非理想電網(wǎng)下儲(chǔ)能變流器下垂控制分析

張修睿，郭權(quán)利

（沈陽工程學(xué)院，遼寧沈陽，110136）

0 引言

在電力行業(yè)發(fā)展的過程中，新能源、智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車較之過去得到了顯著發(fā)展，儲(chǔ)能技術(shù)的市場(chǎng)需求占比逐漸增加。儲(chǔ)能技術(shù)的使用可有效解決新能源發(fā)電在環(huán)境和天氣方面所面臨的不穩(wěn)定問題，它用“削峰填谷”的方式平衡了電網(wǎng)中的能量。儲(chǔ)能變流器在儲(chǔ)能系統(tǒng)中起著接口的作用，目的是實(shí)現(xiàn)能量在系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換，在儲(chǔ)能介質(zhì)控制和整體設(shè)備控制方面承擔(dān)了重要作用。同時(shí)，它也在儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行方面扮演了主要角色，它的性能優(yōu)良直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的好壞。在工業(yè)規(guī)模提升的同時(shí)，促進(jìn)了精密儀器市場(chǎng)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大。電能質(zhì)量的好壞時(shí)刻影響著元件儀器的使用壽命，電力系統(tǒng)中發(fā)生頻率最高的電能質(zhì)量問題是電壓暫降，因此尋找應(yīng)對(duì)電壓暫降的有效方法，越來越成為學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)。以DC/DC級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為研究基礎(chǔ)，為達(dá)到有效獨(dú)立控制各個(gè)電池模塊的目的，采用將DC/DC級(jí)聯(lián)型拓?fù)涞妮斎雮?cè)與獨(dú)立電池組連接的手法，輸出經(jīng)過DC/AC環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)交流并網(wǎng)[1]。

1 級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能變流系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

對(duì)于電能設(shè)置而言，在大部分情況下是很難儲(chǔ)存的。就之前而言，在生產(chǎn)電力的同時(shí)兼顧發(fā)電、輸電和用電等，為了平衡電能供給，調(diào)度一直作為電能供應(yīng)保障最有利的手段。在社會(huì)繁榮發(fā)展的同時(shí)，電網(wǎng)建設(shè)格局穩(wěn)步上升，為了適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的步伐，滿足微電網(wǎng)的本質(zhì)條件是新能源發(fā)電輸出功率要遵守的條件之一，就儲(chǔ)能方面而言，關(guān)鍵就是如何去運(yùn)用它的調(diào)峰作用。

儲(chǔ)能變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為單級(jí)型和雙級(jí)型，就單級(jí)型而言，這種結(jié)構(gòu)能量調(diào)節(jié)的靈活度差，系統(tǒng)輸出的電壓波形也不穩(wěn)定，均流特性也需多推敲提高。從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)角度來說，單級(jí)型與多級(jí)型相比，多級(jí)型儲(chǔ)能變流器的拓部結(jié)構(gòu)多了一個(gè)DC/DC環(huán)節(jié)。為了擴(kuò)大蓄電池組的工作電壓范圍，可以采用多級(jí)型儲(chǔ)能變流器，它可以用DC/DC變換器把直流電轉(zhuǎn)換為更大的電壓，接著傳給pwm變流器，進(jìn)行逆變后輸入電網(wǎng)。下面是級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如圖1所示)。

圖1 級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)有如下幾點(diǎn)：首先，使用范圍擴(kuò)大了，它更適用于多組電池投入的工作場(chǎng)合，通過獨(dú)立控制DC/DC環(huán)節(jié)來達(dá)到調(diào)節(jié)多組電池充放電參數(shù)的目的，而且它們之間互為獨(dú)立、個(gè)不影響。再者，因?yàn)楣ぷ麟妷悍秶奶岣撸詳U(kuò)大了電池組的使用范圍。最后，電池組投入和切換的靈活性有了顯著攀升，推動(dòng)了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置合理性的發(fā)展，方便了人們?cè)谶\(yùn)行時(shí)的操作和進(jìn)行后期有效管理[2]。

2 DC/DC 環(huán)節(jié)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 隔離型DC/DC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的雙向DC/DC換流器目光聚集于改進(jìn)雙向隔離型DC/DC 換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制策略。雙向隔離型 DC/DC 變換器大部分由橋式、反激式、正激式、推挽式等結(jié)構(gòu)組合而成，它們有各自的適用領(lǐng)域，彼此之間的特性也不盡相同。為了實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與電池系統(tǒng)或分布式電源之間的電氣隔離，可以采用隔離型DC/DC變換器，它依靠自身的高頻或低頻變壓器來達(dá)到升壓和隔離的目的，這樣一來，安全性也有很大提高，因?yàn)楸苊猱a(chǎn)生了對(duì)地漏電流。一般來說，低頻變壓器使用時(shí)會(huì)有造價(jià)較高、體積較大、噪音較大等缺點(diǎn)，高頻變壓器使用時(shí)其性能會(huì)干擾DC/DC環(huán)節(jié)，致使綜合技術(shù)指標(biāo)判斷不準(zhǔn)。

