基于儲能功率轉換系統的并離網運行控制策略

褚洪武，李征

（東華大學信息科學與技術學院，上海201620）

基于儲能功率轉換系統的并離網運行控制策略

褚洪武，李征

（東華大學信息科學與技術學院，上海201620）

基于儲能功率轉換系統需要逆變器工作在并網/離網兩種工作模式下，針對三相T型結構作為主電路拓撲逆變器研究了并/離網工作模式的控制策略。并網模式下利用鎖相（PLL）技術跟蹤電網電壓的相位，并且用PI控制器來實現并網電流的控制。離網模式下采用電容電壓外環和電感電流內環的雙閉環控制方式，可以實現輸出電壓的有效控制。在完成了系統的狀態空間數學建?；A上，并且對系統在并網、離網兩種運行模式下的控制算法，在搭建的100 kW全數字控制的實驗樣機上進行了實驗和驗證。

儲能；T型拓撲；功率轉換系統；并網模式；離網模式

隨著人類對于電能需求量的不斷增大，風能，太陽能等可再生能源逐步被開發和利用，分布式發電系統成為研究的熱點。常見的分布式并網發電系統包括風能發電系統、光伏發電系統以及蓄電池發電系統。在微電網中，將并網發電功能與獨立逆變供電功能集成于一體是逆變器的發展方向，同時電力電子變換裝置的大功率高效率顯得尤為重要［1］。本文對基于儲能新型三電平拓撲的PCS并網和離網兩種模式進行了研究。

三相三電平變流器具有輸出電壓諧波含量小，dv/dt小，EMI小等優點，是高壓大功率變流器應用領域的研究熱點。三相二極管中點箝位型（NPC）三電平變流器是三相三電平變流器的一種主要拓撲，已經得到了廣泛應用。而三相T型三電平變流器是基于NPC的一種改進拓撲，這種結構每個橋臂通過一對反向串聯的開關管實現中點箝位功能，使變流器輸出電壓有3種電平。該拓撲結構比NPC在每相上減少了兩個鉗位二極管，在一定的功率等級和開關頻率不太高的場合可以在一定功率等級和開關頻率不太高的情況下，損耗更小，導通利用率更高，因此是一種很有發展前景的拓撲［2］。

1　變流器的工作原理

1.1三相T型三電平變流器主電路拓撲

在圖1中vdc為直流電壓，C1與C2為直流母線電容，Va、Vb、Vc分別為以母線電容中點O為參考點的三相變流器各橋臂輸出的電壓，ua、ub、uc分別為電流經過電感之后的各相電壓，La、Lb、Lc為逆變器側濾波電感，C為濾波電容，R為阻尼電阻，ia、ib、ic分別為流出逆變器的各相交流電流，iga、igb、igc為流向電網的各相交流電流，Ld為網側電感，ea、eb、ec為以中性點N為參考點的三相電網的各相電壓，Z為獨立運行是負載的阻抗。

圖1　三相T型三電平變流器主電路拓撲圖Fig.1The main circuit of T-type topology three-phase three-level converter

1.2單相T型三電平拓撲與工作原理

在圖2（a）中，Gsa1，Gsa2，Gsa3，Gsa4分別為T1，T2，T3，T4的驅動信號，驅動信號遵從Gsa1與Gsa3互補，Gsa2與Gsa4互補，且同一橋臂上下開關驅動信號Gsa1與Gsa2不能同時導通的原則［3］。

圖2　單相T型三電平拓撲和驅動波形圖Fig.2Thetopology of T-type one-phase three-level converter and the waveforms of drive signals

若假定電流從變流器流向電感為正方向。當系統工作在圖2（b）所示的階段Ⅰ時，u（t）＞0，i（t）＜0，此時T2常通，T4常斷，T1和T3作PWM切換。若A點輸出為P電平，則電流流過D1，A點輸出為0電平，電流點過T3和T2反并的二極管。當工作在階段Ⅱ時，u（t）＞0，i（t）＞0，此時T2常通，T4常斷，T1和T3作PWM切換。若A點輸出為P電平，則電流流過T1，A點輸出為0電平，電流點過T2和T3反并的二極管。以上以工頻正半周期為例分析了T型三電平的工作原理，同理可分析負半周期A分別輸出N電平和0電平。

1.3儲能變流器的數學模型

根據基爾霍夫定律，可以建立變流器在abc靜態坐標下的狀態方程，并且經過坐標變換轉換，得到dq兩相旋轉坐標下的方程如下［4］：

式中，Vd，q、ud，q、id，q、i1d，1q、ed，q、igd，gq分別為Va、Vb、Vc、ua、ub、uc、ia、ib、ic、i1a、i1b、i1c、ea、eb、ec、iga、igb、igc的d-q軸分量。

Vd，Vq的狀態空間表達式滿足

上式中，［DdDq］T為PWM占空比［DaDbDc］T的d-q軸分量。經過整理得到變流器主電路的時域形式的狀態空間平均模型如圖3所示。

圖3　變流器的狀態空間平均模型Fig.3The state space average model of the converter

2　基于儲能的微網運行控制策略

微網的運行方式主要包括并網模式和離網模式兩種工況，由于該系統是以儲能單元作為微網的電源，因此變流器的控制策略對于整個系統控制非常重要［5］。

2.1并網模式

在并網運行模式下，配電網為系統提供電壓與頻率的支持，同時要求系統能參與維持整個電網的穩定運行，提高故障的承受能力等。變流器采用的是PQ控制，其控制目的是使分布式電源輸出的有功功率和無功功率等于其參考值，以使儲能單元處于適宜的荷電狀態和良好的功率調節能力，或根據系統的需要向配電網吸收或輸出一定的有功和無功功率，實現系統與配電網公共連接點PCC功率潮流的相對穩定。

