòu)有6%的提升. 此外，基于LC變換器的離散狀態(tài)模型，提出了一種基于LC串聯(lián)濾波器型變換器的狀態(tài)控制方法，有效地提升了LC串聯(lián)濾波器在諧振頻率處的系統(tǒng)阻尼.最后在PSIM中搭建了LC型變換器的仿真模型，驗證了LC濾波型變換器的優(yōu)勢和狀態(tài)反饋控制策略的可行性.

關(guān)鍵詞：儲能變換器;LC串聯(lián)濾波;狀態(tài)反饋控制;PR控制

Abstract：In order to meet the reactive power demand of new energy power stations， an LC series filter converter is proposed in this paper. Taking the three-phase 380 V / 30 kW grid converter as an example， compared with the traditional L and LC filter structure， the proposed converter structure can reduce about 71% of the original converter system DC voltage and release 12% of? the active capacity while maintaining the converter output reactive power capacity. And the efficiency is improved by 6% when compared with the original filter structure. In addition，based on the discrete state model of LC converter， a state control method based on LC series filter type converter is proposed， which effectively improves the system damping of LC series filter at the resonant frequency. Finally， a simulation model of LC converter is established in PSIM to verify the advantages of LC filter converter and the feasibility of the state feedback control strategy.

Key words：energy storage converter;LC series filtering;state feedback control;PR control

隨著國家大力倡導新能源的發(fā)展，越來越多的電力電子裝置接入大電網(wǎng). 分布式發(fā)電的大量滲透，嚴重損害了配電網(wǎng)的電能質(zhì)量，產(chǎn)生了一系列的負面影響. 如：電流的劇烈變化引起的瞬變;發(fā)電機有功和無功功率變化引起的長時間電壓變動;諧波頻率范圍擴大甚至產(chǎn)生諧振等[1-4].

針對以上問題，文獻[5]采用多臺APF并聯(lián)運行來抑制微網(wǎng)諧波問題. 文獻[6]提出了APF、SVC聯(lián)合運行的方式完成系統(tǒng)的無功補償和諧波治理，保證了分布式電源系統(tǒng)并網(wǎng)的可靠性. 文獻[7-8]則提出可以通過靜止同步補償器（STATCOM）動態(tài)地向電網(wǎng)注入感性或容性無功功率，快速抑制電壓擾動，適用于風電場的無功補償. 文獻[9-12]則指出微電網(wǎng)中可以通過微電源接口變流器的復合控制以及采用相應(yīng)的控制策略實現(xiàn)微電網(wǎng)電能質(zhì)量主動控制.針對大功率補償，文獻[13]研究一種級聯(lián)型SVG的不平衡補償控制策略，解決負序補償時電壓不平衡問題.

電池儲能系統(tǒng)可以精準快速地參與電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)，并且擁有功率密度大、地理限制因素少、功率交互迅速、運行損耗小等優(yōu)點，可以應(yīng)用于大電網(wǎng)的削峰填谷、新能源消納、無功補償、調(diào)壓調(diào)頻等多個場合.儲能變換器裝置是儲能與大電網(wǎng)連接的重要組件，因此高效率、高可靠性的儲能變換器裝置將推進儲能系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用.

其中輸出濾波器結(jié)構(gòu)的選取影響著儲能變換器的輸出容量，從已有的文獻可知，L型和LCL型濾波器應(yīng)用最為廣泛，LCL型濾波器減小了濾波器的體積[14-15]，但在控制系統(tǒng)中引入了諧振，增加了控制難度.為了提高儲能變換器利用率，文獻[16]提出了一種新型的LC串聯(lián)型的輸出濾波結(jié)構(gòu)應(yīng)用于PWM整流器;在電能質(zhì)量補償方面，相比傳統(tǒng)L型濾波結(jié)構(gòu)，提升了系統(tǒng)的有源容量.

綜上所述，大容量的儲能變換器研究一般從裝置的拓撲結(jié)構(gòu)和控制方法入手.考慮到傳統(tǒng)的L濾波式儲能變換器只通過一個電感與電網(wǎng)連接，無法充分利用裝置的有源容量，本文研究一種新型的LC串聯(lián)濾波式儲能變換器，這種LC串聯(lián)濾波結(jié)構(gòu)可以在保持變換器輸出無功能力的同時，降低系統(tǒng)的工作電壓，提高了系統(tǒng)的有源容量和效率.

1? ?LC串聯(lián)濾波型儲能變換器工作原理

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.首先分析LC串聯(lián)濾波型儲能變換器的工作原理.

