儲能變流器并網模式下控制策略研究

高 帥 黃日帆 王 鵬 范麗波

（1.許昌學院國際教育學院；2.華北水利水電大學電力學院；3.廣西科技師范學院機械與電氣工程學院）

儲能變流器是儲能系統的重要組成部分，對其展開研究具有重要意義。本文主要研究了儲能變流器在并網模式下的控制策略，給出了儲能變流器并網模式下的控制結構框圖，分析了其相應的控制策略，設計了基于PI調節器的控制系統，搭建了儲能變流系統并網模式下的MATLAB/Simulink仿真模型，仿真結果顯示儲能變流器在并網模式具有良好動態響應性，從而驗證儲能變流系統并網模式下相關控制策略設計的正確性和有效性。

進入二十一世紀，運用于電力設備的電力開關器件得到快速發展，電能變流技術也得到發展，比如光伏逆變器、整流器、儲能變流器等。功率開關器件頻率的高頻化使得儲能變流器的結構更加簡潔、體積更小、開發成本降低。大功率變流器主要的研究方向是應用于高頻率、大電流場合的多電平拓撲結構、抑制高頻電磁干擾的軟開關技術和高功率的變流器。隨著各種控制技術的快速發展，SPWM技術（正弦脈寬調制）、SVPWM技術（空間矢量脈寬調制技術）、鎖相技術等控制技術在變流器中得到廣泛應用。傳統的逆變器或整流器在工作時，都只能單獨的工作于逆變模式或者整流模式，而在儲能系統中要求儲能變流器能運行在并網充放電模式，實現儲能系統的充放電工作，傳統的逆變器或整流器在儲能系統中已不能滿足當前的應用要求。

網側電流控制策略主要有間接電流控制策略和直接電流控制策略兩種，其中,間接電流控制對參數不敏感且穩定性好，其網側電流的動態響應相對較慢，是常用的電流控制策略方法。相比于間接電流控制，直接電流控制電流響應速度快，系統的魯棒性強，但系統對參數比較敏感，適用性并不高。馮林采用直接功率控制策略，控制系統由交流網側電流內環、交流網側功率外環兩部分組成，其中電流內環快速響應功率內環輸出指令值，功率外環用于穩定儲能變流器交流側功率，實現有功電流和無功電流的跟蹤。該方法具有結構和算法簡單、系統動態性能好、容易數字化實現。袁凱等人給出了一種基于外環電容儲能的功率控制的方法，提出利用根軌跡和代數分析得到PI控制的相關參數。張磊通過恒流控制策略以及穩定直流母線電壓控制策略對儲能系統進行控制，完成電能在網側與儲能電池側的雙向流動。滯環電流控制策略將檢測的實際電流信號與給定電流信號值進行比較，并將實際電流值與給定值的偏差控制在一定范圍內，該控制方法電流響應速度快且系統魯棒性好，但其電流諧波頻譜隨機分布，不利于網側濾波器的設計。還有學者研究利用改進的矢量控制應用在AC/DC型變流器，以提高直流利用率和改善諧波特性。

本文主要針對并網模式下儲能變流器的控制策略進行研究，建立了儲能變流器的三種工作模式：恒功率控制模式、恒流充電模式和恒壓充電模式，并針對不同模式設計了不同的控制策略。另外，通過搭建MATLAB仿真模型，驗證儲能電池恒流充電模式、由輕負載到重負載切換模式、由充電切換放電模以及放電到充電模式，為后續實驗平臺的搭建提供了相關理論基礎。

1 儲能變流器運行模式

根據儲能變流器并網模式工作方式，分別給出了恒功率控制結構框圖、直流恒流控制結構框圖、直流恒壓控制結構框圖，下面進行介紹。

1.1 恒功率控制模式

恒功率控制方式結構框圖如圖1所示，采用功率外環、電流內環進行控制。系統恒功率控制采用基于直接電流控制，通過控制儲能變流器交流側輸出的電流矢量幅值與相位，控制儲能變流器有功功率和無功功率的輸出。首先檢測電網電壓Ug，通過PLL確定電壓相位θ。檢測獲得交流側電流iL和交流側電壓Ua,b,c，經過Park變換轉換為dq旋轉坐標系下的id、iq以及Vd、Vq。經過功率控制器解耦，接著計算出儲能系統的指令電流iLdref、iLqref，將功率控制轉換為電流控制，之后經過SVPWM調制輸出驅動脈沖控制驅動功率模塊開關管，得到所需的電壓以及網側電流。

圖1 恒功率控制結構圖

圖2 直流恒流充電控制結構圖

1.2 直流恒流充電模式

當儲能變流器運行在充電的第一階段為直流恒流模式下，其控制結構圖如圖2所示。該模式對直流側電流信號進行采樣，之后與指令電流作差進行PI調節，經過運算得到SVPWM驅動脈沖控制IGBT開關管的通斷，實現儲能變流器直流恒流控制模式。

