兩級(jí)式儲(chǔ)能逆變器并離網(wǎng)控制技術(shù)

吳偉亮，侯 凱，王小紅，楊合民，簡優(yōu)宗，胡 靜

[1.南瑞集團(tuán)有限公司(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)，江蘇 南京 211106；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106]

0 引 言

近年來以光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電為主的新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展越來越迅速，但是這些新能源發(fā)電的波動(dòng)性大，可預(yù)測(cè)性較差，導(dǎo)致新能源的利用率降低[1-4]。而微電網(wǎng)系統(tǒng)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠解決新能源發(fā)電波動(dòng)性大、穩(wěn)定性差的問題。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以將新能源發(fā)電中多余的電能儲(chǔ)存到電池中，在用電量大時(shí)將電池能量釋放到電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)“削峰填谷、調(diào)劑余缺”[5-7]的功能，從而提高了電能的利用率。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部分是儲(chǔ)能逆變器，承擔(dān)著變流任務(wù)，本質(zhì)是雙向可逆的交流/直流變換器，既可以將電網(wǎng)輸出的電能或新能源發(fā)電經(jīng)過儲(chǔ)能逆變器變成直流給電池充電，又可以將電池釋放的能量經(jīng)儲(chǔ)能逆變器變成交流回饋給電網(wǎng)或者給負(fù)載供電。

文獻(xiàn)[8-10]采用的是單級(jí)式儲(chǔ)能逆變器，雖然結(jié)構(gòu)簡單、功率器件較少，但缺點(diǎn)是直流輸出電壓范圍小，必須提高蓄電池額定電壓。

本文設(shè)計(jì)了一種兩級(jí)式儲(chǔ)能逆變器，其中一級(jí)是網(wǎng)側(cè)三相全橋變換器，另一級(jí)是由3個(gè)交錯(cuò)并聯(lián)回路構(gòu)成的直流變換器。與單級(jí)式儲(chǔ)能逆變器相比，不僅擴(kuò)大了直流輸出電壓范圍，而且提高了總輸出電流的能力。采用該儲(chǔ)能逆變器可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)、離網(wǎng)運(yùn)行。

1 主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1為兩級(jí)式儲(chǔ)能逆變器的主回路結(jié)構(gòu)，包括380 V/50 Hz電網(wǎng)、輸入斷路器(ICB)、預(yù)充電接觸器(PSW)、預(yù)充電電阻Rg、負(fù)載、網(wǎng)側(cè)濾波電容Cg、網(wǎng)側(cè)濾波電感Lg、網(wǎng)側(cè)變換器、直流支撐電容Cdc、直流變換器、輸出濾波電感(Lo1、Lo2、Lo3)、輸出濾波電容Co、直流斷路器(OCB1、OCB2)、直流預(yù)充電電阻Rb、蓄電池等部分。該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)能量從電網(wǎng)流出，經(jīng)過網(wǎng)側(cè)變換器和直流變換器，轉(zhuǎn)換成直流電，給蓄電池充電；也可以實(shí)現(xiàn)能量從蓄電池流出，經(jīng)過直流變換器和網(wǎng)側(cè)變換器，轉(zhuǎn)換成交流電，給負(fù)載供電。直流變換器由3個(gè)交錯(cuò)并聯(lián)的回路組成。圖1中usa、usb、usc為電網(wǎng)電壓，isa、isb、isc為電網(wǎng)電流，uga、ugb、ugc為輸入儲(chǔ)能逆變器電壓，iga、igb、igc為輸入儲(chǔ)能逆變器電流，ica、icb、icc為輸入網(wǎng)側(cè)變換器電流，Udc為直流母線電壓，io1、io2、io3為直流變換器各回路輸出電流，Uo為直流變換器輸出電壓，io為直流變換器總輸出電流。圖1中m為計(jì)算電網(wǎng)輸入有功功率點(diǎn)，n為計(jì)算輸入儲(chǔ)能逆變器有功功率點(diǎn)，p為計(jì)算輸入網(wǎng)側(cè)變換器有功功率點(diǎn)，q為計(jì)算輸入蓄電池有功功率點(diǎn)。

圖1 兩級(jí)式儲(chǔ)能逆變器的主回路結(jié)構(gòu)