由于光伏、風電等新能源系統(tǒng)的輸出功率具有隨機性和波動性，且風力發(fā)電會向系統(tǒng)注入無功功率，導致系統(tǒng)無功和有功功率的波動，從而引起系統(tǒng)電壓和頻率的波動和變化. 為此，這里將研究一種LC串聯(lián)濾波型儲能變換器，變換器的輸出濾波器是一種電感和電容串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，各相鏈節(jié)均經(jīng)過這種LC串接式濾波裝置與大電網(wǎng)相連.如圖1所示，各相鏈節(jié)均為H橋結(jié)構(gòu)，H橋的直流側(cè)可以連接儲能電池來調(diào)節(jié)系統(tǒng)有功功率，從而實現(xiàn)系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié);也可以不接電池，僅作為功率補償器進行無功補償用. 由于濾波裝置等價于在變換器的輸出濾波支路上額外串接了一個電容C，不僅濾波裝置本身可為大電網(wǎng)提供一部分容性無功功率，而且與常規(guī)L型相比，可使變換器的直流側(cè)電壓有效降低. 在大容量應(yīng)用場合，可以減少變換器模塊級聯(lián)的數(shù)量，提升變換器的有源容量和運行效率.

圖1中，isa，isb，isc為三相電網(wǎng)電流;ila，ilb，ilc為三相負載電流，ica，icb，icc為變換器輸出線電流，iab，ibc，ica則為變換的輸出相電流.各相鏈節(jié)承受線電壓，各相之間相互獨立，建立圖2所示單相等效電路分析LC型儲能變換器的工作原理.

其中Usx代表各鏈節(jié)電網(wǎng)電壓矢量，Ux（x = ab，bc，ca）分別為變換器輸出電壓矢量，Ix為變換器的相電流矢量，ZL為傳統(tǒng)L型濾波器的阻抗，ZLC則為 LC型輸出濾波器的阻抗. 圖2所示的等效電路，考慮變換器的輸出有功和無功電流，電網(wǎng)線電壓與鏈節(jié)相電流的相位差并非π/2，圖3（a）為采用L型輸出濾波裝置的變換器的電壓和電流矢量圖，圖3（b）為采用LC串聯(lián)型輸出濾波裝置的變換器的電壓和電流矢量圖.

式中：Ixd為輸出相電流的d軸分量，Ixq為輸出相電流的q軸分量;參考式（1）可知，L型濾波器的基頻阻抗大于0，而優(yōu)化參數(shù)后的LC型濾波器在基頻處阻抗呈容性，從向電網(wǎng)注入無功的角度考慮，相當于阻抗小于0.當變換器應(yīng)用于補償容性無功時，即Ixq < 0. 參考圖3的矢量分析可知，L型變換器的工作電壓比PCC處電壓高，然而LC型變換器在參數(shù)優(yōu)化的情況下工作電壓可以比PCC處電壓更低，同時仍能保持類似于傳統(tǒng)L型變換器的補償能力.因而，對比L型濾波器，LC型變換器的優(yōu)點為具有更大有源容量、更低的直流側(cè)電壓.更低的直流側(cè)電壓可以有效地降低開關(guān)管通斷產(chǎn)生的能量損耗，有利于實現(xiàn)變換器的高效運行.

2? ?LC型變換器數(shù)學模型及狀態(tài)反饋控制

LC型變換器相比于L型濾波器，雖在補償容性無功方面具有一定優(yōu)勢，但由于輸出濾波裝置部分引入了動態(tài)元件電容，會導致系統(tǒng)的階數(shù)以及控制的復雜度增加.因此本文考慮首先針對LC型變換器的離散狀態(tài)建立相關(guān)數(shù)學模型，提出了一種基于LC串聯(lián)濾波器型變換器的狀態(tài)控制方法，在傳統(tǒng)的控制方法中引入了狀態(tài)值的反饋環(huán)節(jié).通過狀態(tài)信息并反饋控制，有效地提升了LC串聯(lián)濾波器在諧振頻率處的系統(tǒng)阻尼，進而提升了系統(tǒng)的控制性能.基于所提LC型變換器的電路結(jié)構(gòu)，可得變換器的時域方程如下：

式中：ucx代表LC濾波器中各鏈節(jié)的電容C的電壓;udx表示鏈節(jié)各模塊直流側(cè)電壓.本文所述內(nèi)容主要針對系統(tǒng)內(nèi)部的電流內(nèi)環(huán)控制，選取的狀態(tài)量分別為濾波電容電壓和輸出濾波電感電流，變換器的狀態(tài)方程為：