圖3 直流恒壓充電控制結構圖

圖4 同步旋轉坐標系下鎖相環結構圖

1.3 直流恒壓充電模式

儲能變流器系統運行于充電模式的第二階段為直流恒壓充電模式，其控制結構圖如圖3所示。在直流恒壓充電模式中，直流外環給定量和反饋量為直流電壓信號。該模式在已經設計好的恒流充電閉環控制器的基礎上，采用電壓外環、電流內環的控制結構完成恒壓充電控制器的設計。

2 鎖相環設計

本文采用dq鎖相，當系統實現鎖相此時有Vq=0時，說明鎖相相位和電網相位一致。基于同步旋轉坐標系的鎖相環結構圖如圖4所示。

在電網電壓平衡穩定的情況下，電網電壓表示如式(1)：

對三相電網電壓進行Clarke變換，得到αβ靜止坐標系下的電壓如式(2)：

式(2)再經過Park變換，由兩相αβ靜止坐標系變換得到兩相dq旋轉坐標系下，如式(3)：

當電壓矢量與d軸重合，兩相dq旋轉坐標的旋轉角度θ與電壓矢量相位ωt相等。通過調節PI控制參數使得Vq=0，此時鎖相環系統處于穩定狀態。當穩態相位誤差比較小，有：

由此可得出系統的小信號模型，如圖5所示。

圖5 旋轉坐標系下鎖相環的小信號模型

同步dq旋轉坐標系下鎖相環系統的開環傳遞函數表示如式(5)：

系統的閉環傳遞函數表示如式(6)：

閉環誤差傳遞函數表示如式(7)：

由上述開環傳遞函數可知，dq旋轉坐標系下鎖相環系統是一個Ⅱ型系統，其原點處有兩個極點，該系統可以無誤差的跟蹤斜坡輸入信號。根據系統閉環傳遞函數，本系統含低通濾波的特性，能夠有效抑制高次諧波，其二階傳遞函數轉化為標準型表示如式(8)：

由上述可知同步旋轉坐標系下鎖相環能夠實現階躍跳變的無誤差跟蹤。綜合考慮一個典型的二階系統的超調量和響應速度，一般有ζ=0.707。當穩態誤差為1%時，同步旋轉坐標系下鎖相環系統對階躍輸入相應的穩定時間表示如式(10)：

根據上述分析，可以得到基于同步旋轉坐標系下鎖相環系統的PI參數計算如式(11)：

當電網處于理想狀態，可以設定Vm的值為311。通過設計合理PI參數，符合系統響應時間符合系統的設計要求。

3 仿真分析

在Matlab/simulink中搭建三相儲能變流器仿真模型，通過仿真分析驗證系統在并網模式下的運行控制原理及其控制策略。整體仿真模型如圖6所示。

仿真模型的相關參數如表1所示：

表1 仿真參數

并網運行模式下，儲能變流器可以對電池進行并網充放電功能，充電模式下，系統的啟動仿真波形圖如圖7所示，由圖7可以看出系統經過0.01s的調節，交流電流和直流電流均達到額定值，系統響應速度快，其中網側A相電流THD值小于2%。

圖6 儲能變流器仿真模型

圖7 充電模式啟動波形

放電模式啟動仿真波形圖如圖8所示，系統經過0.01s的調節，交流電流與直流電流均達到額定值，其中網側A相電流THD值小于2%。

圖8 放電模式啟動波形

圖9為系統在并網充電模式和放電模式下交流側A相輸出電流諧波含量分析，由圖可知系統并網模式下，充電模式交流側輸出電流THD為1.09%，放電模式下THD為1.27%。

圖9 并網網側A相電流諧波畸變率

下面驗證系統的放電功能，觀察交流側放電模式下負載功率突增的過程，如圖10所示。由圖中可以看出系統負載突增過程中，系統的動態調整時間小于10ms，超調量小，由此可知系統的動態性能較好。

圖10 并網模式下放電功率突增波形

圖11 并網模式下充放電切換波形

圖11為并網模式下系統充放電切換波形，由圖可知系統在0.1s開始，系統由充電切換為放電，切換時間為10ms左右，之后系統恢復平穩運行。

圖12 并網模式下放電切換充電波形

圖12為并網模式下系統放電切換充電波形，由圖可知系統在0.1s開始由放電模式切換為充電模式，切換時間為10ms左右，切換過程中超調量小。

結論：本文主要研究了儲能變流器在并網模式下的控制策略。首先根據儲能變流器并網模式工作方式，分別給出了恒功率控制結構框圖、直流恒流控制結構框圖、直流恒壓控制結構框圖，然后提出了基于同步旋轉坐標的軟件鎖相環的設計，最后進行了儲能變流器系統并網模式下的MATLAB仿真模型，通過仿真驗證了系統在并網模式下運行的穩定性，相關控制策略理論分析的有效性以及相關參數設計的正確性，為后續實驗樣機的設計提供堅實理論基礎。