非理想電網下儲能變流器下垂控制分析

張修睿，郭權利

（沈陽工程學院，遼寧沈陽，110136）

0 引言

在電力行業發展的過程中，新能源、智能電網、電動汽車較之過去得到了顯著發展，儲能技術的市場需求占比逐漸增加。儲能技術的使用可有效解決新能源發電在環境和天氣方面所面臨的不穩定問題，它用“削峰填谷”的方式平衡了電網中的能量。儲能變流器在儲能系統中起著接口的作用，目的是實現能量在系統中的轉換，在儲能介質控制和整體設備控制方面承擔了重要作用。同時，它也在儲能系統運行方面扮演了主要角色，它的性能優良直接關系到系統運行的好壞。在工業規模提升的同時，促進了精密儀器市場應用范圍的擴大。電能質量的好壞時刻影響著元件儀器的使用壽命，電力系統中發生頻率最高的電能質量問題是電壓暫降，因此尋找應對電壓暫降的有效方法，越來越成為學者們關注的重點。以DC/DC級聯型儲能變流器拓撲結構為研究基礎，為達到有效獨立控制各個電池模塊的目的，采用將DC/DC級聯型拓撲的輸入側與獨立電池組連接的手法，輸出經過DC/AC環節實現交流并網[1]。

1 級聯型儲能變流系統的拓撲結構

對于電能設置而言，在大部分情況下是很難儲存的。就之前而言，在生產電力的同時兼顧發電、輸電和用電等，為了平衡電能供給，調度一直作為電能供應保障最有利的手段。在社會繁榮發展的同時，電網建設格局穩步上升，為了適應時代發展的步伐，滿足微電網的本質條件是新能源發電輸出功率要遵守的條件之一，就儲能方面而言，關鍵就是如何去運用它的調峰作用。

儲能變流器的拓撲結構分為單級型和雙級型，就單級型而言，這種結構能量調節的靈活度差，系統輸出的電壓波形也不穩定，均流特性也需多推敲提高。從拓撲結構角度來說，單級型與多級型相比，多級型儲能變流器的拓部結構多了一個DC/DC環節。為了擴大蓄電池組的工作電壓范圍，可以采用多級型儲能變流器，它可以用DC/DC變換器把直流電轉換為更大的電壓，接著傳給pwm變流器，進行逆變后輸入電網。下面是級聯型儲能變流器的拓撲結構(如圖1所示)。

圖1 級聯型儲能變流器的拓撲結構

這種拓撲結構的優點有如下幾點：首先，使用范圍擴大了，它更適用于多組電池投入的工作場合，通過獨立控制DC/DC環節來達到調節多組電池充放電參數的目的，而且它們之間互為獨立、個不影響。再者，因為工作電壓范圍的提高，所以擴大了電池組的使用范圍。最后，電池組投入和切換的靈活性有了顯著攀升，推動了電池儲能系統容量配置合理性的發展，方便了人們在運行時的操作和進行后期有效管理[2]。

2 DC/DC 環節的拓撲結構

2.1 隔離型DC/DC的拓撲結構

傳統的雙向DC/DC換流器目光聚集于改進雙向隔離型DC/DC 換流器拓撲結構及其控制策略。雙向隔離型 DC/DC 變換器大部分由橋式、反激式、正激式、推挽式等結構組合而成，它們有各自的適用領域，彼此之間的特性也不盡相同。為了實現電網與電池系統或分布式電源之間的電氣隔離，可以采用隔離型DC/DC變換器，它依靠自身的高頻或低頻變壓器來達到升壓和隔離的目的，這樣一來，安全性也有很大提高，因為避免產生了對地漏電流。一般來說，低頻變壓器使用時會有造價較高、體積較大、噪音較大等缺點，高頻變壓器使用時其性能會干擾DC/DC環節，致使綜合技術指標判斷不準。

2.2 非隔離型DC/DC的拓撲結構

非隔離型DC/DC換流器因其本身具有拓撲結構簡單、元件少、可靠性高等優點，所以顯著提高了整個系統的運行效率，最大的優勢表現在其沒有工頻或高頻變壓器環節。非隔離型DC/DC變換器主要有半橋式、全橋式和Buck-Boost 級聯型等三種拓撲結構（如圖2示）[3]。半橋式雙向DC/DC變換器的運行電流方向沒有規定，為正為負都可以，因其具有極性一致的輸出電壓與輸入電壓。其優勢是電路簡單，涉及元件數量較少；不足之處是對電池側的電壓有嚴格要求，一般工作在較高電壓下，而且電壓利用率低，總體來說，效率也比較低。