由于輸出濾波裝置存在兩個動態(tài)元件L和C，系統(tǒng)等效一個二階環(huán)節(jié)，系統(tǒng)存在固有諧振頻率. 當系統(tǒng)工作于諧振頻率時，阻抗很小，穩(wěn)定性降低不利于控制器的控制[17].電網(wǎng)電壓usx為控制系統(tǒng)的輸入擾動，變換器輸出指令信號u*x，變換器電流ix分別為控制系統(tǒng)的輸入和輸出，根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)方程，系統(tǒng)濾波環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系如下：

選取一組參數(shù)（包括L，C參數(shù)等）代入式（8），繪制LC濾波環(huán)節(jié)開環(huán)傳遞函數(shù)的幅頻特性曲線，觀察幅頻特性曲線可知，系統(tǒng)在頻率290 Hz處發(fā)生諧振，而在基頻段的開環(huán)增益較小. 為了應(yīng)對該問題，可增加狀態(tài)反饋控制環(huán)節(jié)以增大系統(tǒng)諧振頻率處阻尼[18-19]，另外利用狀態(tài)反饋矩陣可以將狀態(tài)變量反饋引入至輸入環(huán)節(jié)，并疊加輸入變量后所引入的狀態(tài)反饋矩陣為K = [k1，k2]. 圖4所示為加入狀態(tài)反饋控制方法后的系統(tǒng)控制框圖. 可得：

通過系統(tǒng)狀態(tài)方程，加入電流PR控制器及狀態(tài)反饋控制后，系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的幅頻特性曲線如圖5所示，需要注意PR控制器的參數(shù)kp = 2，kr = 500，通過改變狀態(tài)反饋矩陣[k1，k2]的參數(shù)來觀察系統(tǒng)開環(huán)特性. 圖5（a）所示為k1從0.1漸變至0.5時Gopen（z）的幅頻特性，由系統(tǒng)開環(huán)增益的變化情況可知，增大狀態(tài)反饋矩陣中的k1可以有效增大LC串聯(lián)變換器的諧振頻率，但系統(tǒng)在基頻處的控制效果不佳，較小的k1值的基頻特性較好，但諧振處阻尼較小. 圖5（b）所示為k2從0.2漸變至0.5時Gopen（z）的幅頻特性，由系統(tǒng)開環(huán)增益的變化情況可知，增大狀態(tài)反饋矩陣中的k2可以有效增大LC串聯(lián)變換器系統(tǒng)的阻尼，但系統(tǒng)的相角裕度降低. 可以通過調(diào)整k1的取值確定系統(tǒng)合適的諧振頻率，并通過增大k2降低系統(tǒng)在諧振頻率處的阻尼.

LC型儲能變換器的整體控制框圖如圖6所示.圖6提供了兩種典型的工作模式，一種負載補償工作模式，通過檢測負載電流，用LC型儲能變換器來輸出補償相應(yīng)的無功和諧波電流.第二種模式是PQ運行控制模式，這里LC型儲能變換器接受上層監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)過來的PQ指令進行有功和無功調(diào)節(jié)，來維持母線電壓幅值和頻率的穩(wěn)定.兩種模式為基于狀態(tài)反饋控制的電流控制器提供電流指令信號.

3? ?仿真驗證

為了驗證本文所提出的一種適應(yīng)于新能源電站的LC串聯(lián)濾波型變換器及狀態(tài)反饋控制策略的正確性. 搭建了380 V電壓等級LC串聯(lián)型變換器的仿真模型.這里考慮將LC型儲能變換器作為無功功率補償器用，采用電阻和電感模擬負載;直流側(cè)電壓采用PI控制，電流內(nèi)環(huán)采用狀態(tài)反饋控制，驗證LC型儲能的動態(tài)補償性能.各個元件及相關(guān)項目參數(shù)如下.

設(shè)定0.3 s時變換器開始補償負載中的無功電流，仿真結(jié)果如圖7所示. 圖7（a）（b）分別表示的是LC串聯(lián)型變換器投入前后電網(wǎng)的電壓電流波形.對比之下可知，投入變換器前電網(wǎng)電流中的無功含量相對較高，補償之后電網(wǎng)電流中的無功分量大大減少，功率因數(shù)將達到0.99. 圖7（c）（d）分別表示LC串聯(lián)型變換器輸出電流波形和直流側(cè)電壓波形，輸出電流THD僅為3.3%，系統(tǒng)參與電網(wǎng)無功補償時，各模塊電容電壓依然保持均衡，直流側(cè)電壓穩(wěn)定在0.55 kV左右. 圖7（e）所示為AB鏈節(jié)輸出電流實際值和指令值，從仿真圖可知在預設(shè)狀態(tài)的反饋控制下，系統(tǒng)可以實現(xiàn)無差的電流跟蹤.