2 控制原理

兩級(jí)式儲(chǔ)能逆變器有2種工作模式:并網(wǎng)工作模式和離網(wǎng)工作模式。并網(wǎng)工作模式下，電網(wǎng)直接給負(fù)載提供能量，同時(shí)電網(wǎng)能量流向蓄電池，此過程網(wǎng)側(cè)變換器為整流模式，控制直流母線電壓穩(wěn)定，直流變換器的3個(gè)交錯(cuò)并聯(lián)回路均工作在降壓斬波模式，將直流母線電壓降壓后給蓄電池充電。離網(wǎng)工作模式下，電網(wǎng)與負(fù)載斷開連接，能量由蓄電池流向負(fù)載，此過程網(wǎng)側(cè)變換器為逆變模式，控制交流電壓穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載供電電源穩(wěn)定，直流變換器的3個(gè)交錯(cuò)并聯(lián)回路均工作在升壓斬波模式，通過釋放蓄電池能量維持直流母線電壓穩(wěn)定。

2.1 并網(wǎng)工作模式

2.1.1 并網(wǎng)工作模式下網(wǎng)側(cè)控制

并網(wǎng)工作模式下，網(wǎng)側(cè)變換器為整流模式，采用直流母線電壓外環(huán)和交流電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制策略，來控制直流母線電壓和輸入功率。根據(jù)整流器數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出實(shí)際的控制電壓如下：

(1)

圖2 并網(wǎng)工作模式下網(wǎng)側(cè)變換器控制策略

2.1.2 并網(wǎng)工作模式下直流側(cè)控制

圖3 并網(wǎng)工作模式下直流變換器控制策略

2.2 離網(wǎng)工作模式

2.2.1 離網(wǎng)工作模式下網(wǎng)側(cè)控制

離網(wǎng)工作模式下，網(wǎng)側(cè)變換器為逆變模式，采用交流電壓外環(huán)和交流電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制策略，控制交流電壓穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載供電電源穩(wěn)定。根據(jù)逆變器數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出實(shí)際的控制電壓如下：

(2)

圖4 離網(wǎng)工作模式下網(wǎng)側(cè)變換器控制策略

2.2.2 離網(wǎng)工作模式下直流側(cè)控制

離網(wǎng)工作模式下，蓄電池釋放能量，經(jīng)過直流變換器的3個(gè)交錯(cuò)并聯(lián)回路的升壓斬波控制，從而控制直流母線電壓穩(wěn)定，此過程只有VD8、VD10、VD12功率單元中的全控器件工作，而VD7、VD9、VD11功率單元中只有反并聯(lián)二極管參與續(xù)流工作。控制策略為3個(gè)回路均采用直流母線電壓外環(huán)和回路輸出電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制，電流內(nèi)環(huán)PI的輸出作為占空比信號(hào)，控制不同回路的載波之間差為120°減小總輸出電流的波動(dòng)。離網(wǎng)工作模式下直流變換器控制策略框圖如圖5所示。其中，0

圖5 離網(wǎng)工作模式下直流變換器控制策略

2.3 并離網(wǎng)切換過程

2.3.1 并網(wǎng)切換至離網(wǎng)工作模式

當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障或者需要檢修時(shí)，儲(chǔ)能逆變器在接收到并網(wǎng)分閘指令后，儲(chǔ)能逆變器連續(xù)保存ICB分閘前的輸入電網(wǎng)電壓相位，在接收到了ICB的分閘反饋信號(hào)后，儲(chǔ)能逆變器立即由并網(wǎng)工作模式切換至離網(wǎng)工作模式，從而保證微電網(wǎng)供電的連續(xù)性。

為了保證儲(chǔ)能逆變器并網(wǎng)切換至離網(wǎng)工作模式的平滑性，需要將切換前電網(wǎng)電壓相位作為逆變器產(chǎn)生交流電壓的初始相位，同時(shí)按照設(shè)定的交流電壓幅值和頻率控制逆變器產(chǎn)生的交流電壓。

此過程中網(wǎng)側(cè)變換器控制策略由直流母線電壓外環(huán)和交流電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制切換至交流電壓外環(huán)和交流電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制，直流變換器側(cè)控制策略由輸出電流單閉環(huán)控制切換至直流母線電壓外環(huán)和輸出電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制。

