基于微電網(wǎng)系統(tǒng)的儲能逆變器研究

孫今英，陳國棟，李春

（上海電氣輸配電集團(tuán)，上海 200042）

近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，風(fēng)能、太陽能等新型分布式能源將會成為主流的能源型式。分布式發(fā)電常規(guī)情況下都會應(yīng)用在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，微電網(wǎng)既具備獨立運行的能力，又可以實現(xiàn)與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行的功能[1][2]。微電網(wǎng)的實際運用過程中都需要配備逆變器，來抵消系統(tǒng)中功率波動的影響。此外儲能逆變器還具有提高微電網(wǎng)抗擾能力的功能，提高微電網(wǎng)系統(tǒng)的供電安全性、穩(wěn)定性及可靠性[3][4]。

1 儲能逆變器

電池儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)主要包括兩部分：電池及其管理系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)即逆變器。電池與電網(wǎng)之間的能量交換通過逆變器實現(xiàn)，逆變器作為電網(wǎng)和電池間的轉(zhuǎn)換設(shè)備，對電池的能量進(jìn)行儲存或釋放控制[5][6]。

圖1 電池儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

儲能逆變器可以實現(xiàn)交流電網(wǎng)和直流電池之間能量雙向流動，根據(jù)實際工況和控制要求，既可以工作在整流狀態(tài)（AC-DC）也可以工作在逆變（DC-AC）狀態(tài)[7]，其實質(zhì)是電壓型逆變器，電路圖如圖2所示。在該電路中逆變器將電池存儲的電能輸送到電網(wǎng)，僅需一級能量變換即可實現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)工作在放電狀態(tài)下時，電池儲存的直流電經(jīng)過逆變器逆變?yōu)榻涣麟娤螂娋W(wǎng)回饋；當(dāng)工作在充電狀態(tài)下時，電網(wǎng)的交流電經(jīng)過整流變?yōu)橹绷麟妰Υ嬖陔姵刂衃8][9]。

圖2 三相電壓型PWM逆變器電路

在儲能系統(tǒng)中，改變電壓幅值和相位可以實現(xiàn)向電網(wǎng)注入或吸收有功、無功功率。控制逆變器輸出的電壓相位超前電網(wǎng)接入點的電壓相位時，有功功率通過逆變器流向接入點，反之亦然[10][11]。當(dāng)需要向電網(wǎng)注入無功、控制逆變器輸出電壓的幅值比電網(wǎng)接入點的電壓幅值大時，無功功率通過逆變器流向接入點，反之亦然。因此，對逆變器的控制變量和控制方法進(jìn)行調(diào)整可以改變逆變器輸出電壓的幅值和相位，進(jìn)而實現(xiàn)電池儲能系統(tǒng)與微網(wǎng)間的有功、無功功率的交換[12]。

2 儲能逆變器控制策略

2.1 電壓定向控制原理

三相電壓型逆變器在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq下的電流方程為：

α-β和d-q坐標(biāo)系下的網(wǎng)壓和電流相量圖如圖3所示，坐標(biāo)變換采用d軸定向，網(wǎng)壓矢量E與d軸重合，則有，eq＝0。ud、uq為輸出電壓矢量，id、iq分別表示電流的有功分量和無功分量。穩(wěn)態(tài)時id、iq為直流量，將式（1）化簡可以得到穩(wěn)態(tài)方程如下：

圖3 和坐標(biāo)系下的電壓電流相量圖

式（2）中，ed為電網(wǎng)點壓的前饋分量，可以克服電網(wǎng)電壓波動給系統(tǒng)帶來的擾動影響；前饋解耦項ωLid和ωLiq引入后，可以實現(xiàn)有功電流和無功電流獨立控制。電壓外環(huán)的輸出作為有功電流的給定指令，系統(tǒng)根據(jù)實際需要加入無功控制，當(dāng)逆變器需要單位功率因數(shù)運行時，無功電流指令值為零。電流內(nèi)環(huán)的輸出與式（2）相疊加，輸出電壓指令ud、uq，經(jīng)脈寬調(diào)制后，得到開關(guān)管的開關(guān)函數(shù)。

2.2 并網(wǎng)模式控制策略

在并網(wǎng)模式下，電網(wǎng)是微網(wǎng)接入點的電壓同步源，儲能逆變器以電流源狀態(tài)運行，儲能系統(tǒng)主要起到功率平滑和削峰填谷的作用，對微網(wǎng)系統(tǒng)下發(fā)的功率指令進(jìn)行響應(yīng)，保證系統(tǒng)運行在穩(wěn)定狀態(tài)，控制框圖如圖4所示。

圖4 并網(wǎng)模式控制框圖

2.3 離網(wǎng)模式控制策略

離網(wǎng)模式下，儲能逆變器的控制策略主要有兩種：電壓、電流雙閉環(huán)控制和下垂控制，其具體的離網(wǎng)控制策略如下：

（1）電壓電流雙閉環(huán)控制策略：離網(wǎng)工況時，儲能逆變器作為系統(tǒng)的組網(wǎng)電源，用來保證交流側(cè)電壓的幅值和頻率穩(wěn)定。為了使分布式電源的發(fā)電量得到充分利用，風(fēng)機(jī)變流器、光伏變流器要維持正常工作狀態(tài)。但是風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的輸出功率及負(fù)載功率不斷變化，從而導(dǎo)致交流電壓幅值和頻率處于不斷變化中。因此，采用交流電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。電壓外環(huán)保證交流側(cè)電壓輸出穩(wěn)定，其輸出作為電流內(nèi)環(huán)的電流指令值，從而微網(wǎng)系統(tǒng)對功率變化的快速響應(yīng)。電壓電流雙閉環(huán)控制框圖如圖5所示。

