并網(wǎng)運行的儲能逆變器小信號穩(wěn)定性分析

周丹，趙波，張雪松，汪科

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

輸配電技術(shù)

并網(wǎng)運行的儲能逆變器小信號穩(wěn)定性分析

周丹，趙波，張雪松，汪科

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

儲能系統(tǒng)是目前平抑間歇式可再生能源功率波動的一種有效手段。推導(dǎo)了并網(wǎng)運行模式下儲能逆變器的小信號數(shù)學(xué)模型，分析了主要控制參數(shù)對逆變器并聯(lián)運行小信號穩(wěn)定性的影響，并利用PSCAD搭建了并網(wǎng)運行的儲能逆變器仿真模型，驗證了逆變器控制參數(shù)對系統(tǒng)小信號穩(wěn)定性的影響。

儲能系統(tǒng)；并聯(lián)運行；小信號穩(wěn)定性；控制參數(shù)

目前，多數(shù)可再生能源諸如太陽能、風(fēng)能等，具有不均勻性和不可控性等特點，轉(zhuǎn)換輸出的電能隨時可能發(fā)生變化，由此造成發(fā)電的間歇性和波動性給電力系統(tǒng)的運行帶來了不利的影響[1]。采用一定容量的儲能裝置與可再生能源發(fā)電裝置聯(lián)合運行，集成并網(wǎng)，通過實時調(diào)整儲能系統(tǒng)的充/放電功率以及充/放電狀態(tài)的迅速切換，使可再生能源隨機變化的輸出功率轉(zhuǎn)換為相對穩(wěn)定的平滑輸出，從而保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。這種方式實質(zhì)上是通過儲能系統(tǒng)發(fā)出與可再生能源波動分量反向的輸出功率來平抑波動，這對儲能系統(tǒng)在小擾動下的穩(wěn)定性提出了較高的要求，所以儲能系統(tǒng)的小信號穩(wěn)定性就成為一個重要的研究內(nèi)容[2-4]。

由此建立了并網(wǎng)運行模式下的儲能逆變器小信號模型，利用特征值法分析了并網(wǎng)運行的儲能逆變器直接無窮大電源時的小信號穩(wěn)定性，研究了相關(guān)控制參數(shù)、濾波器參數(shù)對系統(tǒng)小信號穩(wěn)定性的影響。利用PSCAD仿真軟件搭建了仿真模型進行了時域仿真，仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性。

1 并網(wǎng)運行模式的儲能逆變器

并網(wǎng)運行的儲能逆變器控制結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括功率控制環(huán)、LCL濾波器、脈沖發(fā)生電路、開關(guān)橋電路及電壓/電流反饋環(huán)、鎖相環(huán)（PLL）、abc-dq0坐標變換（park變換）等部分。圖中，vi為逆變器全橋電路的輸出端電壓；v0為LCL濾波器電容電壓；vMG為母線電壓；idref和iqref分別為儲能逆變器有功電流和無功電流指令值；id和iq分別為有功電流和無功電流反饋值；rf，Lf，rc，Lc，Cf為LCL濾波器電感電容參數(shù)；il為流過電感Lf的電流；i0為流過電感Lc的電流；ω為電壓電流角頻率。

功率控制環(huán)的控制流程如圖2所示，kqd3，kqp3為功率控制環(huán)比例系數(shù)；kid3，kiq3為功率控制環(huán)積分系數(shù)；vd_out，vq_out為功率控制環(huán)輸出給脈沖發(fā)生電路的調(diào)制信號；L為LCL濾波器電感值。

圖1 并網(wǎng)運行的儲能逆變器結(jié)構(gòu)

圖2 功率控制環(huán)

將系統(tǒng)施加小擾動后，通過線性化處理建立功率控制環(huán)的小信號模型，如式（1）所示：

式中：狀態(tài)變量xu=[ΦduΦqu]T，為輸入變量；uu1= [idrfiqref]T，uu2=[idiq]T，為輸出變量；yu=[vd_outvq_out]T，

儲能逆變器濾波器環(huán)節(jié)的小信號模型見式（2）：

式中：xf=[ildilqvdvqidiq]T，為狀態(tài)變量；Δωref為輸入量；uf1=[vd_outvq_out]；uf2=[vMGdvMGq]T；輸出量為ycon=[idiq]T；

儲能逆變器完整的小信號數(shù)學(xué)模型輸入量取自逆變器輸入?yún)⒖茧娏?、母線電壓及其角頻率：

輸出量為：

狀態(tài)變量為：

所以，其小信號模型可以寫成式（3）：

式中：

Af1，Af2，Af3分別是Af的第12列、第34列、第56列；

當并網(wǎng)運行的儲能逆變器與無窮大電源相連，如圖3所示。

圖3 儲能逆變器連接無窮大電源

圖3中無窮大電源的輸出電壓就是儲能逆變器出口母線處的電壓，即

把式（4）代入式（3）表示的儲能逆變器小信號模型后，可得圖3中系統(tǒng)的小信號模型為：

2 并網(wǎng)運行儲能逆變器的小信號分析

2.1 系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置及特征值

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

根據(jù)以上參數(shù)設(shè)置可以求得式（5）的系統(tǒng)特征值，如表2所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

表2 特征值

該系統(tǒng)的特征值共有4對復(fù)數(shù)根，其中第1與2對特征值靠近虛軸，虛部較大，振蕩頻率較高，第3與4對特征值離虛軸較遠，阻尼相對較大，虛部小，振蕩頻率低。

