儲能裝置多機系統在離網狀態下的環流控制策略

林漢平 吳文宣 蔡金錠 鄭 高

（1. 福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108；2. 國家電網福建省電力有限公司電力科學研究院，福州 350007；3. 國家電網福建省電力有限公司，福州 350001）

為了提高儲能系統的容量和可靠性，廣泛采用了多臺儲能裝置并聯的儲能系統。但在實際應用中，各臺儲能裝置的輸出電壓幅值和相角不可能完全相等，同時輸出線路阻抗也有差異。故當多臺儲能裝置并聯工作時必然會產生環流，從而使各臺儲能裝置不能均分負載，使得部分裝置工作于過載狀態，導致并聯系統崩潰。所以需要在儲能裝置離網控制中加入并聯控制抑制各臺變流器間的環流，保證各臺儲能裝置均分負載正常工作。本文提出了基于平均功率均分控制的并聯控制策略，需檢測系統輸出有功和無功功率，其均流效果好，穩定性高，且具有較強的抗擾動性，可有效抑制并聯系統中環流的產生，對多臺儲能裝置構成的大容量儲能系統在離網運行下的并聯控制策略及均流控制的實現具有重要意義。

1 系統建模

圖1中ioi1、ioi2為變壓器高壓側輸出電流；Zloαd為本地恒阻抗負載，流過負載的電流為兩臺儲能裝置交流側輸出電流之和。其中，對上述變量中的下標i有i= a ,b,c。

根據圖1系統框圖，兩臺儲能裝置并聯系統中每臺儲能電源與變流器的直流側相連，變流器交流側接LCL濾波器，然后經隔離變壓器并聯后與負載相連。單臺變流器可視為一個交流電壓源U1、U2。由于輸出端變壓器漏感的存在，故并聯運行時線路阻抗主要呈感性，即Zl1= jX1，Zl2= jX2，其并聯等效模型如圖2所示[1-2]。

圖1 PCS離網并聯運行系統等效拓撲結構

圖2 兩組儲能裝置并聯運行示意圖

假設并聯母線電壓為U0∠0°，變流器交流側輸出電壓為U1∠φ1、U2∠φ2，則各臺變流器輸出電流為

各臺變流器的輸出功率為

兩臺變流器之間的環流為Ih，則[3]

由式（4）環流公式可知，系統環流與兩臺變流器交流側輸出電壓的幅值、相角以及它們之間的線路阻抗有關。因此為了減小變流器之間的環流需控制各臺變流器的輸出幅值、相角相等，同時在保證線路阻抗相等的前提下，盡量增大輸出線路阻抗。本文提出了基于平均功率均分控制[4]的離網并聯控制策略。

2 儲能系統離網運行控制分析

根據圖1儲能系統離網等效拓撲結構，根據基爾霍夫電壓定律、基爾霍夫電流定律可得離網運行時電路的狀態方程組：

式中，L0和R為折算到變流器側的漏感（包含L2）和等效電阻，將上式進行dq變換，則變流器dq變換后模型為

則由式（6）可得變流器離網運行模型框圖如圖3所示。

根據圖3所示的數學模型，當系統處于離網運行時，此時儲能系統脫離配電網與負荷形成獨立的微電網，儲能系統作為電源向重要負荷供電，同時向微電網提供電壓和頻率支撐，此時需要儲能系統具有恒定的電壓和頻率，因此變流器采用V/f控制[5-6]。V/f控制是包含電流內環、電壓外環的雙環控制。控制原理框圖如圖4所示。

圖3 變流器離網運行時的等效數學模型

圖4 電壓電流雙環控制原理圖

3 基于平均功率均分控制研究

根據式（4），為了抑制系統中的環流，必須保證兩臺變流器交流側輸出電壓幅值和相角一致，在變流器控制中加入功率均衡控制，保證各臺變流器均分功率，從而抑制環流[7]。

假設變流器輸出平均功率時其對應的輸出電壓為Uc_αve∠φc_αve，并且由外置同步信號作為基準進行dq分解，則有

由上式可知，當線路阻抗為純感性時，變流器交流側電壓 q軸分量差異引起有功不均衡，d軸差異造成無功輸出環流。為了實現變流器輸出功率的均衡，可在變流器電壓控制外加入功率均衡的PI控制，通過測量每組并聯系統向母線輸出的電壓U0和電流i0，計算輸出有功、無功功率，與其平均功率相比較，經過PI控制得到功率外環的輸出量，疊加在變流器輸出電壓指令上作為修正，以抑制變流器之間的環流。

結合圖 4、圖 5可得離網運行時基于平均功率均分控制框圖。

圖5 功率外環控制原理圖

圖6 基于平均功率均分控制框圖

4 系統仿真與分析

儲能系統離網仿真模型包括兩套儲能裝置，每套儲能裝置分別由電池模塊、變流器模塊、濾波器模塊、變壓器模塊以及負載組成，如圖7所示。

4.1 控制模塊設計

測取兩臺變流器交流輸出側的電感L1電流和電容C兩端的電壓，計算求得并聯的每組電池輸出的有功功率和無功功率。

圖7 儲能系統多機并聯仿真模型

圖8 第一組儲能裝置輸出功率仿真模型

圖9 第二組儲能裝置輸出功率仿真模型

計算兩組儲能裝置輸出的平均功率的大小仿真模型如圖10所示。

圖10 兩組儲能裝置的平均功率仿真模型

將平均功率與兩組儲能裝置實際輸出功率分別進行比較，如圖11，經過PI調節器后輸出的誤差量作為電壓外環的輸入量，如圖12所示。由電壓電流雙環控制得到dq坐標下的調制波，再由坐標變換為abc坐標系下調制波，與SPWM中的三角波比較后輸出變流器開關管的驅動信號。

圖11 基于平均功率均控制仿真模型

圖12 電壓電流雙環控制仿真模型

4.2 仿真結果分析

對儲能系統多機離網并聯運行進行仿真分析，空載運行檢測輸出電壓的同步情況，以及環流的大小。圖13為兩臺PCS輸出交流側電容電壓波形，從圖中可以看出，經過外同步信號的同步，兩臺PCS的輸出電壓實現了相位的同步，空載運行時，兩臺變流器輸出電壓重合較好，輸出環流較小。

圖13 兩臺PCS輸出交流側電容電壓A相波形

儲能系統并聯帶載運行時，實驗結果如圖14、圖15所示，兩臺PCS的輸出電壓實現了相位的同步，輸出電壓重合較好，輸出環流很小，功率均分控制策略能夠有效的抑制了環流的產生。

圖14 兩臺PCS輸出交流側電容電壓A相波形

圖15 兩臺PCS輸出環流波形

5 結論

本文研究了多機并聯運行情況下，由于各臺儲能裝置的輸出電壓幅值和相角不可能完全相等，同時輸出線路阻抗也有差異，并聯運行系統中必然會產生環流，導致各臺儲能裝置不能均分負載，出現過載狀態，甚至引起并聯系統崩潰。為了抑制環流的產生，提出了基于平均功率的均分控制，該控制方法將經過PI控制得到功率外環的輸出量，疊加在變流器輸出交流電壓指令上作為修正。通過Matlab/Simulink軟件對離網控制策略進行仿真分析驗證，在空載和帶載運行下該控制方法均起到很好的抑制環流的作用，實現了兩臺PCS的均流運行。

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