2.3.2 離網(wǎng)切換至并網(wǎng)工作模式

當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)正常，而儲(chǔ)能逆變器工作在離網(wǎng)工作模式下，儲(chǔ)能逆變器在接收到并網(wǎng)合閘指令后，儲(chǔ)能逆變器通過交流電壓環(huán)控制、鎖相環(huán)(PLL)頻率和相位跟蹤調(diào)整輸入儲(chǔ)能逆變器電壓uga、ugb、ugc的幅值、頻率、相位值，使其分別與電網(wǎng)電壓的usa、usb、usc的幅值、頻率、相位值基本一致。然后儲(chǔ)能逆變器合閘輸入斷路器，同時(shí)由離網(wǎng)工作模式切換至并網(wǎng)工作模式，從而保證微電網(wǎng)供電的連續(xù)性。

為了減小離網(wǎng)切并網(wǎng)操作對(duì)微電網(wǎng)產(chǎn)生的電壓和電流沖擊，在該過程中，逐漸增加或減小逆變器輸出電壓的幅值跟蹤電網(wǎng)電壓的幅值，調(diào)整逆變器輸出電壓的相位和頻率跟蹤電網(wǎng)電壓鎖相環(huán)的相位和頻率，保證輸入儲(chǔ)能逆變器電壓與電網(wǎng)電壓的幅值、頻率、相位值基本一致。

此過程中網(wǎng)側(cè)變換器控制策略由交流電壓外環(huán)和交流電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制切換至直流母線電壓外環(huán)和交流電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制，直流變換器側(cè)控制策略由直流母線電壓外環(huán)和輸出電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制切換至輸出電流單閉環(huán)控制。

3 仿真結(jié)果與分析

在MATLAB環(huán)境中搭建了兩級(jí)式儲(chǔ)能逆變器并、離網(wǎng)控制仿真模型，通過仿真結(jié)果驗(yàn)證并網(wǎng)、離網(wǎng)、并網(wǎng)切離網(wǎng)、離網(wǎng)切并網(wǎng)等工作模式下所采用控制策略的有效性。其中交流電網(wǎng)為380 V/50 Hz，儲(chǔ)能逆變器仿真主要參數(shù)如表1所示。

表1 儲(chǔ)能逆變器主要參數(shù)

鎳金屬氫化物蓄電池參數(shù)如表2所示。

表2 鎳金屬氫化物蓄電池主要參數(shù)

圖6為儲(chǔ)能逆變器運(yùn)行在并網(wǎng)工作模式，控制直流變換器3個(gè)交錯(cuò)并聯(lián)回路的輸出電流均從0增長到30 A的仿真結(jié)果。電流變化率為30 A/s，最終總輸出電流達(dá)到90 A左右。由圖6可知，儲(chǔ)能逆變器工作在并網(wǎng)模式下直流變換器采用輸出電流單閉環(huán)控制能夠正常工作。對(duì)比圖6(a)和圖6(b)可知采用不同回路的載波之間差120°的調(diào)制方式，雖然各回路的電流有較小的偏差，但是能夠減小總輸出電流的波動(dòng)。

圖6 并網(wǎng)模式下控制直流變換器的回路1、回路2、回路3輸出電流均為30 A

圖7為儲(chǔ)能逆變器運(yùn)行在并網(wǎng)工作模式，控制直流變換器的3個(gè)交錯(cuò)并聯(lián)回路的輸出電流分別從0增長到10、20、30 A的仿真結(jié)果。電流變化率為30 A/s，總輸出電流達(dá)到60 A左右。控制直流變換器的不同回路的載波之間差120°。

由圖6和圖7可知,并網(wǎng)模式下3個(gè)回路的輸出電流環(huán)的參考值可以相同也可以不同，可以根據(jù)不同運(yùn)行場(chǎng)合靈活設(shè)定。

圖7 并網(wǎng)模式下控制直流變換器的回路1輸出電流10 A、回路2輸出電流20 A、回路3輸出電流30 A

圖8 離網(wǎng)模式下直流變換器的回路1、回路2、回路3輸出電流和總輸出電流

由圖8和圖9可知，離網(wǎng)模式下3個(gè)回路的輸出電流環(huán)的參考值可以相同也可以不同，可以根據(jù)不同運(yùn)行場(chǎng)合靈活設(shè)定。

