儲能變流器直流電池電流控制研究

王偉岸

上海電氣集團股份有限公司 輸配電分公司 上海 200042

1 研究背景

儲能技術可以彌補新能源發電的隨機性與波動性,使大規模風電及太陽能發電安全可靠并入電網。同時可以緩解電力系統由于發電、用電不平衡所引起的巨大峰谷差,實現電力的削峰填谷。儲能技術還可以促進微電網的應用,提高供電可靠性。

儲能變流器是儲能系統中的關鍵設備,是儲能介質和電力系統間的紐帶,同時也是實現多樣化儲能系統應用的執行部件。現階段,全球已實現商用或示范應用的電化學儲能介質主要有鉛酸電池、鉛碳電池、鋰電池、液流電池等。受限于產品特性與制造水平,現有儲能電池對充放電電流的倍率和電流波動有一定要求,過大的電流波動和電流峰值不僅會縮短電池的使用壽命,而且會危及整個儲能系統的安全。當電網負載不對稱或發生不對稱故障時,會出現三相不平衡電壓,從而會使儲能變流器直流側電池功率、交流側電網功率出現二倍頻波動。由于直流電池電壓在短時間內基本恒定,因此二倍頻功率波動在電池側表現為充放電電流的波動。該波動電流可能使功率超出電池允許的最大瞬時輸出功率,將導致所需儲能電池的容量增加或電池的使用成本提高。

為改善電壓不對稱情況下的直流功率波動,可以在儲能變流器的直流側增加儲能電容,在直流母線上串接平波電抗器[1-2],或者采用兩級式儲能變流器結構,在直流母線與儲能電池之間增加一級直流變換器,但以上做法不僅會降低整個系統的效率,而且會大大增加系統成本。

筆者分析了三相電壓不平衡時儲能變流器出現二倍頻功率波動的原因,建立了儲能變流器電壓電流雙閉環正負序控制數學模型,在研究傳統并網變流器控制策略的基礎上[3-4],通過改變儲能變流器的電流內環給定值,來抑制直流電池的功率及電流波動,并通過仿真結果證明了所提方法的有效性。

2 儲能變流器數學模型

中點鉗位型三電平變換器是目前應用廣泛的儲能變流器,具有如下優點:① 每個功率管承受的電壓是直流母線總電壓的1/2,允許提高開關管的工作頻率,并且損耗低;② 相同的開關頻率下,輸出波形為三電平疊加,從而使輸出波形的諧波含量低;③ 電容中點的引出可以為系統提供中線輸出能力,方便用于三相四線制電力系統。中點鉗位型三電平變換器結構如圖1所示。

圖1 中點鉗位型三電平變換器結構

選取輸入變量為三相輸入電壓eag、ebg、ecg,狀態變量為交流側三相電流iag、ibg、icg,忽略三相交流濾波電容電流,并忽略直流側上下電容電壓波動,根據基爾霍夫電壓定律方程和基爾霍夫電流定律,建立儲能變流器的數學模型[5-10]:

(1)

式中:S1a、S1b、S1c、S2a、S2b、S2c為三相開關函數;Lf、Rf分別為交流濾波電感的電抗和電阻;uno為儲能變流器直流電容中點與電網電壓中性點間的電壓,當采用三相四線制時,uno為0;t為時間。

在三相靜止坐標系下,三相電壓、電流都是交流量,是時刻變化的,不利于設計控制系統,而同步旋轉坐標系下的變量都是直流量,是保持不變的,便于設計采用比例積分控制原理的控制系統。通過坐標變換,將原儲能變流器數字模型變換為同步旋轉坐標系下數學模型:

(2)

式中:ud、uq分別為儲能變流器輸出電壓的d軸、q軸分量;idg、iqg分別為d軸、q軸下的輸出電流;ω為電網電壓角頻率。

當電網電壓三相不平衡時,如要分序控制儲能變流器,則式(2)數學模型需要變換到正序、負序復矢量下,此時復矢量數字模型為:

(3)

3 不平衡分量提取

以三相電流為例說明不平衡分量的提取方法。在三相三線制系統中,假設交流電流中僅含有基波的正序、負序分量,則在靜止坐標系下,三相電流可表示為:

