儲能裝置多機(jī)系統(tǒng)在離網(wǎng)狀態(tài)下的環(huán)流控制策略

林漢平 吳文宣 蔡金錠 鄭 高

（1. 福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350108；2. 國家電網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福州 350007；3. 國家電網(wǎng)福建省電力有限公司，福州 350001）

為了提高儲能系統(tǒng)的容量和可靠性，廣泛采用了多臺儲能裝置并聯(lián)的儲能系統(tǒng)。但在實(shí)際應(yīng)用中，各臺儲能裝置的輸出電壓幅值和相角不可能完全相等，同時(shí)輸出線路阻抗也有差異。故當(dāng)多臺儲能裝置并聯(lián)工作時(shí)必然會產(chǎn)生環(huán)流，從而使各臺儲能裝置不能均分負(fù)載，使得部分裝置工作于過載狀態(tài)，導(dǎo)致并聯(lián)系統(tǒng)崩潰。所以需要在儲能裝置離網(wǎng)控制中加入并聯(lián)控制抑制各臺變流器間的環(huán)流，保證各臺儲能裝置均分負(fù)載正常工作。本文提出了基于平均功率均分控制的并聯(lián)控制策略，需檢測系統(tǒng)輸出有功和無功功率，其均流效果好，穩(wěn)定性高，且具有較強(qiáng)的抗擾動性，可有效抑制并聯(lián)系統(tǒng)中環(huán)流的產(chǎn)生，對多臺儲能裝置構(gòu)成的大容量儲能系統(tǒng)在離網(wǎng)運(yùn)行下的并聯(lián)控制策略及均流控制的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

1 系統(tǒng)建模

圖1中ioi1、ioi2為變壓器高壓側(cè)輸出電流；Zloαd為本地恒阻抗負(fù)載，流過負(fù)載的電流為兩臺儲能裝置交流側(cè)輸出電流之和。其中，對上述變量中的下標(biāo)i有i= a ,b,c。

根據(jù)圖1系統(tǒng)框圖，兩臺儲能裝置并聯(lián)系統(tǒng)中每臺儲能電源與變流器的直流側(cè)相連，變流器交流側(cè)接LCL濾波器，然后經(jīng)隔離變壓器并聯(lián)后與負(fù)載相連。單臺變流器可視為一個交流電壓源U1、U2。由于輸出端變壓器漏感的存在，故并聯(lián)運(yùn)行時(shí)線路阻抗主要呈感性，即Zl1= jX1，Zl2= jX2，其并聯(lián)等效模型如圖2所示[1-2]。

圖1 PCS離網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 兩組儲能裝置并聯(lián)運(yùn)行示意圖

假設(shè)并聯(lián)母線電壓為U0∠0°，變流器交流側(cè)輸出電壓為U1∠φ1、U2∠φ2，則各臺變流器輸出電流為

各臺變流器的輸出功率為

兩臺變流器之間的環(huán)流為Ih，則[3]

由式（4）環(huán)流公式可知，系統(tǒng)環(huán)流與兩臺變流器交流側(cè)輸出電壓的幅值、相角以及它們之間的線路阻抗有關(guān)。因此為了減小變流器之間的環(huán)流需控制各臺變流器的輸出幅值、相角相等，同時(shí)在保證線路阻抗相等的前提下，盡量增大輸出線路阻抗。本文提出了基于平均功率均分控制[4]的離網(wǎng)并聯(lián)控制策略。

2 儲能系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行控制分析

根據(jù)圖1儲能系統(tǒng)離網(wǎng)等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)基爾霍夫電壓定律、基爾霍夫電流定律可得離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)電路的狀態(tài)方程組：

式中，L0和R為折算到變流器側(cè)的漏感（包含L2）和等效電阻，將上式進(jìn)行dq變換，則變流器dq變換后模型為

則由式（6）可得變流器離網(wǎng)運(yùn)行模型框圖如圖3所示。

根據(jù)圖3所示的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)系統(tǒng)處于離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，此時(shí)儲能系統(tǒng)脫離配電網(wǎng)與負(fù)荷形成獨(dú)立的微電網(wǎng)，儲能系統(tǒng)作為電源向重要負(fù)荷供電，同時(shí)向微電網(wǎng)提供電壓和頻率支撐，此時(shí)需要儲能系統(tǒng)具有恒定的電壓和頻率，因此變流器采用V/f控制[5-6]。V/f控制是包含電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的雙環(huán)控制。控制原理框圖如圖4所示。

圖3 變流器離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的等效數(shù)學(xué)模型

圖4 電壓電流雙環(huán)控制原理圖

3 基于平均功率均分控制研究

根據(jù)式（4），為了抑制系統(tǒng)中的環(huán)流，必須保證兩臺變流器交流側(cè)輸出電壓幅值和相角一致，在變流器控制中加入功率均衡控制，保證各臺變流器均分功率，從而抑制環(huán)流[7]。

