兩級式儲能逆變器并離網控制技術

吳偉亮，侯 凱，王小紅，楊合民，簡優宗，胡 靜

[1.南瑞集團有限公司(國網電力科學研究院)，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

近年來以光伏發電、風力發電為主的新能源產業發展越來越迅速，但是這些新能源發電的波動性大，可預測性較差，導致新能源的利用率降低[1-4]。而微電網系統中的儲能系統能夠解決新能源發電波動性大、穩定性差的問題。儲能系統可以將新能源發電中多余的電能儲存到電池中，在用電量大時將電池能量釋放到電網中，實現“削峰填谷、調劑余缺”[5-7]的功能，從而提高了電能的利用率。

儲能系統的核心部分是儲能逆變器，承擔著變流任務，本質是雙向可逆的交流/直流變換器，既可以將電網輸出的電能或新能源發電經過儲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儲能逆變器變成交流回饋給電網或者給負載供電。

文獻[8-10]采用的是單級式儲能逆變器，雖然結構簡單、功率器件較少，但缺點是直流輸出電壓范圍小，必須提高蓄電池額定電壓。

本文設計了一種兩級式儲能逆變器，其中一級是網側三相全橋變換器，另一級是由3個交錯并聯回路構成的直流變換器。與單級式儲能逆變器相比，不僅擴大了直流輸出電壓范圍，而且提高了總輸出電流的能力。采用該儲能逆變器可以實現并網、離網運行。

1 主回路拓撲結構

圖1為兩級式儲能逆變器的主回路結構，包括380 V/50 Hz電網、輸入斷路器(ICB)、預充電接觸器(PSW)、預充電電阻Rg、負載、網側濾波電容Cg、網側濾波電感Lg、網側變換器、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)、直流預充電電阻Rb、蓄電池等部分。該設計可以實現能量從電網流出，經過網側變換器和直流變換器，轉換成直流電，給蓄電池充電；也可以實現能量從蓄電池流出，經過直流變換器和網側變換器，轉換成交流電，給負載供電。直流變換器由3個交錯并聯的回路組成。圖1中usa、usb、usc為電網電壓，isa、isb、isc為電網電流，uga、ugb、ugc為輸入儲能逆變器電壓，iga、igb、igc為輸入儲能逆變器電流，ica、icb、icc為輸入網側變換器電流，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為計算電網輸入有功功率點，n為計算輸入儲能逆變器有功功率點，p為計算輸入網側變換器有功功率點，q為計算輸入蓄電池有功功率點。

圖1 兩級式儲能逆變器的主回路結構

2 控制原理

兩級式儲能逆變器有2種工作模式:并網工作模式和離網工作模式。并網工作模式下，電網直接給負載提供能量，同時電網能量流向蓄電池，此過程網側變換器為整流模式，控制直流母線電壓穩定，直流變換器的3個交錯并聯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。離網工作模式下，電網與負載斷開連接，能量由蓄電池流向負載，此過程網側變換器為逆變模式，控制交流電壓穩定，從而實現負載供電電源穩定，直流變換器的3個交錯并聯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定。

2.1 并網工作模式

2.1.1 并網工作模式下網側控制

并網工作模式下，網側變換器為整流模式，采用直流母線電壓外環和交流電流內環雙閉環控制策略，來控制直流母線電壓和輸入功率。根據整流器數學模型推導出實際的控制電壓如下：

(1)

圖2 并網工作模式下網側變換器控制策略

2.1.2 并網工作模式下直流側控制

圖3 并網工作模式下直流變換器控制策略

2.2 離網工作模式

2.2.1 離網工作模式下網側控制

離網工作模式下，網側變換器為逆變模式，采用交流電壓外環和交流電流內環雙閉環控制策略，控制交流電壓穩定，從而實現負載供電電源穩定。根據逆變器數學模型推導出實際的控制電壓如下：

(2)

圖4 離網工作模式下網側變換器控制策略

2.2.2 離網工作模式下直流側控制

離網工作模式下，蓄電池釋放能量，經過直流變換器的3個交錯并聯回路的升壓斬波控制，從而控制直流母線電壓穩定，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二極管參與續流工作。控制策略為3個回路均采用直流母線電壓外環和回路輸出電流內環雙閉環控制，電流內環PI的輸出作為占空比信號，控制不同回路的載波之間差為120°減小總輸出電流的波動。離網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 離網工作模式下直流變換器控制策略