變流器并網運行的控制算法結構框圖如圖4所示，先采集三相電網電壓，利用軟件同步鎖相算法得到相位角θ，電流經過Clarke變換及Park變換得到id和iq，由變流器的有功和無功功率計算得到電流環的給定值，電流內環采用PI控制，以使電流快速跟蹤電壓給定，為了增加系統的穩定性和抗擾動性，然后通過解耦和電網電壓前饋控制后可去除交叉耦合項，再由SVPWM調制成開關信號驅動各相開關管的通斷。

圖4　變流器并網運行的控制結構框圖Fig.4The controlstrategy of grid-connected operationconverter

2.2離網模式

離網模式采用V-f控制方法［6］，為了實現對輸出電壓的控制，常采用電壓型的控制方式，在采用電壓外環實現對輸出電壓穩定控制的基礎上，同時加入電流內環來實現逆變器輸出電流的控制。統的預設值，經濾波電容電壓環、濾波電感電流環雙環控制后產生變流器的PWM控制信號，如圖5所示為系統工作于離網運行模式時的控制結構框圖。

圖5　變流器離網運行的控制結構框圖Fig.5The control strategy of islanded operation converter

3　實驗結果

本文對基于儲能系統的T型三電平變流器的并網運行和離網運行兩種工況進行了研究，在控制方式上，選用了以TI公司的TMS320F28335芯片為控制核心，用SVPWM調制方式產生三相開關管的開關信號。設計了一套基于磷酸鐵鋰電池作為儲能載體的三相電壓型PWM變流器系統。

為了驗證理論分析，搭建三相變流器系統，開關頻率fs= 10 kHz，電網線電壓有效值為380 V，直流側電壓為650 V。圖6給出了實驗波形，其中，Uab為網側的AB線電壓，UAB為變流器側濾波前的AB線電壓，Ia為A相交流電流，Id為直流母線電流。圖6（a）為并網模式運行放電啟動時波形，從中可以看出放電過程運行穩定，變流器的輸出電壓對電網電壓的跟隨性好，電流的THD較小，符合并網要求。圖6（b）為充電啟動的波形，可見充電啟動過程大約經過800 ms左右，系統進入穩定運行狀態。圖6（c）為充電切換成放電的波形，轉換的過程中交流和直流的電流變化較為平滑，轉換的過程中變流器運行穩定，沒有電流沖擊，變流器運行正常。圖6（d）為系統獨立運行時的波形，可見輸出交流電壓為穩定的正弦波，變流器運行穩定。

圖6　實驗波形Fig.6The experimental waveforms

4　結論

文中基于儲能的三相T型三電平能量轉換系統上，完成了系統的狀態空間數學建模和系統在并網和離網兩種運行模式下的控制算法的研究，并設計了一臺100 kW全數字控制實驗樣機，驗證了理論分析的正確性。實驗結果表明，此變流器在兩種工作模式下運行，系統的直流側上下電容電壓平衡，交流輸出電壓電流諧波小，有功及無功功率可調配，符合系統的設計要求。

［1］王劍，劉天琪，李興源.風電場及儲能裝置對發輸電系統可靠性的影響［J］.電網技術，2011，35（5）：165-170. WANG Jian，LIU Tian-qi，LI Xing-yuan.Influences of connecting wind farms and energy storage devices to power grid on reliability of power generation and transmission system［J］. Power System Technology，2011，35（5）：165-170.

［2］Bragard M，Soltau N，Thomas S，et al.The balance of renewable sources and user demands in grids：Power electronics for modular battery energy storage systems［J］.Power Electronics，IEEE Transactions on，2010，25（12）：3049-3056.

［3］鄒慶玉.逆阻型IGBT的三相T型逆變控制系統分析與設計［D］.［4］徐德鴻.電力電子系統建模及控制［M］.北京：機械工業出版社，2005.

杭州：浙江大學，2012.

［5］羅松濤，楊軍偉.基于DSP的三相整流器在電池儲能中的應用［J］.電力電子技術，2011，45（10）：37-39. LUOSong-tao，YANGJun-wei.DSP-basedthree-phase rectifier used in battery energy storage［J］.Power Electronics，2011，45（10）：37-39.

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Research on grid-connected/islanded PCS based on energy storage system

CHU Hong-wu，LI Zheng
（College of Information Science and Technology，Donghua University，Shanghai 201620，China）

According to the requirement that a convert based on the energy storage PCS needs to work in the grid-connected mode and the islanded mode，the control strategy of the two modes is studied for an inverter withthe three-phase T-type structure as the main circuit topology.In the grid-connected mode，grid voltage is tracked by a phaselock loop（PLL）and the PI controller is also utilized for the current control.The capacitor voltage outer loop and inner inductor current loop are used in the islanded mode，thus theoutput voltage is effectively controled.The mathematical mode of the whole system and those control algorithms in two operating modes are discussed，the system performance iscarried out and verified in the experimental prototype machine of 100 kW full digital control experiments.

energy storage；T topology；power conversion system；gird-connected mode；islanded mode

TN3

A

1674-6236（2015）20-0152-03

2014-12-30稿件編號：201412306

褚洪武（1990—），男，湖北孝感人，碩士研究生。研究方向：電力電子技術。