(4)

式中:ω為電流的旋轉角頻率;Ip、In分別為電流正序、負序分量的幅值;φp、φn分別為負載電流正序、負序分量對應的初相位。

將三相電流從三相靜止坐標系變換到兩相靜止坐標系,應用坐標變換:

(5)

將式(4)代入式(5),可以在兩相靜止坐標系下將電流的α軸、β軸瞬時值分量用正序、負序分量表示:

(6)

式中:ipα、ipβ、inα、inβ為負載電流正序、負序分量對應在兩相靜止坐標系α軸、β軸上的分量。

對式(6)中的ωt作微分運算,可得:

(7)

兩相靜止坐標系下電流瞬時值的微分值可以通過離散數字量計算來得到:

(8)

式中:Δt為計算步長,可采用數字信號處理算法中的中斷時間;iα(t)、iα(t-Δt)、iβ(t)、iβ(t-Δt)為兩相靜止坐標系下本次采樣時刻和上一次采樣時刻的電流瞬時值。

聯立式(6)、式(7),可得:

(9)

通過適當的線性運算,得到兩相靜止坐標系下的電流正序、負序分量,再經過一級旋轉坐標變換,即可變換至相應的同步旋轉坐標系下。

4 儲能變流器直流控制策略

三相不對稱下,儲能變流器的輸出復功率S為:

(10)

分解有功功率p和無功功率q:

(11)

整理式(10)與式(11),可以得到各功率分量幅值的表達式:

(12)

(13)

可以看出,除了恒定的直流功率p0外,還存在功率波動p1、p2。波動幅值的大小與三相電壓不平衡度有關,三相電壓越不平衡,直流功率波動量也就越大。在電網電壓惡劣的情況下,傳統的并網變流器控制方法無法滿足電池的恒電流或恒功率精度要求。

選取式(12)中的前四個方程作為約束條件,并簡化為:

(14)

如儲能變流器的目標為控制直流電流或直流功率恒定,則令p1=p2=0,解得:

(15)

此時在儲能變流器的控制中,采用正序、負序分離的方法,可以分別控制整流器發出給定的正序、負序電流。系統控制框圖如圖2所示。

5 仿真分析

為了驗證正負序提取方法的有效性,應用MATLAB/Simulink仿真軟件進行仿真研究。

仿真時,交流電網額定電壓為380 V,儲能變流器三相交流濾波電感為0.6 mH,三相交流濾波電容為40μF,儲能變流器采用三電平結構,直流側上下支撐電容分別為20 mF,正負直流母線直接連接至儲能電池,電池電壓工作范圍為650～800 V,開關頻率為10 kHz,采用三相正弦脈沖寬度調制方法。

仿真過程中,0 s開始三相電網電壓平衡,在0.05 s時啟動儲能變流器,設定儲能系統輸出有功功率100 kW,從0.1 s開始電網電壓出現三相不平衡,其中A相電壓升高20%,B相、C相電壓保持不變。

仿真結果如圖3所示。由于三相電壓不平衡的影響,利用傳統方法控制儲能變流器后,直流電池電流將出現電流的二倍頻波動,電流波動峰峰值約為70 A。采用直流電流控制策略后,在同樣的電網不平衡條件下,直流電池電流峰峰值可以控制在20 A以內。

為了驗證方法的有效性,再對B相、C相電壓升高、A相電壓降低的不平衡工況進行仿真,仿真結果如圖4所示。同樣可以看出,采用直流電流控制策略后,直流電池電流的波動大幅降低,有利于儲能電池的安全長壽命運行。

圖3 單相電壓升高時仿真結果`

圖4 兩相電壓升高時仿真結果

6 結束語

通過建立儲能變流器正負序控制數學模型,分析三相電壓不平衡下產生直流電流波動的原因,并從抑制直流電流波動角度應用儲能變流器直流電流控制策略,進而大大抑制儲能電池電流和功率波動。雖然這一方法并不能完全將直流電流波動消除,但是這一方法簡便且容易實現,可以滿足實際工程上的需要。通過仿真驗證了這一方法的有效性。