儲(chǔ)能系統(tǒng)離網(wǎng)啟動(dòng)的控制策略研究

張超，邱晗，李哲，劉博暢，張寶順，厲成元

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300180）

2019年7月1日，發(fā)改委發(fā)布了《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，提出了加強(qiáng)先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)，同時(shí)攻克關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，使我國儲(chǔ)能技術(shù)水平在5到10年甚至更長時(shí)間處于國際領(lǐng)先。在所有儲(chǔ)能技術(shù)中，針對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能的突破最為明顯，將成為未來儲(chǔ)能技術(shù)的主要增長點(diǎn)，另一方面電化學(xué)儲(chǔ)能中的鋰離子電池的成本在不斷下降，技術(shù)也更加成熟，所有使用鋰電池的儲(chǔ)能系統(tǒng)將得到廣泛應(yīng)用。這類儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)開始大規(guī)模地應(yīng)用于電力系統(tǒng)，尤其在一帶一路的國家和地區(qū)中，存在很多孤立的中小型電網(wǎng)，這種電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)大，電網(wǎng)質(zhì)量不好，存在電網(wǎng)不穩(wěn)定甚至電網(wǎng)崩潰等因素，所以就更需要鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)來調(diào)節(jié)電網(wǎng)質(zhì)量、平抑負(fù)荷波動(dòng)、保證孤島運(yùn)行，而且一般要求儲(chǔ)能系統(tǒng)配置到MW級(jí)甚至要到幾十MW等較大規(guī)模。當(dāng)這種孤立電網(wǎng)出現(xiàn)電網(wǎng)崩潰等問題時(shí)，就要求MW級(jí)甚至幾十MW的儲(chǔ)能系統(tǒng)同步地、快速地切入離網(wǎng)運(yùn)行或作為應(yīng)急電源提供一定時(shí)間的廠用電完成發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)入離網(wǎng)運(yùn)行的關(guān)鍵，就是文獻(xiàn)[1]提到的儲(chǔ)能變流器（power converter system ，PCS）從P∕Q模式切換到V∕F模式，并且切換過程電流和電壓平緩，無明顯沖擊。針對(duì)該問題，文獻(xiàn)[2]提出一種相位預(yù)同步的控制器狀態(tài)跟隨方法，該方法實(shí)現(xiàn)了離網(wǎng)到并網(wǎng)的平滑切換；文獻(xiàn)[3]提出將V∕F控制器輸出與P∕Q控制器的輸出設(shè)計(jì)為一個(gè)負(fù)反饋?zhàn)鳛閂∕F控制器的輸入，使得切換前V∕F控制器時(shí)刻跟隨P∕Q控制器的輸出，可以滿足單臺(tái)儲(chǔ)能變流器的切換；文獻(xiàn)[4-5]提出多機(jī)并聯(lián)離網(wǎng)運(yùn)行的參數(shù)設(shè)計(jì)和采用下垂控制功率均分方法。

本文結(jié)合以上文獻(xiàn)介紹了一種儲(chǔ)能離網(wǎng)啟動(dòng)的控制策略，可以滿足幾十臺(tái)甚至上百臺(tái)儲(chǔ)能變流器平穩(wěn)快速地切換到離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)或者完成變壓器的零啟升壓，建立離網(wǎng)電壓。該控制策略與其他方法相比，具有控制實(shí)現(xiàn)容易、支持多臺(tái)并聯(lián)的儲(chǔ)能變流器同時(shí)無縫切換及離網(wǎng)啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。采用此策略的儲(chǔ)能系統(tǒng)中，所有儲(chǔ)能變流器均為相同的頻率和相角，避免了多機(jī)之間由于頻率不同而產(chǎn)生的相互震蕩以及其造成的功率分配不均等問題，同時(shí)建立的離網(wǎng)電壓穩(wěn)定可靠。

1 設(shè)計(jì)的基本原理

1.1 三相電壓鎖相環(huán)PLL

儲(chǔ)能系統(tǒng)一般由雙向儲(chǔ)能變流器（PCS）、蓄電池（一般為鋰電池）及電池管理系統(tǒng)（battery management system，BMS）、公共接入點(diǎn)（point of common coupling，PCC）、升壓變壓器等組成，其中PCS為其核心執(zhí)行系統(tǒng)，其一般由支撐電容、DC∕AC功率變換單元、LCL濾波器組成，如圖1所示。PCS主要功能是通過DC∕AC變換，對(duì)蓄電池進(jìn)行充、放電，使蓄電池能量和電網(wǎng)的能量進(jìn)行交換。

