劉雋，趙玲，張建興，3，時珊珊，馬駿，于浩然

（1.上海市電力公司電力科學研究院，上海200437；2.許繼電源有限公司，河南許昌461000；3.華中科技大學電氣與電子工程學院，湖北武漢430074）

1 引言

風力發(fā)電、光伏等可再生能源發(fā)電作為最具備大規(guī)模開發(fā)及應(yīng)用前景的發(fā)電方式，技術(shù)日趨成熟，逐漸被廣泛應(yīng)用［1-2］?？稍偕茉吹拈g歇性、波動性和隨機性將嚴重影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性、電能質(zhì)量及經(jīng)濟性［3-5］。儲能系統(tǒng)作為針對上述問題的有效措施之一，能夠平滑有功功率波動，調(diào)節(jié)無功功率，同時還能夠在電網(wǎng)故障時獨立運行給負載供電。而隨著用電設(shè)備的不斷增加，對儲能裝置的容量、可靠性和安全性等要求也隨之提高，多裝置并聯(lián)運行可以靈活地擴充系統(tǒng)容量、組成并聯(lián)冗余系統(tǒng)以提高系統(tǒng)的可靠性且具有較高的可維修性。因此，多儲能裝置并聯(lián)運行以提高整機容量已成為儲能技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的重要趨勢。

目前，儲能系統(tǒng)的主要組成部分功率控制系統(tǒng)（power control system，PCS）的主電路大都采用兩電平拓撲，比較之下，三電平變流器具有輸出電壓、電流波形畸變小、器件開關(guān)損耗低、直流電流紋波小、功率因數(shù)高等優(yōu)點［6-7］。

本文首先分析了各種變流器并聯(lián)技術(shù)的特性［8-10］，提出了基于主從式三電平變流器并聯(lián)技術(shù)的儲能系統(tǒng)控制方案。分析了dq0坐標下主從式并聯(lián)系統(tǒng)的均流控制算法和三電平電容中點電位平衡問題，最后通過仿真和實驗對空載、負載突變和不同類型負載下的運行工況進行了驗證。理論分析和仿真、實驗結(jié)果驗證了該方案的可行性。

2 基于三電平變流器并聯(lián)技術(shù)的大功率儲能系統(tǒng)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，用電設(shè)備不斷增加，對儲能系統(tǒng)的容量要求也越來越高。儲能系統(tǒng)的核心部件為變流器，大功率變流器系統(tǒng)可有2種構(gòu)成方式：一是采用單臺大功率變流器；另一種可采用小功率變流器并聯(lián)。但單臺大功率系統(tǒng)已越來越不實用：一是大功率變流器的成本高；二是由于體積、重量很大，安裝十分困難；三是可靠性差，單點故障就會使整個系統(tǒng)癱瘓。

并聯(lián)技術(shù)可有效地解決以上問題，提供電源供電可靠性和維修性，保證不中斷供電。多個儲能模塊并聯(lián)工作，每一個模塊平均負擔負載功率，開關(guān)頻率可以提高，可以從根本上提高可靠性和功率密度，降低成本。此外，模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計使系統(tǒng)構(gòu)成方式靈活，便于擴展容量，有利于縮短研制、生產(chǎn)周期和降低成本。采用三電平變流器并聯(lián)技術(shù)的大功率儲能系統(tǒng)如圖1所示。

目前，應(yīng)用于儲能系統(tǒng)的三電平變流器并聯(lián)方案主要有兩種：一種是主從方式并聯(lián)運行，即所有變流器均以電壓源方式工作，選擇其中1 臺為主機，協(xié)調(diào)控制其余變流器；另一種是混合式并聯(lián)運行，即1臺變流器工作于電壓源模式，支持本地電壓，其余各臺均工作于電流源模式，對交流側(cè)電壓進行鎖相。為了保證各臺逆變單元的均流，每個電流源型變流器的功率指令為系統(tǒng)有功和無功功率的平均值。

圖1 基于三電平變流器并聯(lián)技術(shù)的PCS主電路Fig.1 Main circuit of PCS based on paralleled three-level converter

其中，主從式和混合式并聯(lián)系統(tǒng)的通訊方式基本相同，不同的是主從式需要選擇1 個協(xié)調(diào)控制器作為主機，發(fā)出n 路相同的同步信號分別送到n 個模塊中，控制系統(tǒng)通訊鏈路如圖2所示。

圖2 主從式并聯(lián)PCS控制系統(tǒng)通訊鏈路Fig.2 Communication link of main-slave parallel PCS control system

由于混合式并聯(lián)系統(tǒng)啟動時，系統(tǒng)總負載必須小于單臺變流器的容量，否則系統(tǒng)可靠性會變差，且系統(tǒng)負載允許突加或突減的范圍較小，比較之下，主從式并聯(lián)控制的均流特性較好，對負載的適應(yīng)性也較好，故本文采用主從式并聯(lián)方案。