圖2 非隔離型雙向DC/DC變換器

全橋式雙向 DC/DC 變換器對工作條件要求沒那么苛刻，可工作在任意電壓電流極性下，整個象限內都可運行。半橋式DC/DC變換器和全橋式DC/DC變換器的主要區別是，后者的開關元件數目更多，有更為復雜的控制回路 。在相同的工作條件下，全橋式DC/DC變換器的工作電壓更低，損耗較少。在IGBT功率器件應用率大幅提高的環境下，全橋式拓撲結構應用較之過去得到了更多的發展，絕大部分與高頻大功率雙向DC/DC變換器適配。工作在正向或反向條件下的Buck-Boost級聯型雙向 DC/DC 變換器，它擁有相同極性的輸出電壓和輸入電壓，因此可轉換升壓或裝換降壓。應用級聯型雙向 DC/DC變換器時，需搭配直流電壓源模塊，且都是獨立的，但其有控制簡單、模塊化實現度高的優點。由于目前單個電力電子器件的電流定額遠不能滿足大功率DC/DC變換器的要求，多重化DC/DC變換器成為非隔離型DC/DC的重要研究和發展方向[4]。

3 改進型串聯下垂控制

在不忽略下垂電流在電流大小和功率平衡效果方面的制約，確定研究對象為I-P下垂法，提出一種改良的串聯型下垂控制方法：

上式中，I*是電流基準值，計算方式基于上級功率指令得到，為下垂參考電流，P、P、P分別為模塊一、12av二的功率及既有平均功率。一般情況下，m取值比較小，當P1≈P2≈Pav時，模塊功率平衡效果會有很大提升，在閉環穩定的情況下，若iref≈IΔ（IΔ為工作電流），則電流理論值等于輸出電流實際值。當m值增大，給定電流大小不變，均壓效果只會隨著各模塊輸出電流與給定平均電壓之差的減小而變得越好，如此可見，模塊均壓效果不受給定工作電流的限制。

為了解決輸出電流下降引發的影響，本文引入了一種發生在組串控制器內的改進補償方法，如圖3所示，通過閉環控制輸出電流和給定電流，為了補償輸出電流，PI控制器可輸出補償量Icom，再將Icom補償到各模塊的給定電流上。

圖3 下垂電流補償控制框圖

通過以上分析，得出經過電流補償后的下垂控制表達式為：

通常變流器輸出電流有紋波出現，且選擇的通信方式一般傳輸速度較低，在數值選擇上補償電流閉環PI參數偏小，在速度調節方面不會過快。

4 仿真實驗

本文通過simulink模塊搭建了級聯型儲能變流器仿真模型，對改良后的下垂控制策略進行仿真實驗，具體指功率指令不變條件下的母線電壓突變動態響應仿真。仿真直流母線電壓設置為300V，假設系統額定電壓突變為330V，當變流器工作狀態為放電情況時，Pav=375W，I′=9.09A，如圖 4所示，母線電壓突變的同時，模塊放電功率只有小幅下降，隨后保持不變；輸出電流有迅速突變減小，而后保持不變；下垂控制電流突變減小再增大，而后逐漸減小。

圖4 放電運行狀態波形

如圖5所示，當變流器工作狀態為充電情況時， 模塊充電功率隨著母線電壓的突變而下降后有小幅攀升，但一直低于之前的功率；輸出電流緩慢減小而后趨于穩定；下垂控制電流突然下降而后減小趨于穩定。上述所見波形變化情況與前文分析一致。

圖5 充電運行狀態波形

5 結論

為了消除模塊化獨立控制器測量誤差引起的嚴重電壓不規則現象，本文基于變換器并聯下垂控制原理，提出了一種解決偏差問題的優化下垂控制方法，推導了模塊電壓和功率的不對稱情況，分析了串聯控制的動態響應和誤差狀態。通過在simulink搭建模型仿真驗證了理論分析的正確性。