配合分布式發電的儲能變流器控制策略研究

配合分布式發電的儲能變流器控制策略研究

余永元，張曉航，龍航，羅奇

(貴州大學電氣工程學院，貴州貴陽550025)

摘要：功率平衡是供電系統穩定運行的基礎，儲能系統儲存釋放能量，平抑能量波動、負荷擾動，有效提高可再生能源利用率。針對儲能變流器提出控制策略，聯網模式下，運行功率解耦控制策略，孤島模式下，運行恒壓恒頻控制策略，以及孤島模式切換聯網模式時，執行頻率擾動控制方法。該控制策略的研究，實現含儲能供電系統的可靠、穩定運行。

關鍵詞:儲能系統功率解耦模式轉換功率平衡

中圖分類號：TM715文獻標識碼：A

作者簡介：余永元(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向：電能質量變換與功率變換技術。

收稿日期：2015-03-17

The study of the control strategy for power storage convertor with distributed generation

YU Yongyuan, ZHANG Xiaohang, LONG Hang, LUO Qi

Abstract:Power balance is the basis of the stable operation of the power system. Energy storage system (ESS) is used to store and release energy, stabilize energy fluctuation, load disturbance, so as to effectively improve the utilization of renewable energy. This paper proposes a control method for energy storage converter, that is, under the mode of network, operating decoupled power control strategy, under isolated mode, operating constant voltage constant frequency control strategy, and under switching mode between island and network, frequency disturbance is in operation. This control strategy realizes the reliable and stable operation of the system.

Keywords:ESS；power decoupling；mode switching；power balance

0引言

全球面臨著不可再生能源的日漸枯竭，以及能源消耗帶來的環境污染日趨嚴重等問題，可持續發展受到嚴重威脅，能源的升級轉型和低碳環保勢在必行[1-2]。風能、太陽能憑借其綠色環保、可再生的優勢得到優先發展，然而由于風能、太陽能等間歇式能源自身具有能量密度低、間歇性、隨機性等特點，這給風能、太陽能發電系統的穩定性運行帶來一定的影響[3-4]。在含間歇式能源供電系統中運用儲能技術，可以有效改善供電質量。儲能技術可以在高能量區間儲存能量，低能量區間釋放能量，這不僅可以平抑間歇式能源的能量波動和負荷的投切擾動，而且提高能量有效利用率[5-7]。

在此本文深入研究儲能變流器控制策略，含儲能供電系統運行于孤島模式時，執行頻率電壓恒定的控制策略，解決功率平衡，頻率電壓恒定等一系列問題。含儲能供電系統運行于聯網模式時，執行定功率控制策略，響應調度指令，提高電網運行效率。

1系統建模與控制策略

圖1　帶儲能供電系統 結構簡圖

圖1為含儲能供電系統結構簡圖，系統為多個負載(Load)供電，同時儲能單元(ESS)和間歇式分布式發電單元(DG)連接系統母線。該系統主要工作在兩種運行模式，孤島模式和聯網模式，兩種模式切換時儲能單元的控制方式也要相應切換[8]。孤島供電模式時，為了維持系統母線電壓頻率恒定，系統功率平衡，儲能變流器運行恒壓恒頻控制策略。聯網供電模式時，有電網支撐，儲能變流器定功率輸出，此時儲能變流器運行功率解耦控制策略，實現儲能單元能量管理，可有效提高能量利用率和延長儲能裝置壽命[9-10]。

1.1功率解耦控制

圖2為儲能單元電路拓撲結構圖，根據基爾霍電壓定律，建立儲能變流器數學模型，由Park變換可得dq坐標系下狀態方程。選取dq坐標系定向，使得ud=U，uq=0，U為電網電壓幅值。

圖2　儲能單元電路拓撲結構圖

其中，u為母線電壓，L為平波電抗器，R為線路電阻，i為變流器輸出電流，ω為電網角頻率，P為輸出有功功率，Q為輸出無功功率，下標d與q表示dq坐標系下的對應軸分量。由狀態方程可知，變流器輸出有功功率與id相關，無功功率與iq相關，由此可以實現帶儲能供電系統聯網模式運行時，儲能變流器功率解耦控制。

圖3為功率解耦控制策略結構框圖，采用雙閉環控制，外環功率控制和內環電流控制，外環功率控制產生內環電流參考信號，跟蹤功率給定參考值。內環電流控制提高動態響應速度，改善魯棒性能。

