儲能變流器平滑切換的研究

張 飛，萬樂斐，劉 亞

(內蒙古科技大學信息工程學院，內蒙古 包頭 014010)

儲能變流器平滑切換的研究

張 飛，萬樂斐，劉 亞

(內蒙古科技大學信息工程學院，內蒙古 包頭014010)

由清潔能源(如太陽能、風能等)組成的可控制負荷微電網系統發展迅速，極大提高了傳統供電網絡的可靠性。儲能變流系統是微電網系統中能量變換的關鍵系統，是微電網實現“削峰填谷，調劑余缺”的核心。研究儲能變流器技術對實現微電網離并網運行及狀態平穩切換具有實際意義?，F場調研了風電廠光伏發電廠，對儲能變流器平滑切換進行了研究。在分析儲能變流器拓撲結構的基礎上，分別建立三相儲能變流器不同運行狀態的數學模型。采用雙環控制結構，具體分析儲能變流器離并網切換過程電壓、電流畸變的原因。在切換過程中，采用共電流環控制方式降低電壓電流畸變。對儲能變流器平滑切換的仿真結果表明，該系統可以實現不同調制模式間的平滑過渡。

微電網； 儲能； 變流器； 削峰填谷； 獨立運行； 并網運行； 平滑切換； 平滑過渡

0 引言

由于微網系統存在并網和離網兩種工作狀態，儲能變流器需要有并網和獨立運行兩種工作模式，并能實現兩種模式間的平滑切換，以保證本地負載的不間斷供電。當電網發生故障或計劃檢修時，三相儲能變流器需要與大電網解列，由并網運行轉為獨立運行，待電網的故障清除或檢修完畢后，電網重新恢復正常運行；或者，由于試驗的需要，三相儲能變流器又要切換到并網運行模式。三相儲能變流器在獨立運行時輸出電壓的幅值、頻率和相位可能與電網電壓存在差異，如果直接并網，很可能會產生大電流沖擊，對電網和變流器造成損害。所以，變流器在并網之前，必須進行調整,以減小并網時對電網的沖擊。

在微電網的研究領域中，平滑切換問題是近年來人們關注的熱點，也是微電網研究領域的難題。本文在充分研究現有儲能變流器內部算法的基礎上，進行儲能變流器平滑切換的研究，并通過仿真分析驗證了試驗的可行性。

1 雙環控制的切換數學模型

儲能變流器切換模式控制采用雙環控制結構，并且共用電流內環控制器，從而在轉換的過程中大大減小由控制器參數差異造成的并網電流沖擊。Switch1和Switch2是控制模式選擇開關。當變流器選擇并網運行PQ控制方式時，模式選擇開關切換到Id_ref和Iq_ref；當變流器選擇獨立運行V/F控制方式時，模式選擇開關切換到Ud_ref和Uq_ref。

2 變流器仿真與分析

2.1獨立到并網運行

在實際的變流器控制模式切換過程中，由于受到各種因素的影響，模式開關和并網開關同時動作雖是最理想的方式，但不符合實際的工程應用[1]。當控制模式開關切換和并網開關切換時，前后順序不同會使變流器和電網受到很大影響。以獨立運行切換到并網運行為例，當變流器獨立運行時，控制方式為V/F，若在控制方式切換的同時，并網開關也閉合，這種同時切換方式最為理想，但是實際當中很難實現。若控制方式先切換到PQ控制模式，然后再閉合并網開關，這種過渡方式為電流過渡過程；若先閉合并網開關，然后再切換控制方式，這種過渡方式為電壓過渡過程。

電流過渡方式切換步驟如下。

①檢測電網電壓，分析此刻電網電壓的頻率、幅值和相位信息。

②三相變流器的輸出電壓按照步驟①中電網電壓的量進行調整。

③控制模式先切換到并網控制模式，循環檢查并網條件。若符合，閉合并網開關。

變流器由獨立運行切換到并網運行時，變流器初始工作在獨立運行模式，在檢測到并網信號后，變流器控制方式先切換到PQ控制方式，然后循環檢測變流器輸出電壓的頻率、相位和幅值，若滿足并網要求即閉合并網開關。切換時，還需要考慮系統的功率平衡，保證切換過程的平滑進行[2]。

仿真模型中，變流器以V/F模式啟動運行，設定負載吸收的有功功率(P)為7kW，無功功率(Q)為0。在0.5s時,變流器的控制方式由V/F控制模式切換到PQ模式。盡管兩種控制模式共用一個電流環，但是外環參數的差異仍然會造成電流的沖擊，切換后變流系統需要重新進行參數調整。

變流器輸出與并網的有功、無功功率如圖1所示。從圖1可知，有功功率P輸出下降到5000W，經0.025s后輸出電流和電壓跟蹤上給定值，重新達到穩定狀態；為了觀察變流器和電網之間的能量交換，向電網輸送多余電量，甩去了1kW次要負載。

圖1 輸出與并網功率

變流器獨立到并網時輸出電壓、電流波形如圖2所示。從圖2可知，在控制方式切換的瞬間，變流器的輸出電壓下降到286V，小于額定電壓的10%，電流下降到13.5A。

圖2 輸出電壓、電流波形(獨立到并網)