圖1 雙向儲(chǔ)能變流器系統(tǒng)圖Fig.1 The system schematic of power converter system（PCS）

當(dāng)儲(chǔ)能變流器并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，通過電網(wǎng)側(cè)電壓進(jìn)行定向，本設(shè)計(jì)采用鎖相環(huán)（phase locked loop，PLL）技術(shù)。

假設(shè)三相電壓對(duì)稱，且不考慮諧波，三相電壓信號(hào)為

式中：uA，uB，uC為電網(wǎng)A，B，C三相電壓；Um為電壓幅值；γ為電角度。

三相電壓矢量可以用一個(gè)空間旋轉(zhuǎn)矢量的在三個(gè)靜止坐標(biāo)系的投影表示，這個(gè)表示三相電壓的矢量稱作通用矢量。則電網(wǎng)電壓uA，uB，uC可以表示為通用矢量U，如圖2所示。

圖2 三相電壓矢量關(guān)系圖Fig.2 The diagram of three phase voltage vector

圖2中，γ為U和a軸（α軸）的夾角，θ為a軸（α軸）和d軸的夾角。

對(duì)通用矢量U做等量3∕2變換，得到等效兩相虛擬正交靜止坐標(biāo)系變量信號(hào)：

再將靜止坐標(biāo)系變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，得到等效虛擬正交同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系變量信號(hào)：

將式（2）代入式（3）中，得：

當(dāng)穩(wěn)態(tài)下，滿足γ-θ=0，即

通用矢量U與有功分量Ud重合，無功分量Uq為零，d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系以角速度旋轉(zhuǎn)，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)電網(wǎng)電壓矢量的定向。

1.2 相位角生成控制

三相交流電壓經(jīng)過d-q變換后得到的Uq分量，通過PI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)Uq輸出為角速度Δω，如圖3所示。

圖3 并網(wǎng)電網(wǎng)相位角控制框圖Fig.3 Control block diagram of on-grid phase angle

圖3中：

ω再經(jīng)過積分器輸出為相位角θ，該角度即對(duì)應(yīng)于三相電壓的頻率和相位。

儲(chǔ)能變流器離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，離網(wǎng)電壓主要由幅值和頻率決定。幅值通過PCS的交流電壓環(huán)控制，頻率則由兩種離網(wǎng)啟動(dòng)方式來確定，一種是零啟升壓模式，另一種是由并網(wǎng)無縫切入離網(wǎng)模式。零啟升壓模式由于沒有初始電網(wǎng)，電網(wǎng)需要通過PCS控制電壓以軟啟的形式建立，所以離網(wǎng)使能信號(hào)直接控制相位角θ從零開始積分啟動(dòng)。無縫切換時(shí)，當(dāng)PCS收到離網(wǎng)信號(hào)后，將Δω置零，從該位置進(jìn)行積分得到相位角θ。該方式可以保證相位角不會(huì)發(fā)生較大突變，從而使PCS由并網(wǎng)狀態(tài)切入離網(wǎng)時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)過流、過載、電壓突變等故障，造成離網(wǎng)電網(wǎng)啟動(dòng)失敗，無法建立，如圖4所示。

圖4 離網(wǎng)電網(wǎng)相位角控制圖Fig.4 Control block diagram of off-grid phase angle

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 離網(wǎng)控制硬件實(shí)現(xiàn)

大功率MW級(jí)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)項(xiàng)目中，500 kW儲(chǔ)能變流器每5臺(tái)作為1組，并聯(lián)接到一臺(tái)升壓變壓器上。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于并網(wǎng)狀態(tài)時(shí)，5臺(tái)PCS每臺(tái)通過電流環(huán)（P∕Q模式）獨(dú)立控制，可以通過能量管理系統(tǒng)（energy management system，EMS）對(duì)單臺(tái)PCS進(jìn)行充、放電控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的能量調(diào)度和控制。當(dāng)系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，每組的首臺(tái)PCS采用虛擬阻抗控制的離網(wǎng)電壓環(huán)（V∕F模式）技術(shù)，控制離網(wǎng)電壓的幅值，并將主站電流環(huán)參數(shù)通過內(nèi)部高速通訊傳送到組內(nèi)其余4臺(tái)，實(shí)現(xiàn)功率的平衡分配，如圖5所示。

圖5 儲(chǔ)能系統(tǒng)離網(wǎng)通訊示意圖Fig.5 The communication schematic diagram of off-grid ESS

