基于RT-LAB 的儲能逆變器RCP 實驗平臺開發

尹平平

（上海科梁信息科技股份有限公司，上海 200233）

隨著風電、光伏等新能源的大量并網，儲能系統在電網中得到越來越廣泛的應用[1-6]，目前電網中應用的儲能元件主要以鋰電池、液流電池等各種大容量電池為主，儲能逆變器主要用于實現儲能電池與電網之間的功率轉換，在電網負荷高峰期，儲能逆變器將儲能電池的直流電能轉換為滿足電網并網要求的交流電能，實現電池儲存能量向電網的饋送，反之，在電網負荷低谷期，儲能逆變器將電網的交流電能轉化為直流電能，為儲能電池充電。這樣，實現對電網負荷的削峰填谷，從而提高電網運行的安全穩定性。

RT-LAB 作為一款實時仿真平臺，近年來得到了廣泛的應用。其可以靈活、方便地實現各種控制策略，并實現與儲能逆變器各種I/O 接口的連接，進而組成儲能逆變器快速控制原型（Rapid Control Prototyping，RCP）實驗開發平臺。相比于傳統的基于DSP、FPGA 等數字控制芯片設計制作控制電路板,并設計編寫代碼的開發方式，RCP 在控制策略的研發驗證過程中，具有周期短、可靠性高等優勢，在節省成本的同時能夠幫助研發人員對控制策略進行開發和驗證，加快產品的研制進度[7-14]。

該文基于RT-LAB 設計了儲能逆變器的RCP 實驗平臺，并基于該平臺對所設計的儲能逆變器的控制策略進行了驗證。

1 儲能逆變器的拓撲結構及工作原理

文中儲能逆變器主回路采用兩電平電壓型三相逆變器，其拓撲結構如圖1 所示，從圖可見，主電路結構為橋式拓撲，一共三個橋臂，每相橋臂由上下兩個IGBT 開關管組成。任意時刻，每相橋臂各有一個開關管導通，每相橋臂輸出電壓有兩個電平。另外，每相橋臂上、下兩個開關管不能同時導通。三相橋臂分別在正弦波調制作用下逆變出所期望的一定頻率、相位和幅值的三相正弦電壓。

圖1 儲能逆變器主回路拓撲結構圖

在d-q同步旋轉坐標系下，儲能逆變器的數學模型為[16]：

式中，R和L為儲能逆變器與電網之間連接阻抗的電阻和電感，usd和usq為交流電網側交流電壓的dq軸分量，ucd和ucq為儲能逆變器交流輸出側電壓的dq軸分量，id和iq為儲能逆變器交流輸出側電流的dq軸分量。取dq旋轉坐標系的d軸與網側A 相電壓重合，則usd=Usm（Usm為網側相電壓的幅值），usq=0，有功和無功功率可以表示為：

對于該實驗平臺的儲能逆變器，其本質是一種電壓源換流器（Voltage-Sourced Converter,VSC），根據電壓源換流器的理論，儲能逆變器的有功和無功功率可以在四象限運行。為了實現對電網與儲能逆變器間傳輸的有功功率的控制，需要設計相應的控制策略。文中采用矢量控制策略，矢量控制策略又被稱作直接電流控制，其具有響應迅速和控制精準的特點，動態性能優良。根據式（1）所建立的dq坐標系下的儲能逆變器數學模型，基于經典的2 電平VSC 雙閉環控制理論，設計了儲能逆變器的控制策略，內環采用dq解耦控制，可以實現快速跟蹤dq軸電流參考值，外環則根據需要可以設置為定直流電壓、定有功功率等多種控制模式。

所設計的儲能逆變器控制策略如圖2 所示，主要的控制目標為：1）調節有功功率。將有功功率的給定值Pref與有功功率的實際值P的偏差經過PI 控制器后，生成有功電流的參考值Idref，從而調節儲能電池與電網間交換的有功功率，實現對有功功率給定值Pref的跟蹤，最終使有功功率穩定在給定值Pref上；2）控制無功功率。將無功功率給定值Qref與無功功率的實際值Q的偏差經過PI 控制器后，生成無功電流的參考值Iqref，從而調節儲能逆變器并網點的無功功率，使其跟蹤無功功率給定值Qref，最終使無功功率穩定在給定值Qref上。儲能逆變器的調制策略有多種，文中采用空間電壓矢量調制（SVPWM）方法。