變流器獨立到并網時，C相并網電壓、電流波形如圖3所示。

圖3 C相并網電壓、電流波形(獨立到并網)

從圖3中可以看出，在0.6s時，變流器向電網輸送電能。這個過程中系統會檢測變流器輸出電壓與電網電壓是否滿足頻率和幅值的差值范圍。若滿足要求則閉合并網開關，完成并網切換過程[3]。

變流器切換到并網運行模式后，變流器的有功功率給定值是8kW，無功功率是0。除向負載供電外，變流器還可向電網輸送功率1kW。從仿真可以看到，在0.6s 時，變流器輸出電流無明顯變化，但是因為切掉了次要負載，導致電壓增至324V，電壓增幅為額定電壓的4%，差值在允許的范圍之內[4]。此外，在負載驟減的瞬間，輸出電壓和電流發生輕微畸變，使得輸出無功功率有明顯的增加，經0.03s 后恢復穩定。從圖3可以看出，在0.6s時切換到并網運行模式，經0.02s電壓、電流實現并網[5]。

2.2并網到獨立運行

變流器由并網狀態切換到獨立運行狀態時，變流器初始工作狀態是并網運行PQ控制模式。當電網故障或者由于試驗需要，變流器與大電網必須被斷開，轉入獨立運行模式。由上文的分析可知，切換過渡方式可以有多種。為了盡可能減小獨立運行負載電壓的波動，并且確保大電網故障時變流器與大電網解列及時且迅速，所以三相儲能變流器由并網運行切換到獨立運行時，首先斷開并網開關，然后再切換控制模式。

切換控制模式的步驟如下。首先，檢測電網信號，判斷是否故障，或者有離網運行的需求；檢測到故障或者離網信號后，迅速斷開并網開關，使變流器與電網解列；最后，變流器切換到獨立運行模式，轉入獨立運行狀態。根據上述切換步驟，可得出變流器該過程仿真波形。輸出與輸入電網功率，并網到獨立時輸出的電壓、電流波形以及C相并網電壓、電流波形分別如圖4～圖6所示。

圖4 輸出與輸入電網功率

圖5 輸出電壓、電流波形(并網到獨立)

圖6 C相并網電壓、電流波形(并網到獨立)

仿真模型中，變流器的初始工作狀態是 PQ 并網運行模式，變流器給定的有功功率值為8kW，無功功率為0，負載所需有功功率被設置為7kW，無功功率為0。在0.1s 時，當變流器與電網解列的信號發出后，并網開關動作斷開，將變流器與電網解列。為了保持切換前后功率平衡，并網開關斷開同時投入次要負載，大小為1kW。由圖4(b)可以看出，在0.1s 時刻，并網開關斷開和投入負載造成功率變化，有功功率曲線產生突變[6]；在0.2s 時刻，將變流器的控制策略切換成V/F控制，由于控制器參數的變化，變流器需要重新調整輸出電壓和電流，因此電壓和電流瞬時跌落到295V和16.4A[7]。從圖5可以看到，電壓、電流的變化進一步導致圖4(a)變流器輸出的有功功率驟減，有功功率下降到6kW，經過0.035s重新輸出負載所需的功率的大小。由此可以看出，與大電網解列后，變流器迅速停止向電網輸送功率[8]。

3 結束語

本文分析了變流器平滑切換的重要性，對變流器的平滑切換技術進行了理論分析與仿真實踐，并基于MATLAB軟件、通過數學計算搭建系統，進行充放電的控制。仿真波形證明，該系統可以并網運行或者獨立運行，并可以實現兩種控制模式的平滑切換[9]。

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[7] 趙清林，郭小強，鄔偉揚.單相逆變器并網控制技術研究[J].中國電機工程學報，2007，27(16)：60-64．

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ResearchontheSmoothSwitchingofEnergyStorageConverter

ZHANG Fei，WAN Lefei，LIU Ya

(School of Information Engineering,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou014010,China)

The load controllable micro-grid system which consists of clean energy,such as solar and wind energy,has been developing rapidly; this greatly improves the reliability of the traditional power supply network.Energy storage converter system is the key system of energy transformation in the micro-grid system; it is the core for micro-grid to realize “peak clipping and valley filling,as well as surplus and deficiency adjusting”.The research on the technology of energy storage converter possesses practical significance for implementing the grid-connected and grid-disconnected operations of micro-grid,and the smooth state switching. On the basis of field investigation for wind power plants and photovoltaic power plants,the smooth switching of energy storage converter is researched.Having been analyzing the topologic structure of energy storage converter,the mathematical models of three-phase energy storage converter under different operating states are established respectively.By using dual loop control structure,the reasons of voltage and current distortions during the switching process of energy storage converter are analyzed specifically.In switching process,the common current control mode may reduce the distortions of voltage and current.The simulation result of smooth switching proves that the system can achieve smooth transition between different modulation modes.

Micro-grid; Energy storage; Converter; Peak clipping and valley filling; Independent operation; Grid connected operation; Smooth switching; Smooth transition

TH7;TP17

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201710009

修改稿收到日期:2017-04-25

張飛(1982—)，男，碩士，講師，主要從事新能源技術的研究。E-mail3555153@qq.cm。

萬樂斐(通信作者)，男，在讀碩士研究生，主要從事變流器的開發工作。E-mail:1104691235@qq.com。