采用該離網(wǎng)啟動(dòng)控制策略設(shè)計(jì)了一種離網(wǎng)控制裝置。該裝置主要用于提供離網(wǎng)相位角和離網(wǎng)使能信號(hào)。離網(wǎng)控制裝置設(shè)計(jì)有2套控制器，實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)相位角輸出冗余控制，主控制器和備用控制器同時(shí)生成完全相同的離網(wǎng)相位角同步信號(hào)，如圖5所示。

2.2 離網(wǎng)控制裝置算法實(shí)現(xiàn)

2.2.1 主控制器相位角同步生成

圖6所示為主站相角同步信號(hào)生成框圖。控制器核心CPU采用FPGA芯片，其基礎(chǔ)時(shí)鐘為40 MHz，所有算法實(shí)現(xiàn)都在FPGA中完成。主站相角同步信號(hào)生成模塊主要由三部分組成：A1～A6為獨(dú)立生成相角同步信號(hào)的模塊；A7和A8為通過PLL運(yùn)算后生成的相角同步信號(hào)的模塊；A9～A19為兩種信號(hào)切換選擇部分的模塊。具體的，當(dāng)主控板檢測(cè)電網(wǎng)有電且沒有離網(wǎng)使能信號(hào)時(shí)，離網(wǎng)控制裝置使用PLL運(yùn)算出來的相位角θ生成同步信號(hào)并發(fā)送；當(dāng)進(jìn)入離網(wǎng)運(yùn)行或者沒有電網(wǎng)時(shí)，離網(wǎng)控制裝置使用自身獨(dú)立生成的相位角發(fā)送同步信號(hào)。

圖6 主站相角同步信號(hào)生成框圖Fig.6 The block diagram of synchronous signal generation for main PCS phase angle

2.2.2 備用控制器相位角信號(hào)處理

備用控制器一方面發(fā)送與主控制器相同同步信號(hào)，另一方面生成主站斷電恢復(fù)后的同步信號(hào)，備用控制器將原有同步信號(hào)發(fā)送給主控制器，完成主控制器的正常接入。因主控制器的切入不會(huì)造成相角突變，引起系統(tǒng)崩潰，所以增加備用同步主站功能。該功能包括主站生命信號(hào)生成、備用給主站發(fā)送同步信號(hào)、主站啟動(dòng)延時(shí)輸出同步信號(hào)三部分模塊。

主站生命信號(hào)生成模塊如圖7所示。主站生成一個(gè)周期為20 ms的高電平、寬度為500 μs的脈沖波形。

圖7 主站生命信號(hào)生成框圖Fig.7 The diagram of life signal generation for main PCS

備用控制器發(fā)送主控制器同步信號(hào)模塊，如圖8所示。A1～A3對(duì)生命信號(hào)進(jìn)行20 ms計(jì)數(shù)，A4～A7計(jì)20 ms周期脈沖的個(gè)數(shù)為6個(gè)，A8～A15在主站故障恢復(fù)后，生成一個(gè)1 s的單穩(wěn)脈沖，A16和A17在該單穩(wěn)脈沖存在期間發(fā)送同步信號(hào)給主站。

圖8 備用PCS發(fā)送主站PCS相角信號(hào)框圖Fig.8 The phase angle signal from standby PCS to main PCS

2.2.3 信號(hào)時(shí)序圖

下圖為主站和備用進(jìn)行切換時(shí)，各個(gè)信號(hào)的時(shí)序波形圖。

圖9 相角信號(hào)時(shí)序圖Fig.9 The timing diagram of phase angle

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 零啟升壓功能

3.1.1 零啟升壓流程

當(dāng)外界電網(wǎng)沒電，PCS投入離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，建立離網(wǎng)電網(wǎng)。大功率高壓變壓器勵(lì)磁對(duì)PCS的沖擊一般為額定容量的5～10倍，PCS不能承受如此大的沖擊，勢(shì)必造成PCS過流故障，所以需要對(duì)變壓器進(jìn)行空載勵(lì)磁并通過零啟建立電壓。當(dāng)PCS軟啟結(jié)束后，離網(wǎng)電網(wǎng)建立完成，即可以接入一定數(shù)量的負(fù)載，滿足一段時(shí)間的廠用電，但需要注意電池的容量和使用時(shí)間。

3.1.2 零啟升壓試驗(yàn)

在天津電氣科學(xué)研究院有限公司的微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室中搭建試驗(yàn)平臺(tái)，采用2組共4臺(tái)500 kW儲(chǔ)能變流器，每組1臺(tái)主機(jī)和1臺(tái)從機(jī)。試驗(yàn)測(cè)試兩組PCS同時(shí)啟動(dòng)進(jìn)行零啟升壓。通過離網(wǎng)控制裝置的光纖同步發(fā)送同步相角信號(hào)和離網(wǎng)使能信號(hào)給每組主機(jī)PCS。主機(jī)接收到離網(wǎng)使能信號(hào)后將該信號(hào)同時(shí)下發(fā)給該組中的從機(jī)，完成該組中所有2臺(tái)PCS的啟動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)室模擬的試驗(yàn)平臺(tái)如圖10所示。