2.2 非隔離型DC/DC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

非隔離型DC/DC換流器因其本身具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元件少、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，所以顯著提高了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，最大的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在其沒有工頻或高頻變壓器環(huán)節(jié)。非隔離型DC/DC變換器主要有半橋式、全橋式和Buck-Boost 級(jí)聯(lián)型等三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如圖2示）[3]。半橋式雙向DC/DC變換器的運(yùn)行電流方向沒有規(guī)定，為正為負(fù)都可以，因其具有極性一致的輸出電壓與輸入電壓。其優(yōu)勢(shì)是電路簡(jiǎn)單，涉及元件數(shù)量較少；不足之處是對(duì)電池側(cè)的電壓有嚴(yán)格要求，一般工作在較高電壓下，而且電壓利用率低，總體來說，效率也比較低。

圖2 非隔離型雙向DC/DC變換器

全橋式雙向 DC/DC 變換器對(duì)工作條件要求沒那么苛刻，可工作在任意電壓電流極性下，整個(gè)象限內(nèi)都可運(yùn)行。半橋式DC/DC變換器和全橋式DC/DC變換器的主要區(qū)別是，后者的開關(guān)元件數(shù)目更多，有更為復(fù)雜的控制回路 。在相同的工作條件下，全橋式DC/DC變換器的工作電壓更低，損耗較少。在IGBT功率器件應(yīng)用率大幅提高的環(huán)境下，全橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用較之過去得到了更多的發(fā)展，絕大部分與高頻大功率雙向DC/DC變換器適配。工作在正向或反向條件下的Buck-Boost級(jí)聯(lián)型雙向 DC/DC 變換器，它擁有相同極性的輸出電壓和輸入電壓，因此可轉(zhuǎn)換升壓或裝換降壓。應(yīng)用級(jí)聯(lián)型雙向 DC/DC變換器時(shí)，需搭配直流電壓源模塊，且都是獨(dú)立的，但其有控制簡(jiǎn)單、模塊化實(shí)現(xiàn)度高的優(yōu)點(diǎn)。由于目前單個(gè)電力電子器件的電流定額遠(yuǎn)不能滿足大功率DC/DC變換器的要求，多重化DC/DC變換器成為非隔離型DC/DC的重要研究和發(fā)展方向[4]。

3 改進(jìn)型串聯(lián)下垂控制

在不忽略下垂電流在電流大小和功率平衡效果方面的制約，確定研究對(duì)象為I-P下垂法，提出一種改良的串聯(lián)型下垂控制方法：

上式中，I*是電流基準(zhǔn)值，計(jì)算方式基于上級(jí)功率指令得到，為下垂參考電流，P、P、P分別為模塊一、12av二的功率及既有平均功率。一般情況下，m取值比較小，當(dāng)P1≈P2≈Pav時(shí)，模塊功率平衡效果會(huì)有很大提升，在閉環(huán)穩(wěn)定的情況下，若iref≈IΔ（IΔ為工作電流），則電流理論值等于輸出電流實(shí)際值。當(dāng)m值增大，給定電流大小不變，均壓效果只會(huì)隨著各模塊輸出電流與給定平均電壓之差的減小而變得越好，如此可見，模塊均壓效果不受給定工作電流的限制。

為了解決輸出電流下降引發(fā)的影響，本文引入了一種發(fā)生在組串控制器內(nèi)的改進(jìn)補(bǔ)償方法，如圖3所示，通過閉環(huán)控制輸出電流和給定電流，為了補(bǔ)償輸出電流，PI控制器可輸出補(bǔ)償量Icom，再將Icom補(bǔ)償?shù)礁髂K的給定電流上。

圖3 下垂電流補(bǔ)償控制框圖

通過以上分析，得出經(jīng)過電流補(bǔ)償后的下垂控制表達(dá)式為：

通常變流器輸出電流有紋波出現(xiàn)，且選擇的通信方式一般傳輸速度較低，在數(shù)值選擇上補(bǔ)償電流閉環(huán)PI參數(shù)偏小，在速度調(diào)節(jié)方面不會(huì)過快。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

本文通過simulink模塊搭建了級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能變流器仿真模型，對(duì)改良后的下垂控制策略進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，具體指功率指令不變條件下的母線電壓突變動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真。仿真直流母線電壓設(shè)置為300V，假設(shè)系統(tǒng)額定電壓突變?yōu)?30V，當(dāng)變流器工作狀態(tài)為放電情況時(shí)，Pav=375W，I′=9.09A，如圖 4所示，母線電壓突變的同時(shí)，模塊放電功率只有小幅下降，隨后保持不變；輸出電流有迅速突變減小，而后保持不變；下垂控制電流突變減小再增大，而后逐漸減小。

圖4 放電運(yùn)行狀態(tài)波形

如圖5所示，當(dāng)變流器工作狀態(tài)為充電情況時(shí)， 模塊充電功率隨著母線電壓的突變而下降后有小幅攀升，但一直低于之前的功率；輸出電流緩慢減小而后趨于穩(wěn)定；下垂控制電流突然下降而后減小趨于穩(wěn)定。上述所見波形變化情況與前文分析一致。

圖5 充電運(yùn)行狀態(tài)波形

5 結(jié)論

為了消除模塊化獨(dú)立控制器測(cè)量誤差引起的嚴(yán)重電壓不規(guī)則現(xiàn)象，本文基于變換器并聯(lián)下垂控制原理，提出了一種解決偏差問題的優(yōu)化下垂控制方法，推導(dǎo)了模塊電壓和功率的不對(duì)稱情況，分析了串聯(lián)控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和誤差狀態(tài)。通過在simulink搭建模型仿真驗(yàn)證了理論分析的正確性。