在線供電模式的移動儲能裝置控制策略研究

(國網(wǎng)寧德供電公司，福建 寧德 352100)

1 引言

為了保證重要場所的供電可靠性，廣泛采用了移動式應(yīng)急電源車，移動式應(yīng)急電源車在政治保電、城市電網(wǎng)應(yīng)急、對抗重大自然災(zāi)害以及電力緊缺地區(qū)臨時用電等中發(fā)揮了很大的作用，雖然目前儲能技術(shù)有了很大的進展，國內(nèi)外在儲能系統(tǒng)并離網(wǎng)切換上的研究有了很大的進展，但是要做到真正地無縫切換還是很困難的，尤其是對于更大功率的儲能裝置系統(tǒng)。本文所研究的儲能裝置可以實現(xiàn)對負載不間斷供電。在線供電模式的移動儲能裝置能夠?qū)崿F(xiàn)負載的不間斷供電[1]。這對于國家政治和經(jīng)濟的發(fā)展都有特別重大的意義。

2 儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

大容量移動式儲能系統(tǒng)拓撲[2-3]如圖1所示，主要由儲能單元、交直流變換單元以及監(jiān)控系統(tǒng)三部分構(gòu)成。

3 儲能裝置控制策略

3.1 并網(wǎng)模式下控制策略

PCS并網(wǎng)運行時，直接采用電網(wǎng)頻率和電壓作為支撐，可根據(jù)需要對輸入輸出功率、直流側(cè)電壓或充放電電流進行有效控制[4-6]。

(1)恒功率充放電控制

恒功率(P/Q)控制的目的是使儲能系統(tǒng)輸出的有功和無功功率維持在其參考值附近。儲能系統(tǒng)并網(wǎng)運行時，直接采用電網(wǎng)頻率和電壓作為支撐，根據(jù)上級控制器發(fā)出的有功和無功參考值指令，儲能變流器按照P/Q控制策略實現(xiàn)有功、無功功率控制，其有功功率控制器和無功功率控制器可以分別調(diào)整有功和無功功率輸出，按照給定參考值輸出有功和無功功率，以使儲能系統(tǒng)的輸出功率維持恒定。P/Q控制框圖如圖2所示。

圖1 儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖

圖2 P/Q控制框圖

圖2中，Pref、Qref分別為功率給定參考值；P、Q分別為功率實測值；idref、iqref分別為交流側(cè)電流dq軸分量的參考值；id、iq分別為交流側(cè)電流dq軸分量的實際值；ud、uq分別為逆變器輸出電壓dq軸分量的實際值；udl、uql分別為逆變器輸出電壓dq軸分量的參考值；L為交流側(cè)耦合電感；θ為電壓初始相位角。

要實現(xiàn)上述控制，首先要進行有功和無功的解耦，將AC/DC變流器輸出的三相ABC坐標系中的電壓電流分量變換到同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系中的分量，并使q軸電壓分量uq=0，則逆變器輸出功率可以表示為：

(1)

功率給定參考值Pref、Qref與實際測量值P、Q之間的差值在PI調(diào)節(jié)器作用下，為逆變器輸出電流提供參考值idref、iqref。輸出電流參考值和電流實際值id、iq的差值在PI調(diào)節(jié)器作用下，為逆變器輸出電壓提供參考分量，同時，根據(jù)逆變器出口濾波電感參數(shù)L，計算dq軸電壓耦合分量ωLid、ωLiq，通過疊加，得到逆變器輸出電壓參考值udl、uql，再經(jīng)過坐標變換，將其轉(zhuǎn)化為三相abc坐標分量，對逆變器進行控制。

(2)直流側(cè)恒壓控制

儲能變流器直流側(cè)恒壓控制的目的是使儲能系統(tǒng)直流母線電壓維持在參考值附近。外環(huán)采用直流電壓PI調(diào)節(jié)，維持電池電壓的恒定。電壓給定值為儲能電池允許的電壓值，電壓實際值由測量元件直接測得直流母線電壓。恒壓控制框圖如圖3所示。

圖3 AC-DC的恒壓控制框圖

圖3中，Vref為直流電壓參考值；Vdc為直流電壓實測值；其余變量含義與圖2中相同。

電流內(nèi)環(huán)無功電流的參考值由有功電流參考值和功率因數(shù)求取：

(2)