圖10 零啟升壓試驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.10 The experiment platform for raising voltage from zero

兩組4臺(tái)PCS零啟升壓?jiǎn)?dòng)過程的波形如圖11、圖12所示。圖中，第4通道為電壓信號(hào)，第1，2，3通道為電流信號(hào)。在啟動(dòng)過程中電壓平滑無波動(dòng)，幅值為400 V，啟動(dòng)時(shí)間約為11 s；平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，電壓波形平穩(wěn)可靠，無任何畸變，電壓諧波滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。

圖11 零啟升壓主站啟動(dòng)波形圖Fig.11 The waveforms of raising voltage from zero

圖12 零啟升壓平穩(wěn)運(yùn)行波形圖Fig.12 The waveforms of raising voltage from zero for running

3.2 無縫切換功能

3.2.1 無縫切換離網(wǎng)使能選擇

離網(wǎng)使能信號(hào)可以通過幾種方式產(chǎn)生，一種是由EMS給定檢測(cè)35 kV電網(wǎng)故障；或者由EMS檢測(cè)35 kV開關(guān)狀態(tài)得到；另一種是直接從離網(wǎng)控制裝置檢測(cè)35 kV高壓柜PT和CT信號(hào)；或者直接將35 kV開關(guān)狀態(tài)引入。以上方式需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境以及工況做出最優(yōu)的選擇，以達(dá)到最快地檢測(cè)到離網(wǎng)狀態(tài)。

3.2.2 無縫切換試驗(yàn)

如圖13所示，在天津電氣科學(xué)研究院有限公司的微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室中搭建無縫切換實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。采用2組共4臺(tái)500 kW儲(chǔ)能變流器，每組1臺(tái)主機(jī)和1臺(tái)從機(jī)。該試驗(yàn)平臺(tái)中K1為接觸器，可以通過控制自動(dòng)閉合和斷開。當(dāng)電網(wǎng)正常時(shí)，電網(wǎng)給負(fù)載提供能量，PCS空載運(yùn)行。斷開K1開關(guān)后，系統(tǒng)進(jìn)入離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。離網(wǎng)控制柜檢測(cè)到K1開關(guān)斷開，給PCS發(fā)送離網(wǎng)使能信號(hào)，PCS接收到離網(wǎng)使能后由P∕Q模式切換到V∕F模式，使用離網(wǎng)控制裝置發(fā)送的相角同步信號(hào)生成自身相角，幅值按照并網(wǎng)時(shí)刻幅值建立離網(wǎng)電壓，給負(fù)載提供功率。

圖13 無縫切換試驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.13 The experiment platform for seamless switching

兩臺(tái)主站PCS同時(shí)無縫切入離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的波形如圖14所示。

圖14 無縫切換波形圖Fig.14 The waveforms of seamless switching

圖14中，第2、3通道為電流信號(hào)，第4通道為電壓信號(hào)。從波形可以看出兩臺(tái)PCS電流均流性較好，切換過程小于5 ms且無明顯沖擊和過流等。

4 結(jié)論

基于該控制策略研發(fā)的儲(chǔ)能系統(tǒng)同時(shí)支持兩種工作模式，零啟升壓和無縫切換。該系統(tǒng)的成功研發(fā)可以解決孤網(wǎng)和電網(wǎng)不穩(wěn)定地區(qū)的短時(shí)用電和緊急用電。該方案成功應(yīng)用在印尼某鋼廠55 MW∕55 MW·h的鋰電池儲(chǔ)能項(xiàng)目中，在因地震等原因造成的停電事故中，該系統(tǒng)提供備用電源，在保障設(shè)備檢修及鋼廠日常用電方面發(fā)揮積極作用。這種大型廠礦現(xiàn)場(chǎng)，一般用電負(fù)荷較大，幾十臺(tái)甚至上百臺(tái)儲(chǔ)能變流器同步進(jìn)入離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，可以快速地完成離網(wǎng)電網(wǎng)的建立，為用戶提供了有力的電力保證。綜上，該設(shè)計(jì)用于大規(guī)模MW級(jí)儲(chǔ)能電站，會(huì)產(chǎn)生較好的用戶體驗(yàn)和較大收益。