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1、储能逆变器并网/孤网双模式控制策略研究1 引言 随着经济发展，传统能源需求迅速增长，而一味地扩大电网规模显然并不能满足对电能的要求。因此包括基于风电、光伏等可再生能源及电池储能技术1的分布式发电技术正在快速发展。而逆变器2作为分布式发电系统中的核心部件已成为研究焦点。目前的逆变器大多数都是单功能逆变器，或作并网运行，将电能供给远程负载使用34。或作微电网独立运行，实现对本地负载的不间断供电5。文献67提出了双控制模式和间接电流控制模式的算法，但都是基于单相系统提出的。 本文所研究的储能逆变器是一类适合智能电网建设，应用在储能环节，基于空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)方式控制，以双向逆变为基本
2、特点，并可并网/孤网双模式运行的三相变流器。当电网电力比较充足，且此时用电处于低谷的时候，变流器工作在整流状态，通过电网向储能电池充电，将电能储存起来；当电网电力缺乏，处于用电高峰的时候，双向变流器工作在逆变状态，将电能从储能电池反馈给大电网，此时逆变器相对于电网来说作为一个电流源。而当电网出现故障，使微电网处于孤网状态时，其能在微网中起到应急独立逆变作用，此时储能逆变器要能充当网络电源，负责调节微电网的电压和频率，此时控制的关注点是输出电压波形质量，此时储能逆变器相于微电网来说作为一个电压源。 本文针对三相储能逆变器在并网运行和孤网运行下的特点，分别采用电流控制策略和电压控制策略，设计出了相
3、应的仿真模型，并对其控制性能进行了仿真研究。基于目前文献较少涉及到并网和独立工作切换过程分析，本文分析了切换过程中可能引起的负载电压电流突变，并提出了的解决方法。2 系统结构及基本原理 本文所研究的三相三线逆变器结构如图1所示，系统由蓄电池，三相逆变桥，三相LC滤波器，工频变压器和并网开关组成。其中AC-DC部分采用三相半桥电压型PWM整流器拓扑结构，由6个IBGT模块构成，其应用广泛，可靠性高。控制方式采用SVPWM89，直流电压利用率(即逆变器输出电压基波线电压有效值与直流侧电压比值)最大可达0.707，比采用SPWM控制方式高出15%。由于采用SVPWM控制方式时输出电压具有一定的较高次
4、谐波，因此要由三相LC滤波器将主要的谐波滤除。输出变压器连接成/Y无中线方式，并认为输出匝比为1，可阻止逆变桥输出PWM脉冲电压中所含的3倍频谐波这样的零序分量传输到输出端，并可实现与电网及负载的电气隔离。并网开关实现电网和逆变器的连接和断开。图1 储能逆变器系统结构图3 三相SVPWM数学模型分析 在逆变器建模时，将负载处理为外部扰动输入量，这样建立一个形式简单而又严格成立的线性模型。利用坐标系变换，得到三相无中线逆变器在同步旋转dq坐标系下变量的表达式为： (1) 根据式（1）得到三相无中线逆变器在dq坐标系下的模型如图2所示。从图2中可以看出在dq坐标系下，q轴的输出电压以及电感电流分量
5、耦合到d轴上，而d轴的输出电压以及电感电流分量耦合到q轴上，即dq坐标系下的三相逆变器数学模型是一个两输入两输出的耦合系统。而d轴和q轴间的耦合会影响系统的动态性能，因此，如果控制系统中包含这些扰动量，则可以消除它们的影响。4 控制系统设计 根据储能逆变器在并网和孤网环境下工作时的特点，本文设计两种控制模式：电流控制模式和电压控制模式，分别用于并网和孤网控制。控制总体框图如图3所示，开关K用于两种模式间的切换。对于一般的恒值调节系统，只要控制器中含有积分环节，该系统就是无静差系统，经过调节总可以达到输出等于给定，因此电流控制和电压控制都采用PI调节器。图3 逆变控制结构图4.1并网电流控制模式
6、 并入大电网时，电网系统可视为容量无穷大的定值交流电压源，输出的电压被电网电压箝位而不可控，常采用电流或功率控制方式。又因直流母线电压由蓄电池提供，不会出现大的波动，因此采用直接电流单环控制方式，拓扑结构如图4所示。由给定功率和网侧电压经过运算求出交流侧电流指令信号，再引入交流侧电流反馈，通过对交流侧电流的直接控制使其跟踪指令电流值。经dq变换后的控制框图如图5所示，其中对耦合项，采用前馈解耦方法，解耦后可将d轴和q轴等效成两个独立的系统进行调节，虚线框内为逆变器数学模型。此控制方式能有效地跟踪负载电流的变化，具有动态性能好，电流控制精度高等优点。图4 三相逆变器并网运行dq控制框图4.2孤网