直流電壓參考值Vref與實際測量值Vdc之間的差值在PI調(diào)節(jié)器作用下，為逆變器輸出d軸電流提供參考idref。q軸電流參考值由式(2)計算得到。輸出電流參考值和電流實際值id、iq的差值在PI調(diào)節(jié)器作用下，為逆變器輸出電壓提供參考分量，同時，根據(jù)逆變器出口濾波電感參數(shù)L，計算dq軸電壓耦合分量ωLid、ωLiq，通過疊加，得到逆變器輸出電壓參考值udl、uql，再經(jīng)過坐標變換，將其轉(zhuǎn)化為三相abc坐標分量，對儲能變流器進行控制。

(3)直流側(cè)恒流控制

儲能變流器直流側(cè)恒流控制的目的是使儲能系統(tǒng)直流母線電流維持在參考值附近。外環(huán)采用直流電流PI調(diào)節(jié)，維持儲能電池輸入/輸出電流的恒定。電流給定值必須在儲能電池允許范圍內(nèi)，實際值由測量元件直接測得。恒流控制框圖如圖4所示。

圖4中Iref為直流電流參考值；Idc為直流電流實測值；其余變量含義與圖2中相同。

3.2 離網(wǎng)模式下控制策略

PCS離網(wǎng)運行時，獨立為負荷供電，通常采用電壓/頻率(V/f)控制方法，控制交流側(cè)的電壓和頻率為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓和頻率支撐。V/f控制的基本思想是無論儲能系統(tǒng)的輸出功率如何變化，其出口電壓的幅值和頻率均不會發(fā)生變化。

圖4 恒流控制框圖

本次設(shè)計中采用電壓電流雙閉環(huán)控制，以輸出電壓為外環(huán)控制，濾波電感電流為內(nèi)環(huán)控制，如圖5所示。圖5中，uref為給定電壓參考值；udref、uqref分別電壓參考值的dq分量；idref、iqref分別為交流側(cè)電流dq軸分量的參考值；id、iq分別為交流側(cè)電流dq軸分量的實際值；Vd、Vq分別為逆變器輸出電壓dq軸分量的實際值；Vsd、Vsq分別為逆變器輸出電壓dq軸分量的參考值；Ls為交流側(cè)耦合電感；f為給定頻率指令；ω為電壓初始電角度；θ為電壓相位角。

該控制策略，在電壓閉環(huán)的基礎(chǔ)上，又增加了電流內(nèi)環(huán)，實現(xiàn)了既對輸出電壓有效值進行控制，又對輸出電流的波形進行控制。電壓外環(huán)控制為交流側(cè)提供電壓支撐，電感電流內(nèi)環(huán)控制能夠快速跟蹤負荷變化，提高動態(tài)響應(yīng)速度。

圖5 電壓電流雙閉環(huán)控制框圖

4 系統(tǒng)仿真與分析

以250kW儲能裝置為例進行仿真研究，仿真電路如圖6所示。

為了驗證在線供電模式的移動儲能裝置控制策略的正確性，通過MATLAB/Simulink仿真軟件對儲能裝置系統(tǒng)進行仿真[7]。主要是對以下三種情況進行仿真研究：電網(wǎng)電壓正常，電網(wǎng)電壓不正常，離網(wǎng)運行。其中電網(wǎng)電壓不正常中的電網(wǎng)電壓突然斷電的情況最能體現(xiàn)儲能系統(tǒng)能實現(xiàn)不間斷供電的作用。

圖6 在線供電模式的移動儲能裝置仿真電路

4.1 電網(wǎng)電壓正常

圖7和圖8為并網(wǎng)充電滿載運行時電池電流、電網(wǎng)電流和直流母線電壓的仿真波形。由圖7可見，在電網(wǎng)電壓正常時，電池電流和電網(wǎng)電流均正常；由圖8可見，在滿載充電情況下，直流側(cè)端電壓略低于750V。穩(wěn)態(tài)時，直流電壓波動峰峰值為2V，直流電壓紋波為0.27%，滿足紋波要求。

注：圖中Vc為電網(wǎng)電壓；Ig為電網(wǎng)側(cè)電流；Ibat為電流側(cè)電流；Udc為直流母線電壓。圖7 充電時電網(wǎng)電流與充電電流波形