2.3 并離網切換過程

2.3.1 并網切換至離網工作模式

當電網出現故障或者需要檢修時，儲能逆變器在接收到并網分閘指令后，儲能逆變器連續保存ICB分閘前的輸入電網電壓相位，在接收到了ICB的分閘反饋信號后，儲能逆變器立即由并網工作模式切換至離網工作模式，從而保證微電網供電的連續性。

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

此過程中網側變換器控制策略由直流母線電壓外環和交流電流內環雙閉環控制切換至交流電壓外環和交流電流內環雙閉環控制，直流變換器側控制策略由輸出電流單閉環控制切換至直流母線電壓外環和輸出電流內環雙閉環控制。

2.3.2 離網切換至并網工作模式

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

為了減小離網切并網操作對微電網產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電壓的幅值，調整逆變器輸出電壓的相位和頻率跟蹤電網電壓鎖相環的相位和頻率，保證輸入儲能逆變器電壓與電網電壓的幅值、頻率、相位值基本一致。

此過程中網側變換器控制策略由交流電壓外環和交流電流內環雙閉環控制切換至直流母線電壓外環和交流電流內環雙閉環控制，直流變換器側控制策略由直流母線電壓外環和輸出電流內環雙閉環控制切換至輸出電流單閉環控制。

3 仿真結果與分析

在MATLAB環境中搭建了兩級式儲能逆變器并、離網控制仿真模型，通過仿真結果驗證并網、離網、并網切離網、離網切并網等工作模式下所采用控制策略的有效性。其中交流電網為380 V/50 Hz，儲能逆變器仿真主要參數如表1所示。

表1 儲能逆變器主要參數

鎳金屬氫化物蓄電池參數如表2所示。

表2 鎳金屬氫化物蓄電池主要參數

圖6為儲能逆變器運行在并網工作模式，控制直流變換器3個交錯并聯回路的輸出電流均從0增長到30 A的仿真結果。電流變化率為30 A/s，最終總輸出電流達到90 A左右。由圖6可知，儲能逆變器工作在并網模式下直流變換器采用輸出電流單閉環控制能夠正常工作。對比圖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。

圖6 并網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為儲能逆變器運行在并網工作模式，控制直流變換器的3個交錯并聯回路的輸出電流分別從0增長到10、20、30 A的仿真結果。電流變化率為30 A/s，總輸出電流達到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,并網模式下3個回路的輸出電流環的參考值可以相同也可以不同，可以根據不同運行場合靈活設定。

圖7 并網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，離網模式下3個回路的輸出電流環的參考值可以相同也可以不同，可以根據不同運行場合靈活設定。

圖9 離網模式下控制直流變換器的3個回路電流不同的回路輸出電流和總輸出電流

圖10為儲能逆變器運行在并網、并網切離網、離網、離網切并網整個過程的仿真波形。0～0.25 s儲能逆變器未工作，電網只給50 kW負載供電。0.25～2 s儲能逆變器運行在并網工作模式，此模式下電網不僅給50 kW的負載提供能量，而且通過儲能逆變器給蓄電池充電，其中網側變換器控制直流母線電壓在850 V左右，直流變換器的3個交錯并聯回路均控制輸出電流30 A。2～4.46 s儲能逆變器運行在離網工作模式，此模式下蓄電池放電，通過直流變換器升壓和網側變換器逆變產生交流電壓，給50 kW負載供電。4.46～6 s儲能逆變器運行在并網工作模式。

圖10 儲能逆變器工作在并網、并網切離網、離網、離網切并網各模式下的波形

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

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

圖11 儲能逆變器無同期過程進行離網切并網的電壓、電流波形

4 結 語

本文介紹了一種兩級式儲能逆變器的主回路結構，主要包括網側變換器和直流變換器，然后介紹了該儲能逆變器在并、離網工作模式下網側變換器和直流變換器的控制原理，以及并網切離網、離網切并網這些中間過程的技術關鍵點。通過仿真驗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交錯并聯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°的調制方式，可以明顯地減小總輸出電流的波動；還可以靈活配置不同回路輸出電流環的參考值；離網切并網時可以有效地調整輸入儲能逆變器電壓與電網電壓的幅值、頻率、相位值基本一致，從而減小了電網電流和輸入儲能逆變器電流的沖擊。儲能逆變器能夠可靠地實現微電網的并、離網運行控制，有效地改善了可再生能源發電輸出功率的連續性，為新能源領域進一步發展提供技術保障。