圖3　功率解耦控制策略原理圖

1.2恒壓恒頻控制策略

孤島供電系統失去電網支撐，負荷波動和風能、太陽能等間歇式能源的接入，都會給孤島供電系統供電質量帶來影響。含儲能供電系統孤島模式運行時，儲能變流器運行恒壓恒頻控制策略，調節儲能單元功率輸出，實現孤島供電系統的功率平衡，穩定系統頻率和電壓。

圖4為恒壓恒頻控制策略原理圖，反饋系統母線電壓并與電壓給定值uref比較，通過PI調節輸出電壓參考信號，調制信號經過SVPWM處理，產生PWM脈沖，驅動IGBT功率模塊。

圖4　恒壓恒頻控制策略原理圖

1.3控制策略的切換

系統并網需要檢測電壓、頻率、相位等信號，當電壓幅值、頻率、相位滿足并網條件時才能并網合閘[11-12]。如果電網頻率與孤島系統頻率一致但相位不一致，相位一致條件很難達到。本文提出頻率擾動的方法解決這一問題，頻率擾動方法就是檢測電網和孤島系統的相位差值，經過PI調節后產生頻率擾動量，頻率擾動方法加快電網和孤島母線的電壓相位同步。當電壓幅值與相位一致時并網合閘，同時切換到功率解耦控制策略。聯網運行模式切換到孤島運行模式時，及時檢測孤島狀態，迅速切換到恒壓恒頻控制策略。

2仿真分析

為驗證儲能變流器控制策略，本文基于Matlab/Simulink搭建帶儲能供電系統仿真模型，并進行離線仿真實驗，仿真步長5×10-5s，仿真時間10s。

(1)孤島模式仿真

孤島運行模式下，0 s到4 s間歇式能源輸出有功功率為0 W，4 s到10 s間歇式能源輸出有功功率為100 kW。 0 s到7 s接入400 kW負荷，7 s到10 s接入500 kW負荷。圖5為系統各單元有功功率曲線，由圖可知控制策略有效調節儲能單元功率輸出，實現孤島運行模式下的功率平衡。圖6為系統A相電壓波形，系統線電壓有效值690V，即使間歇式能源功率輸出變化，還是負荷容量變化，系統電壓維持恒壓恒頻，滿足供電質量要求。

圖5　系統各單元有功功率曲線

圖6　系統A相電壓波形

(2)聯網模式仿真

聯網運行模式下，電網是儲能系統的電壓同步源，鎖相環鎖定電網相位，儲能單元運行功率解耦控制策略，響應功率輸入輸出指令。圖7為各單元有功功率曲線，圖8為系統A相電壓波形。0 s到4 s間歇式能源輸出有功功率為0 W，4 s到10 s間歇式能源輸出有功功率為100 kW。 0 s到7 s接入400 kW負荷，7 s到10 s接入500 kW負荷。0 s到10 s儲能單元響應充電指令，輸入有功功率100 kW。由圖可知該系統聯網運行時，即使系統工況發生變化，該系統依然可靠、穩定運行。

圖7　系統各單元有功功率曲線

圖8　系統A相電壓波形

(3)模式切換

圖9為孤島模式切換到聯網模式電網與系統母線A相電壓波形，4 s時刻運行頻率擾動控制策略，4.55 s時刻電網與系統母線同相位，此時并網合閘。圖10為系統各單元有功功率曲線，0 s到10 s間歇式能源輸出100 kW,接入負荷400 kW，4.55 s前系統孤島運行模式，功率平衡。4.55 s后切換到聯網模式，儲能變流器響應調度指令，輸入有功功率100 kW。仿真結果表明控制策略可以實現運行模式的平滑切換。

圖9　A相電壓波形

圖10　系統各單元有功功率曲線

3結論

本文提出了一種儲能變流器控制方法，使得含儲能供電系統工作在孤島模式時，儲能變流器具有電壓源輸出特性，實現系統內部功率平衡，提供電壓頻率支撐；工作在聯網模式時，儲能變流器具有定功率輸出特性，響應調度指令實現儲能系統的能量管理；同時該控制方法可實現孤島模式到聯網模式的平滑切換。仿真結果表明該控制方法合理、有效。

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張曉航(1990-),男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子在電力系統中的應用。

龍航(1987-),男，碩士研究生，主要研究方向：電能質量變換與功率變換技術。

羅奇(1990-),男，碩士研究生，主要研究方向：電能質量變換與功率變換技術。