基于光伏微網的儲能變流器設計與實現

趙思遠，于慶廣，黃 杰

(清華大學電機系，北京100084)

基于光伏微網的儲能變流器設計與實現

趙思遠，于慶廣，黃 杰

(清華大學電機系，北京100084)

儲能裝置作為微網的重要組成部分之一，對微網的安全穩定運行起到了重要的作用。基于太陽能光伏發電系統，設計了具有并離網切換功能的儲能變流器樣機。該樣機采用Power PC與FPGA協同配合作為核心元件，使用PQ控制及V/f控制策略，具備并離網切換功能，能夠向電網提供有功、無功支撐，穩定電網電壓和頻率，同時可以配合多種儲能設備。使用主被動相結合的孤島檢測方法，快速準確地切換并網離網模式。樣機在多種工況下，進行了并離網實驗，很好地滿足了設計要求，達到工業應用的標準，具有良好的推廣價值。

儲能變流器;PQ控制;V/f控制;孤島檢測

在工業革命之后，世界能源的消耗量急劇增加，傳統能源大量使用，這些直接導致了生態環境的不斷惡化。在溫室效應引發全球氣候變化的情況下，電能作為最清潔最便利的一種能源，受到了全世界各行業的關注。電網規模越來越大，導致發電側和用戶之間的穩定性和可靠性下降，而諸如風能、太陽能等分布式電源的發展介入，致使電力系統的可靠性受到更大的威脅。由于分布式電源本身具有隨機性、間歇性等特點，能量輸出并不穩定。為了能夠更好地讓微網協同大電力系統運作，美國可靠性技術解決方案協會率先提出了微網的概念，來解決微網和大電網之間的矛盾。微網是微電網的簡稱，具有能夠自我控制自我管理就地性好的自治網絡，在功能上，既可以作為電源接入大電網，又可以作為負載在大電網下運行。微網的常用組成部分包括分布式電源模塊、儲能模塊、變流器模塊、負荷、監控模塊及保護模塊[1-5]。

微網核心之一的分布式電源模塊，輸出的能量具有波動性，以本文研究所涉及的光伏陣列為例，太陽能光伏板的發電情況極度依賴光照條件，日照時間和日照強度是影響其穩定性的重要因素。為了讓微網系統的能量出入符合大電網的指標，需要儲能模塊對功率進行調節。

本文研究的儲能變流器，基于北京京能清潔能源電力股份有限公司100 MVA光伏電站中的100 kVA廠用電微網，作為電網與儲能設備之間的接口，是微網系統的重要組成部分之一。它能夠運行在并網模式和離網模式，可以在兩者之間進行模式切換。根據分布式發電和微網建設的要求，儲能變流器具有對電網提供有功、無功支撐，同時配合多種儲能設備，如鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池、超級電容等接入電網進行充放電等作用。

1 儲能變流器的設計與實現

根據儲能系統的應用場合，儲能變流器要配合光電站進行平滑的功率輸出；在微網中，實現電網的調峰調谷以及離網時刻確保重要負荷不斷電，維持電網電壓和頻率的穩定[6]。本文的儲能變流器樣機具有以下基本設計思想：

(1)采用基于空間矢量控制的PQ控制算法，實現儲能系統并網時較高的控制性能；

(2)采用V/f控制算法，實現離網下，儲能系統作為微網運行的主電源控制；

(3)采用平滑控制思想，保證PQ控制和V/f控制兩種控制方式之間的快速平穩過渡；

(4)采用主動和被動孤島檢測算法準確檢測出孤島時刻，確保兩種控制模式之間的轉換時刻的準確性。

根據引言中的研究及上述設計思想，本文設計的儲能變流器硬件系統包括以下部分：主功率回路系統、控制器系統、邏輯回路系統、驅動電路系統、電源系統、采樣電路系統、顯示回路系統及其他部件。主功率回路系統主要由直流斷路器、直流接觸器、直流預充電電阻、功率模塊、交流電抗器、濾波電容電抗、隔離變壓器、交流接觸器、交流斷路器構成，主要完成電能的變換。其中，濾波器采用LC濾波器。由于單電感L濾波器需要很大的電感值，在本文的功率要求下，成本會很高，故不予采用。而LCL濾波器為三階濾波器，控制策略較為復雜，增加了研發成本，所以本文選用LC濾波器[7]。控制器主要包括Power PC與FPGA。其中FPGA方便進行AD控制，也可以完成PWM驅動信號的計算；而Power PC主要進行全系統的能量控制策略的實現和保護，以及與其他系統的通信。電源系統主要包括UPS、開關電源、電源隔離變壓器。采樣電路主要包括直流電壓霍爾、直流電流霍爾、交流側電壓互感器和交流側電流互感器，主要采樣值位置參考圖1。驅動電路系統中，主體為IPM功率模塊，將其與IGBT結合共同實現驅動。儲能變流器的電氣部分主拓撲和部分控制結構如圖1所示。根據設計要求和硬件條件(主要是Power PC與FPGA)，軟件系統包括：系統初始化模塊、AD采樣處理模塊、保護模塊、孤島檢測模塊、PQ矢量控制模塊、VF控制模塊、脈沖生成模塊、通訊模塊及人機界面模塊。