7、电压控制模式 孤网控制时，逆变器作为主力供电机组为负载提供电能，等效为一个电压源运行。输出电压波形质量是逆变器关注的最重要指标，为了达到高质量的电压波形，本文采用输出电压瞬时值反馈控制方式，拓扑结构如图5所示。对于三相逆变器输出电压对称的情况下，经过三相坐标到两相旋转坐标系的变换之后，dq模型中的三相逆变器的q轴分量为一常量，而d轴分量为零，因此，三相逆变器在dq坐标系下的控制系统中q轴给定量为电网相电压幅值，d轴给定值为零。对dq轴中的耦合项采用前馈解耦方式，如图5所示。当三相逆变电源的扰动为基波扰动时，如非线性负载，采用电压瞬时值控制可以快速抑制负载扰动引起的输出电压变化。图5 三相逆变器
8、孤网运行dq控制框图4.3切换过程研究 当出现大电网故障而使得微电网独立，或微电网需重新并网等情况时，为保证能为重要负载提供持续交流电能，要求逆变器运行时能在两种控制模式间进行切换。而在切换过程中，可能出现较大的电压电流冲击，这对电网和逆变器都是不利的，因此为减小控制器结构变化时对输出性能的影响，本文研究了一种平滑的切换方案。(1)从孤网到并网切换的算法并网后输出端电压为电网电压，因此孤网控制模式时输出的端电压需调整至和电网电压一致才能并网，否则会出现逆变器输出电压的幅值或相位与电网不一致，从而对微电网产生电压和电流冲击。从孤网模式到并网模式的切换过程如图6（a）所示。 (a)孤网至并网切换
9、(b)并网至孤网切换图6 并网与孤网间切换逻辑(2)从并网到孤网切换的算法 并网运行时，当微电网检测到大电网出现故障而断开与之的连接，为保证微电网供电的连续性，逆变器需立即切换至电压控制模式，作为主力供电机组为负载提供电能。这种切换不受人为控制，且切换时刻随机性较大。因此为了保证负载上的电压电流的连续性，在从电流控制模式切换至电压控制模式时，要使输出电压延续断网前的相位和幅值，否则在切换瞬间将会出现电压电流的突变，而负载电压的突变对整个系统的影响非常大，会造成关键负载不中断供电功能不能实现。为保证平滑切换，从并网到孤网的切换过程如图6(b)所示。5 仿真实验结果 本文在Matlab/simul
10、in10软件平台中对三相逆变器在并网模式和孤网模式下的控制策略进行了仿真。电网设定频率50Hz，线电压380V；直流母线电压600V，系统开关频率10kHz，滤波电感值为1.3mH，内阻为0.01，电感值为120uF，额定输出功率50kW。5.1并网仿真及实验结果 设定逆变器处于并网直接电流控制模式，在运行中使设定输出功率由15kW突变为50kW时的a相电压电流波形如图7所示。图7 a相输出电压电流波形 由电压电流波形可以看出电流能够很好的跟踪电压，实现单位功率因数逆变。当参考指定功率变化时，逆变系统能够快速地调节功率输出，快速跟踪指定功率的变化，暂态响应时间较短，响应基本平稳。5.2孤网仿真
11、及实验结果设定逆变器处于孤网瞬时电压控制模式，在运行中使负载功率由15kW突变为50kW时的a相电压电流波形如图8所示。图8 a相输出电压电流波形 可以看出，当突加负载后，电压波形有微小畸变，但经过0.005s的调整之后就恢复正常，输出电流也能平滑上升。说明逆变系统能够快速响应负荷功率变化，在负荷突变的情况下维持负荷电压和频率的稳定。5.3切换过程仿真结果 在由孤网电压控制模式切换至并网电流控制模式时，若切换前输出电压和大电网存在相位差，则切换时会出现如图9(a)所示电压突变情况。若切换前能调整至与大电压一致，则切换点能平滑衔接,如图9(b)所示。(a)未同步切换时三相负载电压(b)同步后切换
12、时三相负载电压图9 孤网/并网切换时三相电压波形 在由并网电流控制模式切换至孤网电压控制模式时，若切换后输出电压相位和切换前有较大差距，则负载电压会出现较大波动，如图10(a)所示。则按本文所提出的切换方式改进后，仿真出的波形如图10(b)所示，可以看出，切换点输出电压能平滑衔接，未出现电压突变情况。(a)未同步切换时三相负载电压(b)同步后切换时三相负载电压图10 并网/孤网切换时三相电压波形6 结束语 本文分析了储能逆变器的系统结构，针对微电网并网运行和孤网运行的两种模式，分别研究了直接电流控制策略和瞬时电压控制策略，设计出了相应的控制系统；并为实现两种模式间的平滑切换提出了相应的算法。最后在Matlab/Simulink仿真软件中对两种运行模式及切换算法进行了系统仿真，仿真结果表明：在并网运行时，并网逆变系统能够快速跟踪指定功率，实现了系统的电流解耦控制；在孤网运行时，逆变器能够快速响应负荷功率的变化，维持负荷电压未定，具有较好的负荷跟随能力；在两种运行模式间切换时能减小电压电流突变，平滑输出波形曲线。更多访问：()
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