2.2 控制參數(shù)對系統(tǒng)特征值影響分析

當其他控制參數(shù)固定，比例系數(shù)kpd3與kpq3從0.01～5變化時，系統(tǒng)的根軌跡如圖4所示。第1與2對特征值的實部隨比例系數(shù)kpd3與kpq3增大向遠離虛軸方向運動，kpd3與kpq3較小時，這2對特征值會引起系統(tǒng)不穩(wěn)定；第3與4對特征值的實部隨kpd3與kpq3增大而增大，當kpd3與kpq3大于0.2時，特征值的實部開始大于0，系統(tǒng)開始不穩(wěn)定。kpd3與kpq3取0.05～0.1比較合適。

圖4 kpd3，kpq3與系統(tǒng)根軌跡關(guān)系

當其他控制參數(shù)固定，積分系數(shù)kid3與kiq3變化時，系統(tǒng)的根軌跡如圖5（a）所示。當從1～150變化時，有2對特征值變化比較明顯，其根軌跡如圖5（b）所示，kid3與kiq3從20開始，2對特征值的實部基本不再變化，所以kid3與kiq3取20～40比較合適。

圖5 kid3，kiq3與系統(tǒng)根軌跡關(guān)系

3 時域仿真及結(jié)果分析

3.1 仿真模型及參數(shù)設(shè)置

為了驗證小信號分析結(jié)果的正確性和有效性，在PSCAD中建立了仿真模型如圖6所示，仿真參數(shù)設(shè)置與表1參數(shù)一致。

圖6 系統(tǒng)仿真模型

3.2 控制參數(shù)對系統(tǒng)運行穩(wěn)定性影響

其他參數(shù)按表1設(shè)置，比例系數(shù)kpd3與kpq3分別取0.01，0.1，1時，有功功率參考值在1 s時發(fā)生突變，系統(tǒng)輸出三相電流波形及功率如圖7所示。當kpd3與kpq3為0.01時，系統(tǒng)失穩(wěn)，根據(jù)根軌跡分析結(jié)果可知，主要是由圖4中的第1與2對特征根太靠近虛軸引起；當kpd3與kpq3為0.1，有功功率參考值發(fā)生波動時，系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定；

圖7 不同的kpd3與kpd3時PCS輸出波形

圖8 不同的kid3與kiq3時PCS輸出電壓波形

當kpd3與kpq3為1時，系統(tǒng)失穩(wěn)。根據(jù)根軌跡分析結(jié)果可知，主要是由圖4中的第3與4對特征根實部已經(jīng)大于0引起。

其他參數(shù)按表1設(shè)置，積分系數(shù)kid3與kiq3分別取1，30，150的時候，負載在1 s時發(fā)生突變，系統(tǒng)輸出三相電流波形及功率輸出如圖8所示。當kid3與kiq3為1，負載發(fā)生波動時，系統(tǒng)輸出電流波形沒有失真，但輸出功率到達穩(wěn)態(tài)值的調(diào)整時間非常長；當kid3與kiq3為30，負載發(fā)生波動時，系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定，此時輸出電流經(jīng)過0.05 s左右就已達到穩(wěn)態(tài)值；當kid3與kiq3為150時，系統(tǒng)負載較大時出現(xiàn)了高頻振蕩分量，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。

4 結(jié)論

主要研究了并網(wǎng)運行的儲能逆變器小信號穩(wěn)定性問題，通過特征值分析法，分析了采用PI控制時控制參數(shù)對逆變器并聯(lián)運行小信號穩(wěn)定性的影響，獲得的主要結(jié)論有：

（1）比例系數(shù)對系統(tǒng)小信號穩(wěn)定影響很大，過大或過小的參數(shù)設(shè)置都會使儲能逆變器失穩(wěn)；

（2）積分系數(shù)對系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)值的調(diào)整時間影響較大，積分系數(shù)過小會造成調(diào)整時間很長，儲能逆變器對指令的響應(yīng)速度過慢，另外，積分系數(shù)很大時也會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。

[1]丁菲.含多種分布式電源和儲能的低壓微網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)建模與仿真[D].天津：天津大學(xué)，2010.

[2]肖朝霞，王成山，王守相.含多微型電源的微網(wǎng)小信號穩(wěn)定性分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2009，33（6）∶81-85.

[3]高范強，王平，李耀華，等.基于時變相量小信號模型的逆變器并聯(lián)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計[J].中國電機工程學(xué)報，2011，31（33）∶75-84.

[4]張明銳，黎娜，杜志超，等.基于小信號模型的微網(wǎng)控制參數(shù)選擇與穩(wěn)定性分析[J].中國電機工程學(xué)報，2012，32（25）∶9-19.

（本文編輯：陸瑩）

Analysis on Stability of Small Signal for Grid-connected Energy Storage Inverter

ZHOU Dan，ZHAO Bo，ZHANG Xuesong，WANG Ke
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Energy storage system is an effective means for stabilizing power fluctuations of intermittent renewable energy.This article derives small signal mathematical model of energy storage inverter in grid-connected operation and analyzes the impact of main control parameters on small signal stability of inverter；furthermore, it uses PSCAD to build a simulation model of the operating grid-connected energy storage inverter，for the purposes of verifying the impact of inverter control parameter on small signal stability.

energy storage system；grid-connected operation；small signal stability；control parameter

TM133

：A

：1007-1881（2014）01-0001-04

2013-09-18

周丹（1983-），男，浙江桐廬人，博士，工程師，主要從事分布式電源和微電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的研究。