圖1 儲能變流器主拓撲結構及PQ控制模塊

1.1 PQ控制

1.1.1 電流內環控制

電流內環控制主要包括有功調節及無功調節，都采用增量式PI閉環控制。電流的給定值是功率閉環調節的輸出值，電流的實際值為dq坐標系下的d軸分量和q軸分量[8]。在單位功率因數條件下，無功電流的給定值為0。控制方程為：

式中：id_ref、iq_ref為有功電流給定值、無功電流給定值；id、iq為有功電流實測值、無功電流實測值。

1.1.2 功率外環控制

采用增量式PI閉環控制，功率給定值為監控下發的功率指令，實際值通過交流電壓電流的采樣值計算得到。有功無功給定值分別和實際值比較，差值經PI調節，并經過限幅處理，輸出結果作為內環電流給定的幅值。電流限幅曲線由監控給定。控制方程為：

式中：Pref、Qref為有功、無功給定值；P、Q為有功、無功計算值。

利用交流側電壓電流的采樣值，使用傅里葉變換進行計算，求出基波分量的有功及無功，計算過程如公式(3)：

式中：x(k)是一個周波內的第k個采樣值；N是一個周波內的采樣次數。基波分量的有功值和無功值為：

1.2 恒流/恒壓充放電

恒流充放電時，外環采用直流電流PI控制，維持充放電電流的恒定。通過與FPGA連接的AD模塊及采集傳感器，取得直流母線電流值，將該值作為電流的實際值，電流的給定值由儲能電池允許的充放電電流大小決定。直流電流外環調節的輸出量，在經過處理后，將其作為電流內環有功電流的給定值。恒壓充放電時，外環采用直流電壓PI調節，維持電池電壓的恒定。通過與FPGA連接的AD模塊及采集傳感器，取得直流母線電壓值，將該值作為電壓的實際值，電壓的給定值由儲能電池允許的充放電電壓大小決定。直流電壓外環調節的輸出量，在經過處理后，將其作為電流內環有功電流的給定值。控制器結構如圖2所示。

圖2 恒流/恒壓充放電控制原理圖

以恒流充放電控制為例：

電流內環無功電流的給定值由有功電流給定值和要求的功率因數求取：

1.3 電壓/頻率控制

離網模式下，儲能系統獨立給負荷供電或儲能系統在微網中作主電源運行時，要為負荷提供電壓和頻率支撐，維持供電點電壓和頻率的穩定，采取定電壓和定頻率控制策略(V/f控制)[3,8]。V/f控制框圖如圖3所示。

圖3 V/f控制框圖

(1)電壓閉環控制

PI調節器的輸入端為額定線電壓有效值和傅氏變換求出的電壓有效值的差值，輸出端為電壓矢量參考幅值，經計算可得：

(2)頻率開環控制

頻率使用電網的額定頻率，則將其積分，得到電壓相位角。本文選用頻率開環控制，主要因為開環控制下精度可以達到設計要求。

2 孤島運行檢測

儲能電流器并網作為電源運行時，輸出電壓是由電網控制的，逆變器所能控制的只是輸入電網的電流，包括電流幅值、相位和頻率。其中頻率和相位應與電網電壓相同，在實際系統中一般都是通過與公共耦合點(PCC)電壓過零點同步來實現的，而幅值是根據實際系統來調節的[9]。

電網系統本身具有基本的過壓欠壓、過頻欠頻監測，如果出現異常，會將分布式電源切離系統，這被稱為被動式的反孤島措施。這種孤島檢測條件下，當PCC點的電壓幅值或者頻率出現異常，就主動進入保護狀態。但這種檢測方式并不準確，一旦發生事故，對設備和人身安全會造成重大損失。

在研究孤島檢測技術時，我們只要將分布式電源相關的部分等效成一個整體，并不需要深究其內部控制，準確地描述其輸出特性即可。所以，本文在進行研究工作時，將逆變電源等效成一個受控電流源，其幅值可調，頻率和相位都跟蹤大電網，等效電路如圖4所示。

圖4 孤島運行等效電路

圖4中，當并網開關閉合時，逆變器輸出功率為PI+jQI，負載獲得的功率為Pload+jQload，電網向負載注入的功率為ΔP+jΔQ，此時，公共耦合點電壓的幅值和頻率由電網決定。當ΔP≠0且ΔQ≠0的情況下，如果此時電網斷開，公共耦合點的運行參數(電壓、頻率和幅值)就會發生變化，所以把ΔP、ΔQ稱為功率不匹配程度,有公式為：

由式(8)可知，若已知允許輸出電壓范圍[(380±10%)V]、允許輸出頻率范圍[(50±1%)Hz]和品質因數(2.5)，可以得到這樣的規律：公共耦合點電壓的幅值和頻率與有功功率和無功功率有關，其中，幅值僅與有功功率有關，而頻率與二者都有關系；對于PCC點的電壓頻率而言，主要影響因素是無功不匹配程度。