圖8 充電時的直流母線電壓波形

4.1.1 電網(wǎng)電壓不正常

電網(wǎng)電壓不正常包括電網(wǎng)電壓突變和過欠壓、三相不平衡、電網(wǎng)電壓含諧波。

①網(wǎng)電壓突變和過欠壓

圖9所示為充電時電網(wǎng)電壓突變以及過欠壓時候的電網(wǎng)電流和電池電流波形，在0.1s前電網(wǎng)電壓正常，0.1s時電網(wǎng)電壓突升為正常電壓的115%，0.2s時突降為正常電壓的85%。可以看到在電網(wǎng)電壓突升突降時電池電流均有一定的振蕩，但震蕩幅值較小，在10ms以內(nèi)能恢復穩(wěn)定，系統(tǒng)仍然能夠正常工作。電網(wǎng)過壓和欠壓恢復穩(wěn)定時的電流諧波畸變率分別為2.51%、2.13%。均能滿足諧波畸變率的要求。

圖9 電壓突變時電網(wǎng)電流和電池電流波形

②網(wǎng)電壓不平衡

圖10所示為電網(wǎng)電壓不平衡時的電池電流和并網(wǎng)電流波形，由于不平衡時電壓中有很大的負序分量，可以看到輸出三相電流略有不平衡，且THD=4.66%。由于負序電壓會產(chǎn)生高一次的功率波動，導致直流側(cè)電池電流出現(xiàn)了較高的2次電流紋波，電流紋波為5.22A。可以在指令中注入一定的負序電流，保證負序電流和正序電壓的乘積與正序電流和負序電壓乘積相差180度，從而相互抵消。

圖10 電壓不平衡時電網(wǎng)電流和電池電流波形

③電網(wǎng)電壓含大量諧波

圖11所示為電網(wǎng)電壓中存在6%5次諧波，5%7次諧波時的電網(wǎng)電流和電池電流波形。可以看到電網(wǎng)電流中5、7次電流諧波明顯增加，并網(wǎng)電流THD=3.96%，仍能滿足5%要求。電網(wǎng)電壓含有較大的5、7次諧波時，在直流側(cè)主要引起6次(300Hz)的電池電流紋波，因此可以在直流母線電容旁并聯(lián)一個諧振頻率為300Hz的LC串聯(lián)諧振回路，用來吸收300Hz的電流紋波。由圖可見，在直流側(cè)加入諧振回路后，諧振回路將電池電流中的300Hz紋波吸收，電池電流紋波在4A以內(nèi)，和電網(wǎng)正常時電池電流紋波大小相同。

圖11 電壓含諧波時電網(wǎng)電流和電池電流波形

④電網(wǎng)電壓突然斷電

圖12為系統(tǒng)滿載運行，電網(wǎng)電壓突然斷電時電池電流和電網(wǎng)電流以及負載電壓電流的仿真波形。先對系統(tǒng)進行充電啟動，0.2s時斷開電網(wǎng)電壓，0.4s重新接入電網(wǎng)電壓。由圖12可見，電池電流基本沒有超調(diào)。由圖14可見三相負載端電壓在電網(wǎng)電壓斷開瞬間稍有波動，但是并不影響負載正常運行，輸出電流影響甚微，系統(tǒng)正常運行。

圖15為放電時充電電流波形。由圖(a)、(b)可知放電電流含有較大的25Hz(0.62A)、150Hz(0.41A)，300Hz(0.37A)、2850Hz(0.24A)、3150Hz(0.2A)電流紋波，電流總的紋波小于3A，直流電流紋波為0.7%，滿足紋波要求。

5 總結(jié)

本文設(shè)計了在線供電模式的移動儲能裝置的系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)能夠保證系統(tǒng)的不間斷供電，保證了系統(tǒng)的供電可靠性，對變流器并網(wǎng)、離網(wǎng)控制策略進行分析研究，介紹變流器的并/離網(wǎng)控制方式，根據(jù)儲能電站并/離網(wǎng)特點，并網(wǎng)運行時，直接采用電網(wǎng)頻率和電壓作為支撐，可根據(jù)需要對輸入輸出功率、直流側(cè)電壓或充放電電流進行有效控制。PCS離網(wǎng)時，儲能系統(tǒng)獨立為負荷供電，通常采用電壓/頻率(V/f)控制方法，控制交流側(cè)的電壓和頻率為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓和頻率支撐。運用MATLAB/Simulink軟件對儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓正常，電網(wǎng)電壓不正常進行仿真分析。仿真結(jié)果表明，在電網(wǎng)電壓不正常的情況下，儲能系統(tǒng)仍能正常工作，保證負載不間斷運行，驗證了儲能控制策略的有效性。

圖12 電網(wǎng)電流與電池電流波形

圖13 直流母線電壓波形

圖14 三相負載端電壓和輸出電流波形

圖15 放電時的充電電流波形