圖5 電壓電流雙閉環(huán)控制框圖

對電網(wǎng)側(cè)電壓及電流進(jìn)行采樣，通過坐標(biāo)變換將三相電壓和電流轉(zhuǎn)化為dq坐標(biāo)系下的反饋量，將電壓給定值Uref與反饋值Ud做差，差值信號經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后作為有功電流指令值，然后與有功電流采樣值做差，差值信號經(jīng)過調(diào)節(jié)PI經(jīng)過解耦得到輸出電壓指令值，經(jīng)SVPWM調(diào)制模塊，根據(jù)調(diào)制策略計算開關(guān)管動作時間，從而產(chǎn)生開關(guān)信號，實現(xiàn)逆變器離網(wǎng)控制。

（2）下垂控制策略

微網(wǎng)系統(tǒng)由分布式電源并聯(lián)組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。上述逆變器雙閉環(huán)控制策略只適用于有一臺儲能逆變器構(gòu)成的微網(wǎng)系統(tǒng)，當(dāng)多臺逆變器并聯(lián)運行時，各臺逆變器輸出的交流電壓等效為一個可控電壓源，其幅值、頻率和相位需要互相配合，一起承擔(dān)負(fù)荷電流。因此，采用電壓、電流雙閉環(huán)控制策略不易實現(xiàn)多臺逆變器的配合，通過下垂控制可以解決逆變器并聯(lián)引起的均流問題。

逆變器輸出電壓的相位與輸出有功功率成正比關(guān)系，電壓的幅值與輸出無功功率成正比關(guān)系。因此，通過對逆變器輸出電壓的相位和幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)就可以實現(xiàn)有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)，根據(jù)這個原理可以實現(xiàn)下垂控制，其控制框圖如圖6所示。

圖6 下垂控制框圖

通過傳感器檢測電網(wǎng)電壓和電流的瞬時值，再經(jīng)過坐標(biāo)變換得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq下交流側(cè)的反饋量，通過PQ計算模塊得到逆變器的有功功率和無功功率，根據(jù)P-f和Q-v下垂控制模塊，得到當(dāng)前輸出電壓的指令值和頻率，頻率經(jīng)過積分環(huán)節(jié)得到坐標(biāo)變換的角度，電壓指令值作為外環(huán)的給定值，與反饋值作差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后，其輸出作為電流內(nèi)環(huán)的電流給定值，電壓環(huán)主要用來保證交流輸出電壓的穩(wěn)定，電流內(nèi)環(huán)用來保證儲能逆變器對負(fù)載和分布式電源功率的變化快速響應(yīng)，電流內(nèi)環(huán)輸出經(jīng)過解耦環(huán)節(jié)得到輸出電壓，然后經(jīng)過脈沖調(diào)制模塊，按SVPWM調(diào)制策略對各開關(guān)管的動作時間進(jìn)行計算，從而產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)信號，實現(xiàn)儲能逆變器離網(wǎng)模式的下垂控制。

3 儲能逆變器應(yīng)用

微網(wǎng)通過把區(qū)域內(nèi)的分布式電源統(tǒng)一起來從而形成一個小型供電系統(tǒng)，系統(tǒng)采用大量的電力電子裝置來實現(xiàn)其功能，與大電網(wǎng)以單點的形式連接，具有自我管理、控制和保護(hù)的功能，微網(wǎng)系統(tǒng)可以與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可以離網(wǎng)單獨運行，為系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備單獨提供電源。

風(fēng)電、太陽能發(fā)電具有間歇性和隨機(jī)性的特點，因此會給電網(wǎng)的調(diào)度和管理帶來一些技術(shù)問題。本文提及的微網(wǎng)系統(tǒng)的分布式電源主要由風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電構(gòu)成，再引入電池儲能系統(tǒng)與其組成一個風(fēng)光儲互補(bǔ)的微網(wǎng)系統(tǒng)，對該系統(tǒng)并網(wǎng)、離網(wǎng)雙模式運行的能力進(jìn)行深入研究和實驗分析。風(fēng)光儲互補(bǔ)型微網(wǎng)系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 風(fēng)光儲互補(bǔ)型微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

其中電池儲能逆變器（DC/AC）可以實現(xiàn)各種工況下并離網(wǎng)運行模式的無縫切換，真正實現(xiàn)了對負(fù)荷的連續(xù)不間斷供電；離網(wǎng)運行狀態(tài)下，通過調(diào)節(jié)電池儲能系統(tǒng)的有功和無功輸出，可以對微網(wǎng)內(nèi)母線頻率和電壓進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，有利于提高含可再生能源發(fā)電的離網(wǎng)供電運行模式下的供電電能質(zhì)量；通過微網(wǎng)對光伏等新能源發(fā)電、電池儲能系統(tǒng)的有效調(diào)節(jié)，可有效提高微網(wǎng)系統(tǒng)供電的可靠性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文對分布式發(fā)電構(gòu)成的微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，著重選擇三相電壓型儲能逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。針對微網(wǎng)儲能應(yīng)用，提出了離網(wǎng)和并網(wǎng)運行時的控制策略，最后對儲能逆變器在微網(wǎng)系統(tǒng)中實際應(yīng)用進(jìn)行了研究，驗證了儲能系統(tǒng)的功能以及控制策略的可行性。