一種雙模式的儲能變流器樣機研制

時珊珊，陳常曦，于文杰，劉 舒

（1.國網上海電科院，上海 200437；2.許繼電源有限公司，許昌 461000）

隨著新能源發電及微電網技術的發展［1－4］，對儲能變流器的功能及性能提出了更為嚴格的要求，即支持P／Q運行模式及V／F運行模式，同時支持兩種模式之間的快速切換。傳統的儲能變流器主要側重于并網模式下對儲能介質的充放電功能，以及P／Q運行模式，但這已經無法滿足新能源發電及微電網技術發展的需求［5－8］。本文主要研究并網／離網控制策略及模式轉換策略，闡述控制系統設計思路，研制一臺額定功率為20 k W、基于AC／DC一級變換拓撲并且具備并網／離網切換功能的儲能變流器，并成功應用于新能源電站及微電網系統工程中。

1 主電路拓撲結構

儲能變流器主電路采用基于AC／DC一級變換的電路拓撲結構，主要由絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）三相全橋搭建的功率模塊組成。該拓撲支持四象限運行，并且能量流動具有雙向性。內置星三角隔離變壓器起到隔離、濾波以及保持系統內三相電壓平衡的作用［9］。在交流側設置主斷路器、主接觸器、LC濾波器。儲能變流器的主電路拓撲結構如圖1所示。

圖1 儲能變流器的主電路拓撲結構

2 控制策略研究

2.1 并網控制策略

在并網P／Q運行模式下，三相全橋功率模塊采用單環控制策略，將給定的定值轉化至dq坐標下作為電流環的輸入給定，通過電流環作用得到SPWM算法即可生成相應的6路驅動脈沖信號，控制三相全橋IGBT的通斷；同時，在電流環輸出中引入前饋的控制策略，加快控制系統的響應速度。并網控制框圖如圖2所示。

圖2 并網控制框圖

2.2 離網控制策略

在離網V／F運行模式下，三相全橋功率模塊采用雙環控制，經過dq反變換之后，引入電壓前饋控制，提高控制系統的響應速度。支持離網V／F運行時對電池的充電和放電。離網控制框圖如圖3所示。

圖3 離網控制框圖

2.3 模式切換控制策略

在微電網系統工程應用中，儲能變流器能實現由并網P／Q運行模式向離網V／F運行模式的相互轉換。當儲能變流器檢測到電網失電或市電恢復時，將當前并網P／Q（或離網V／F）控制策略停止，延遲適當時間之后，再啟動離網V／F（或并網P／Q）控制策略，完成并網／離網轉換。

3 系統軟件設計

儲能變流器控制系統的軟件實現主要分為控制部分程序和通信部分處理程序兩個部分，其中控制部分程序設計如圖4所示。

圖4 控制部分軟件流程圖

4 控制電路設計

儲能變流器控制系統主要包括數字信號處理器（DSP）＋現場可編程門陣列（FPGA）組成的主控系統、開入／開出信號控制、脈沖寬度調制（PWM）及故障信號和通信接口電路。本文設計采用TMS320F2812作為主控芯片，主頻為150 MHz。DSP負責控制算法處理及通信數據處理；FPGA負責PWM生成、保護功能及開入／開出處理。其中，人機界面采用RS-485通信方式，電池電池管理系統（BMS）采用CAN2.0B通信方式，上位機采用以太網104通信方式。儲能變流器控制系統框圖如圖5所示。

5 實驗研究

根據以上研究，研發設計了一臺20 k W、基于AC／DC一級變換拓撲且具備并網／離網切換功能的儲能變流器，接入電池為鉛酸電池。該儲能變流器的主要技術參數如下：網側電壓波動范圍（1 ±5%）×380 V；額定功率20 k W；頻率波動范圍47～51 Hz；直流電壓范圍200～430 V；開關頻率為5 k Hz；采樣頻率為15 k Hz；并離網轉換時間小于200 ms。

對鉛酸電池進行了充放電實驗，以及在新能源電站及微電網系統工程中進行了并網／離網切換實驗和V／F模式下負載投切試驗。并網放電轉為充電波形如圖6圖所示。在并網P／Q運行模式運行下，由充電至放電之間的切換實驗。在放電10 k W功率給定時，突然轉換為充電10 k W功率給定，充電電流在40 ms內達到穩定。

離網滿載與空載切換波形如圖7所示。由圖7（a）可見，在離網模式空載運行下，突加20 kW阻性負載，負載電流在10 ms內達到穩定，滿足微電網調度快速響應的需求。由圖7（b）可見，在離網模式20 kW阻性負載運行下，突切負載轉為空載運行。

圖5 儲能變流器控制系統框圖

圖6 并網放電轉為充電波形

離網半載投滿載波形如圖8所示。在離網模式9 k W阻性負載運行下，突加負載轉為額定功率運行，負載電流在40 ms內達到穩定。在負載投切過程中，輸出電壓、頻率基本不變。

圖7 離網滿載與空載切換波形

并網轉離網切換波形如圖9所示。在并網模式運行下，模擬電網失電，轉換至離網模式運行，轉換過程在200 ms內完成，且電流達到穩定。

圖8 離網半載投滿載波形

圖9 并網轉離網切換波形

離網轉并網切換波形如圖10所示。在離網模式運行下，模擬電網恢復，轉換至并網模式運行，轉換過程在80 ms內完成，且電流達到穩定，實現在200 ms內完成并網模式與離網模式之間的切換，可保證部分用電設備的不間斷供電。

圖10 離網轉并網切換波形

6 結論

本文研究了具備并網／離網切換功能的、基于AC／DC的一級變換儲能變流器的、主電路拓撲結構及控制策略的儲能變流器，研制了一臺功率為20 k W儲能變流器樣機。該儲能變流器功能完善，具備交流側電壓、電流、相序、頻率等保護；支持P／Q控制及V／F控制，同時可實現充放電切換及并離網切換；可視化的智能觸摸屏，支持以太網104、CAN2.0等功能。實驗結果表明，儲能變流器并離網狀態轉換時間短、動態響應迅速、充放電電流諧波小，滿足了新能源發電及微電網應用對儲能系統的需求，具有較好的推廣價值。

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