圖2 儲能逆變器主回路拓撲結構圖

2 基于RT-LAB的儲能逆變器的RCP平臺

基于RT-LAB 的儲能逆變器RCP 平臺的總體架構如圖3 所示，由圖可見，整個RCP 平臺主要由三部分組成：RT-LAB 實時仿真平臺、儲能逆變器和儲能電池模擬器。

圖3 儲能逆變器RCP平臺

儲能電池模擬器是一款高精度高功率因數的可編程電源設備，其直流輸出動態響應快速，能量能夠雙向流動，可模擬電池輸出特性（輸出能量），也可模擬電池輸入特性（電池儲能），其按照設定值輸出穩定的直流電壓，然后接入儲能逆變器的直流側，儲能逆變器的三相交流側通過110/400 V 隔離變壓器接入380 V 供電電網。

儲能逆變器的控制算法在上位機上設計開發完成后，下載到RT-LAB 實時仿真平臺，RT-LAB 實時仿真平臺通過I/O 接口與儲能逆變器連接來采集控制算法所需要交流電網側的三相交流電壓、交流電流、以及直流側的直流電壓、直流電流等信號，同時輸出PWM 控制信號驅動儲能逆變器的IGBT 開關管，輸出DO 數字電平信號控制儲能逆變器并網斷路器的分合閘，使儲能逆變器按照給定的控制方式穩定并網運行。

儲能逆變器RCP 平臺的一次主回路設計如圖4所示，圖中輸入端子接入380 V 交流配電網，輸出端子接入儲能電池模擬器。儲能逆變器直流側緩沖電容選用4 200 μF，聯接變壓器采用Y/△接線方式，Y側額定電壓為400 V，△側額定電壓為110 V，變壓器Y 側通過主接觸器、輔助接觸器、軟啟電阻及并網斷路器接入380 V 交流電網，變壓器△側接入儲能逆變器，△側電感量為1.2 mH。

圖4 儲能逆變器RCP平臺一次主回路

3 儲能逆變器RCP平臺實驗驗證

RT-LAB實時仿真平臺可以將圖形化的高級語言（MATLAB/Simulink）編寫的控制算法下載到RT-LAB實時仿真器，相比在嵌入式控制芯片上編寫代碼實現控制算法的傳統方法而言，非常方便快捷。文中按照前述儲能逆變器的控制策略基于MATLAB/Simulink 搭建了相應的控制模型，如圖5 所示。

圖5 儲能逆變器Simulink控制模型

儲能逆變器Simulink 控制模型的仿真步長設置為100 μs，儲能電池模擬器輸出直流電壓設置為200 V，供電電網的電壓為380 V，PWM開關頻率為5 kHz。

為了在100 μs的定步長仿真中生成高精度的PWM波，文中采用了帶時間戳的PWM 波生成方法RTEvents，其PWM 的上升沿和下降沿事件分別帶有對應事件發生時刻的時間戳信息，可以實現在定步長仿真下精確捕捉PWM 波上升沿和下降沿事件，如圖6所示，從圖中可見，在定步長仿真步長下，傳統的Simulink 方法只能在仿真步長開始或結束的時刻捕捉PWM 的上升沿或下降沿，而對發生在仿真步長內的PWM 上升或下降沿則無法精確捕捉。相比較而言，RT-Events 由于采用了時間戳方法，其可以精確地捕捉到發生在仿真步長內的PWM 上升或下降沿事件，能夠提高PWM 控制的效果。

圖6 PWM波生成方式對比

將RCP 實驗平臺上電后，實驗工況設定如下：有功功率給定值設為0.2 pu（功率基值為20 kVA，交流電網側電壓基值為380 V），無功功率給定值為0。實驗結果如圖7 所示，其中，第一幅圖為網側電壓波形，其幅值為1 pu，第二幅圖為網側電流波形，其幅值為0.2 pu，第三幅圖為直流電壓波形，直流電壓值為200 V，由圖7可見，整個實驗平臺能夠穩定運行，控制效果良好。

圖7 網側電壓、電流、直流側電壓波形

4 結論

該文基于RT-LAB 設計搭建了儲能逆變器的快速控制原型實驗平臺，設計了儲能逆變器的控制策略，并在該RCP 平臺進行了驗證，取得了良好的效果。該平臺能夠方便快捷地對控制策略進行驗證，對于設計與優化儲能逆變器控制算法，提高產品性能，縮短開發周期具有重要的意義，為研發人員提供了一種可靠有效的驗證手段。