假設(shè)變流器輸出平均功率時(shí)其對應(yīng)的輸出電壓為Uc_αve∠φc_αve，并且由外置同步信號作為基準(zhǔn)進(jìn)行dq分解，則有

由上式可知，當(dāng)線路阻抗為純感性時(shí)，變流器交流側(cè)電壓 q軸分量差異引起有功不均衡，d軸差異造成無功輸出環(huán)流。為了實(shí)現(xiàn)變流器輸出功率的均衡，可在變流器電壓控制外加入功率均衡的PI控制，通過測量每組并聯(lián)系統(tǒng)向母線輸出的電壓U0和電流i0，計(jì)算輸出有功、無功功率，與其平均功率相比較，經(jīng)過PI控制得到功率外環(huán)的輸出量，疊加在變流器輸出電壓指令上作為修正，以抑制變流器之間的環(huán)流。

結(jié)合圖 4、圖 5可得離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)基于平均功率均分控制框圖。

圖5 功率外環(huán)控制原理圖

圖6 基于平均功率均分控制框圖

4 系統(tǒng)仿真與分析

儲能系統(tǒng)離網(wǎng)仿真模型包括兩套儲能裝置，每套儲能裝置分別由電池模塊、變流器模塊、濾波器模塊、變壓器模塊以及負(fù)載組成，如圖7所示。

4.1 控制模塊設(shè)計(jì)

測取兩臺變流器交流輸出側(cè)的電感L1電流和電容C兩端的電壓，計(jì)算求得并聯(lián)的每組電池輸出的有功功率和無功功率。

圖7 儲能系統(tǒng)多機(jī)并聯(lián)仿真模型

圖8 第一組儲能裝置輸出功率仿真模型

圖9 第二組儲能裝置輸出功率仿真模型

計(jì)算兩組儲能裝置輸出的平均功率的大小仿真模型如圖10所示。

圖10 兩組儲能裝置的平均功率仿真模型

將平均功率與兩組儲能裝置實(shí)際輸出功率分別進(jìn)行比較，如圖11，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后輸出的誤差量作為電壓外環(huán)的輸入量，如圖12所示。由電壓電流雙環(huán)控制得到dq坐標(biāo)下的調(diào)制波，再由坐標(biāo)變換為abc坐標(biāo)系下調(diào)制波，與SPWM中的三角波比較后輸出變流器開關(guān)管的驅(qū)動信號。

圖11 基于平均功率均控制仿真模型

圖12 電壓電流雙環(huán)控制仿真模型

4.2 仿真結(jié)果分析

對儲能系統(tǒng)多機(jī)離網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行進(jìn)行仿真分析，空載運(yùn)行檢測輸出電壓的同步情況，以及環(huán)流的大小。圖13為兩臺PCS輸出交流側(cè)電容電壓波形，從圖中可以看出，經(jīng)過外同步信號的同步，兩臺PCS的輸出電壓實(shí)現(xiàn)了相位的同步，空載運(yùn)行時(shí)，兩臺變流器輸出電壓重合較好，輸出環(huán)流較小。

圖13 兩臺PCS輸出交流側(cè)電容電壓A相波形

儲能系統(tǒng)并聯(lián)帶載運(yùn)行時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14、圖15所示，兩臺PCS的輸出電壓實(shí)現(xiàn)了相位的同步，輸出電壓重合較好，輸出環(huán)流很小，功率均分控制策略能夠有效的抑制了環(huán)流的產(chǎn)生。

圖14 兩臺PCS輸出交流側(cè)電容電壓A相波形

圖15 兩臺PCS輸出環(huán)流波形

5 結(jié)論

本文研究了多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行情況下，由于各臺儲能裝置的輸出電壓幅值和相角不可能完全相等，同時(shí)輸出線路阻抗也有差異，并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)中必然會產(chǎn)生環(huán)流，導(dǎo)致各臺儲能裝置不能均分負(fù)載，出現(xiàn)過載狀態(tài)，甚至引起并聯(lián)系統(tǒng)崩潰。為了抑制環(huán)流的產(chǎn)生，提出了基于平均功率的均分控制，該控制方法將經(jīng)過PI控制得到功率外環(huán)的輸出量，疊加在變流器輸出交流電壓指令上作為修正。通過Matlab/Simulink軟件對離網(wǎng)控制策略進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證，在空載和帶載運(yùn)行下該控制方法均起到很好的抑制環(huán)流的作用，實(shí)現(xiàn)了兩臺PCS的均流運(yùn)行。

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