目前比較通用的孤島檢測方式即為監測公共點電壓和頻率，根據電壓、頻率是否超出正常范圍來判斷電網的存續狀態。這是孤島檢測中最常用的指標，不需外加任何硬件，但如果負載消耗的功率與逆變器輸出的功率相差不大，使失壓前后電壓或頻率的變化較小，僅根據電壓信號判別孤島就會出現失誤，如果不與其他技術配合，會有較大檢測盲區。

結合仿真分析及經濟性考慮，本文選用被動式監測(過欠壓保護及過欠頻保護)與對無功功率實施擾動相結合的方法。通過每秒在無功電流指令上疊加一個10～20 ms，大小為3～5 kvar的脈沖電流指令，測量并網、孤島狀態下頻率的波動，用以進行主動檢測。

3 實驗結果

本文設計的儲能變流器，接入光伏微網系統中，進行離網啟動-同期并網-并網充放電-離網實驗，實驗波形取交流側電壓電流。實驗接線拓撲如圖5所示，太陽能光伏陣列經由DC/DC及DC/AC變換接入電網，蓄電池組和DC/DC變換器通過儲能變流器接入電網。通過斷路器的分合，實現實驗目的，實驗結果詳見本節。

圖5 實驗接線拓撲圖

3.1 離網啟動

根據圖 5 進行接線，分斷路器 K4、K5、K6、K1、K2，合斷路器K3，接入負載，離網條件下，進行V/f控制啟動，啟動波形如圖6所示。從圖中可以看到，電壓在兩個周波內達到穩定，電流在前三個周波有微小畸變，隨即達到穩定，滿足設計要求。

3.2 離網-并網實驗

離網啟動成功后，分斷路器K3，在離網狀態下待機，合斷路器K1，轉為在并網狀態下待機，波形如圖7所示。圖中光標左側是離網待機下電流電壓波形，右側是并網后電流電壓波形。可以觀察到在切換過程中，電壓穩定，電流有微小畸變，將在20個周波左右平穩。

圖6 離網V/f啟動實驗波形(帶載)

圖7 離網-并網實驗波形

3.3 并網充放電實驗

并網成功后，進行PQ控制充放電實驗，實驗波形如圖8所示。光標左側是40 kW充電波形，電池接近充滿時，儲能變流器轉為待機模式，隨后進行75 kW放電。在40 kW充電過程中，電壓穩定，充電結束后，電流在半個周波內衰減到零，滿足充電的要求；放電開始時，電流在一個周波內有微小畸變，隨即達到穩定，電壓始終穩定，滿足放電的要求。

圖8 40 kW充電-待機-75 kW放電實驗波形

3.4 并網-離網切換實驗

并網條件下，保持蓄電池能量在90%左右，進行并網-離網切換實驗，實驗包括無負載條件下離網切換及負載不斷電情況下離網切換。無負載條件的實驗，首先分斷路器K3，實驗系統中只有儲能變流器接入電網運行，再分斷路器1，波形如圖9(a)所示，電流在半個周波內變為零，電壓在第一個周波有微小畸變。負載不斷電情況下，合斷路器K3，此時由電網與帶蓄電池的儲能變流器為負載供電，再分斷路器1，波形如圖9(b)所示，此時由儲能系統單獨為負載供電。離網后的第一個周波電流有微小畸變，隨后恢復正常，而電壓在切換過程中降低，經過約20個周波調回，負載不掉電，由于儲能系統單獨為負載供電，電流幅值變大。

圖9 儲能變流器并網-離網切換實驗波形

4 結語

本文設計的儲能變流器，能夠在離網條件下進行V/f控制啟動，單獨對負載供電，供電電壓電流符合市電標準；可以實現離網-并網的雙向切換，切換過程中電壓電流畸變小。并網期間可以進行恒流充放電與恒壓充放電，對電網起到削峰填谷的作用。主被動結合的孤島檢測方式，使其能夠快速準確地進行反孤島保護。由于科研時間限制，本文僅針對儲能系統與電網之間展開研究，在后期可以結合光伏發電系統及不同的儲能設備，展開全系統的測試與實驗。

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Design and realization of energy storage converter for solar photovoltaic system

ZHAO Si-yuan,YU Qing-guang,HUANG Jie
(Department of Electrical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

Energy storage device is an important part of the micro-grid and plays an important role in the safe and stable operation of the micro-grid.Its core component is the battery energy storage converter.A prototype of energy storage converter was designed with the mode of grid and off-grid,based on the solar photovoltaic systems.Using power PC and FPGA as the main controller,the converter could provide support for active and reactive power and match different energy storage device.The prototype adopted a hybrid method to switch between the mode of grid and off-grid accurately.In a variety of conditions,the prototype gave a good performance.So the energy storage converter has good popularization value.

energy storage converter;PQ control;V/f control;islanding detection

TM 615

A

1002-087 X(2017)07-1031-04

2016-12-01

趙思遠(1990—)，男，遼寧省人，碩士研究生，主要研究方向為微網控制理論等。