接下來，在0.6 s時設(shè)置使得無功電流指令值幅值增加至原來的兩倍，指令幅值跳變后得到的指令變化及實際電流變化如圖8（a）所示.由圖可知在狀態(tài)反饋控制方案下，輸出實際電流能夠很好地跟蹤指令電流的變化，動態(tài)響應(yīng)較快. 圖8（b）分別為三相鏈節(jié)調(diào)制波波形，在LC型變換器補償感性無功的情況下，隨著補償電流的增大輸出電壓會減小，調(diào)制度也隨之降低. 因此LC型變換器可在較低的直流側(cè)電壓水平下運行并提供大容量容性無功，以達到較低開關(guān)損耗和較高運行效率的效果. 系統(tǒng)無功功率與輸出濾波器阻抗匹配時，輸出濾波電容可以提供補償?shù)臒o功功率，PWM調(diào)制模式下鏈節(jié)直流側(cè)電壓二倍頻波動相對較小，調(diào)制度也相對較小，鏈節(jié)直流側(cè)電壓二倍頻波動也很小，如圖8（d）所示.

從系統(tǒng)仿真可以看出，系統(tǒng)能夠迅速響應(yīng)無功指令，同時系統(tǒng)的直流側(cè)電壓550 V小于L型濾波器直流側(cè)700 V，輸出可以提高系統(tǒng)輸出能力約12%，且在輸出同等無功下，有效地降低了系統(tǒng)損耗約6%.

4? ?小? ?結(jié)

為了滿足新能源電站的功率補償需求，本文提出了LC串聯(lián)濾波式儲能變換器.該變換器采用電感和電容串聯(lián)的結(jié)構(gòu)作為輸出濾波裝置， 在一定的無功需求內(nèi)，其輸出電壓將隨補償無功電流的增大而減小，可以有效地降低直流側(cè)的電壓值. 相比傳統(tǒng)L型變換器，其在有源容量、容性無功補償容量、運行效率等方面具有優(yōu)勢.為抑制LC串聯(lián)結(jié)構(gòu)中LC動態(tài)元件耦合產(chǎn)生的諧振，本文還設(shè)計了適用于LC串聯(lián)型變換器的狀態(tài)反饋控制方法.最后經(jīng)過軟件仿真，驗證了本文所述的LC串聯(lián)型變換器及其控制策略的正確性和優(yōu)越性.

參考文獻

[1]? ? 王成山，李鵬. 分布式發(fā)電、微網(wǎng)與智能配電網(wǎng)的發(fā)展與挑戰(zhàn)[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2010，34（2）：10—14.

WANG C S，LI P. Development and challenges of distributed generation，the micro-grid and smart distribution system[J]. Automation of Electric Power Systems，2010，34（2）：10—14.（In Chinese）

[2]? ? 王志群，朱守真，周雙喜，等. 分布式發(fā)電對配電網(wǎng)電壓分布的影響[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2004，28（16）：56—60.

WANG Z Q，ZHU S Z，ZHOU S X，et al. Impacts of distributed generation on distribution system voltage profile[J]. Automation of Electric Power Systems，2004，28（16）：56—60.（In Chinese）

[3]? ? 羅安. 電網(wǎng)諧波治理和無功補償技術(shù)及裝備[M]. 北京：中國電力出版社，2006：88—93

LUO A. Power grid harmonic control and reactive power compensation technology and equipment [M]. Beijing：China? Electric Press，2006：88—93. （In Chinese）

[4]? ? 黃偉，孫昶輝，吳子平，等. 含分布式發(fā)電系統(tǒng)的微網(wǎng)技術(shù)研究綜述[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（9）：14—18.

HUANG W，SUN C H，WU Z P，et al. A review on microgrid technology containing distributed generation system[J]. Power System Technology，2009，33（9）：14—18.（In Chinese）

[5]? ? 彭佳鳳.基于多臺APF并聯(lián)的微網(wǎng)諧波抑制方法研究[D]. 長沙：湖南大學，2013.