圖9 離網(wǎng)模式下控制直流變換器的3個(gè)回路電流不同的回路輸出電流和總輸出電流

圖10為儲(chǔ)能逆變器運(yùn)行在并網(wǎng)、并網(wǎng)切離網(wǎng)、離網(wǎng)、離網(wǎng)切并網(wǎng)整個(gè)過程的仿真波形。0～0.25 s儲(chǔ)能逆變器未工作，電網(wǎng)只給50 kW負(fù)載供電。0.25～2 s儲(chǔ)能逆變器運(yùn)行在并網(wǎng)工作模式，此模式下電網(wǎng)不僅給50 kW的負(fù)載提供能量，而且通過儲(chǔ)能逆變器給蓄電池充電，其中網(wǎng)側(cè)變換器控制直流母線電壓在850 V左右，直流變換器的3個(gè)交錯(cuò)并聯(lián)回路均控制輸出電流30 A。2～4.46 s儲(chǔ)能逆變器運(yùn)行在離網(wǎng)工作模式，此模式下蓄電池放電，通過直流變換器升壓和網(wǎng)側(cè)變換器逆變產(chǎn)生交流電壓，給50 kW負(fù)載供電。4.46～6 s儲(chǔ)能逆變器運(yùn)行在并網(wǎng)工作模式。

圖10 儲(chǔ)能逆變器工作在并網(wǎng)、并網(wǎng)切離網(wǎng)、離網(wǎng)、離網(wǎng)切并網(wǎng)各模式下的波形

由圖10可知采用文中提出的不同工作模式下網(wǎng)側(cè)變換器和直流變換器組合控制策略，能夠使儲(chǔ)能逆變器在并網(wǎng)、并網(wǎng)切離網(wǎng)、離網(wǎng)、離網(wǎng)切并網(wǎng)各過程中正常運(yùn)行。由圖10(a)和圖10(b)可知：并網(wǎng)模式下，電網(wǎng)不僅給50 kW的負(fù)載提供能量，而且通過儲(chǔ)能逆變器給蓄電池充電；離網(wǎng)模式下，蓄電池放電，通過直流變換器升壓和網(wǎng)側(cè)變換器逆變產(chǎn)生交流電壓，給50 kW負(fù)載供電，從而保證不同模式下負(fù)載供電的連續(xù)性。

對(duì)比圖10(g)、圖10(i)和圖11(a)、圖11(b)可知，離網(wǎng)切并網(wǎng)過程中，如果直接切換到并網(wǎng)，會(huì)有電壓幅值、相位、頻率的突變，導(dǎo)致電網(wǎng)電流和輸入儲(chǔ)能逆變器電流沖擊增大，因此調(diào)整逆變器輸出電壓的幅值來跟蹤電網(wǎng)電壓的幅值，調(diào)整逆變器輸出電壓的相位、頻率來跟蹤電網(wǎng)電壓鎖相環(huán)的相位、頻率，保證輸入儲(chǔ)能逆變器電壓與電網(wǎng)電壓的幅值、頻率、相位值基本一致，然后才合閘輸入斷路器。

圖11 儲(chǔ)能逆變器無同期過程進(jìn)行離網(wǎng)切并網(wǎng)的電壓、電流波形

4 結(jié) 語

本文介紹了一種兩級(jí)式儲(chǔ)能逆變器的主回路結(jié)構(gòu)，主要包括網(wǎng)側(cè)變換器和直流變換器，然后介紹了該儲(chǔ)能逆變器在并、離網(wǎng)工作模式下網(wǎng)側(cè)變換器和直流變換器的控制原理，以及并網(wǎng)切離網(wǎng)、離網(wǎng)切并網(wǎng)這些中間過程的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。通過仿真驗(yàn)證了不同工作模式下采用文中提出的組合控制策略的有效性。直流變換器采用多個(gè)交錯(cuò)并聯(lián)回路可以提高總輸出電流能力。采用不同回路的載波偏差120°的調(diào)制方式，可以明顯地減小總輸出電流的波動(dòng)；還可以靈活配置不同回路輸出電流環(huán)的參考值；離網(wǎng)切并網(wǎng)時(shí)可以有效地調(diào)整輸入儲(chǔ)能逆變器電壓與電網(wǎng)電壓的幅值、頻率、相位值基本一致，從而減小了電網(wǎng)電流和輸入儲(chǔ)能逆變器電流的沖擊。儲(chǔ)能逆變器能夠可靠地實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的并、離網(wǎng)運(yùn)行控制，有效地改善了可再生能源發(fā)電輸出功率的連續(xù)性，為新能源領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展提供技術(shù)保障。