PENG J F. The harmonic suppression of microgrid based on the parallel operation of multiple APF[D]. Changsha：Hunan University，2013.（In Chinese）

[6]? ? 吳艷娟. 采用APF和SVC改善微網(wǎng)電能質(zhì)量[J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學報，2012，24（1）：147—150.

WU Y J. Combined system of APF and SVC for power quality improvement in microgrid[J]. Proceedings of the Chinese Society of Universities for Electric Power System and Its Automation，2012，24（1）：147—150.（In Chinese）

[7]? ? 李超.基于STATCOM改善風電場電壓穩(wěn)定性的若干問題研究[D]. 天津：天津大學，2013.

LI C. Research on problems of STATCOM to improve voltage stability of wind farms[D]. Tianjin：Tianjin University，2013. （In Chinese）

[8]? ? MOHARANA A，VARMA R K，SEETHAPATHY R. SSR alleviation by STATCOM in induction-generator-based wind farm connected to series compensated Line[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy，2014，5（3）：947—957.

[9]? ? 李彥林. 微電網(wǎng)電能質(zhì)量主動控制策略研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2014：66—68.

LI Y L. Research on power quality active control strategy of microgrid[D].Harbin：Harbin Institute of Technology，2014：66—68.（In Chinese）

[10]? 張國榮，張鐵良，丁明，等. 具有光伏并網(wǎng)發(fā)電功能的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器仿真[J]. 中國電機工程學報，2007，27（14）：82—86.

ZHANG G R，ZHANG T L，DING M，et al. Simulation research on unified power quality conditioner with PV grid connected generation[J]. Proceedings of the CSEE，2007，27（14）：82—86. （In Chinese）

[11]? 姚勇，朱桂萍，劉秀成. 電池儲能系統(tǒng)在改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量中的應(yīng)用[J]. 電工技術(shù)學報，2012，27（1）：85—89.

YAO Y，ZHU G P，LIU X C. Improvement of power quality of micro-grids by battery energy storage system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27（1）：85—89. （In Chinese）

[12]? 張步涵，曾杰，毛承雄，等. 電池儲能系統(tǒng)在改善并網(wǎng)風電場電能質(zhì)量和穩(wěn)定性中的應(yīng)用[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（15）：54—58.

ZHANG B H，ZENG J，MAO C X，et al. Improvement of power quality and stability of wind farms connected to power grid by battery energy storage system[J].Power System Technology，2006，30（15）：54—58. （In Chinese）

[13]? LUO R，HE Y J，LIU J J. Research on the unbalanced compensation of delta-connected cascaded H-bridge multilevel SVG[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2018，65（11）：8667—8676.

[14]? 李曠，劉進軍，趙國鵬，等. L型濾波器對變換器系統(tǒng)特性的影響及其設(shè)計方法研究[C]// 中國電工技術(shù)學會電力電子學會學術(shù)年會. 2006.

LI K，LIU J J，ZHAO G P，et al. Study on the influence of L-type filter on the characteristics of SVG system and its design method [C]// Academic Annual Meeting of Institute of Power Electronics，China Electrotechnical Society. 2006. （In Chinese）

[15]? NISHIDA K，AHMED T，NAKAOKA M. A novel finite-time settling control algorithm designed for grid-connected three-phase inverter with an LCL-type filter[J]. IEEE Transactions on Industry Applications，2014，50（3）：2005—2020.

[16]? 馬伏軍，易偉浪，梅成成，等. LC串聯(lián)式脈寬調(diào)制整流器及其電流迭代控制方法[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2017，41（12）：179—187.

MA F J，YI W L，MEI C C，et al. Pulse-width modulation rectifier with LC-series filter and its current iterative control method[J]. Automation of Electric Power Systems，2017，41（12）：179—187.（In Chinese）

[17]? AKAGI H，KONDO R. A transformerless hybrid active filter using a three-level pulsewidth modulation （PWM） converter for a medium-voltage motor drive[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25（6）：1365—1374.

[18]? 何志興.級聯(lián)多電平靜止同步補償器關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究[D].長沙：湖南大學，2016.

HE Z X. Research on the key technologies and application of cascaded multilevel static synchronous compensator[D]. Changsha：Hunan University，2016.（In Chinese）

[19]? 夏超英. 交直流傳動系統(tǒng)的自適應(yīng)控制[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2007：30—35.

XIA C Y. Adaptive control of AC/DC transmission system [M]. Beijing：China Machine Press，2007：30—35. （In Chinese）