3 主從式并聯(lián)儲能系統(tǒng)控制策略

主從式并聯(lián)變流器控制思想是每個逆變單元均運行在電壓源型工作模式，各并聯(lián)逆變單元采用下垂控制來保證均流效果。PQ下垂控制方式實際上是基于變流器輸出的下垂特性，即當并聯(lián)系統(tǒng)中各變流器輸出電壓的相位、幅值偏差較小時，并聯(lián)系統(tǒng)的有功環(huán)流與輸出電壓的相位差有關(guān)，無功環(huán)流與輸出電壓的幅值差有關(guān)，因此，各模塊以各自的有功功率P 和無功功率Q 為依據(jù)，調(diào)整各自輸出電壓的頻率和幅值實現(xiàn)系統(tǒng)中各臺變流器的均流運行。主從式并聯(lián)變流器控制系統(tǒng)主要由功率計算、功率控制和電壓電流雙環(huán)控制3部分構(gòu)成。

功率計算單元如圖3 所示，系統(tǒng)中每個逆變單元分別計算本地輸出的有功和無功功率，通過CAN 接口廣播到CAN 網(wǎng)，同時從CAN 網(wǎng)獲得其他逆變單元的有功和無功功率，然后計算得到系統(tǒng)的平均有功和無功功率。

圖3 功率計算單元Fig.3 Power calculation unit

功率控制單元如圖4 所示，每個逆變單元根據(jù)平均有功功率與本地有功功率之差，經(jīng)過PI控制器得到頻率的調(diào)整量，對相位進行調(diào)整，保證有功功率的均分；根據(jù)平均無功功率與本地無功功率之差，經(jīng)過PI 控制器得到電壓的調(diào)整量，保證無功功率的均分。

圖4 功率控制單元Fig.4 Power control unit

電壓電流雙環(huán)控制如圖5 所示，電壓指令由功率控制器得到，外環(huán)反饋為交流電容電壓，采樣交流電容電壓經(jīng)過Park變換與給定值比較，通過電壓PI 控制得到內(nèi)環(huán)電流指令。內(nèi)環(huán)反饋為變流器側(cè)電感電流，可提高系統(tǒng)的動態(tài)性能和抗負載擾動能力。電感電流采樣值經(jīng)過Park 變換與給定值比較，通過電流PI控制器得到逆變單元控制信號，經(jīng)過反Park變換后對逆變單元橋臂開關(guān)進行驅(qū)動控制。

圖5 電壓電流雙環(huán)控制單元Fig.5 Double loop control of voltage and current

為了得到更好的控制效果，電壓、電流雙環(huán)控制器中加入了解耦控制，同時系統(tǒng)中還加入了平均電流前饋以提高環(huán)流抑制能力。為了減輕外環(huán)電壓控制器的壓力，提高各并聯(lián)逆變單元的均流能力、系統(tǒng)的動態(tài)性能和抗負載擾動能力，將有功電流和無功電流作為前饋量引入了雙環(huán)控制器，其中，有功電流、無功電流分別由有功功率、無功功率計算求得。

除此之外，還需要對三電平變流器的直流電容中點電位進行控制，由于變流器并聯(lián)時，各硬件參數(shù)差異、鎖相不同步等問題，軟件控制在實際應(yīng)用中效果并不是很好，該設(shè)計中加入了硬件平衡電路，如圖6 所示。該電路在Buck 和Boost電路的基礎(chǔ)上，增加了1 個IGBT 管T3，通過控制T3管的導通和關(guān)斷，可以實現(xiàn)直流側(cè)電壓正常和異常情況下的中點電位平衡。

圖6 三電平變流器中點電位平衡電路Fig.6 Neutral-point balance circuit of three-level converter

4 系統(tǒng)仿真

為了驗證該控制方法的有效性，在Matlab/Simulink 平臺上進行了系統(tǒng)仿真。仿真時，系統(tǒng)測量功率經(jīng)過了1 個0.02 s 的滑窗濾波，功率指令采樣周期為1 ms，采用ode23tb 算法，仿真最大步長為1e-6。所采用的PCS主要電氣參數(shù)如下：額定容量為30 kV·A，LCL 濾波器參數(shù)為逆變側(cè)電感0.2 mH，等效阻抗為0.003 Ω，濾波電容100 μF，網(wǎng)側(cè)電感可用變壓器漏感代替為0.028 mH，變壓器變比為180/380，直流側(cè)電壓600 V，直流電容38 mF，開關(guān)頻率10 kHz。

系統(tǒng)啟動時并入3 Ω對稱三相電阻負載，在0.08 s時將電阻減小為2 Ω。2臺PCS輸出電流波形分別如圖7a、圖7b所示。

由圖7 可見，在電阻為3 Ω時，2 臺PCS 輸出電流幅值分別為42.33 A，42.4 A，當突加負載（即將電阻減小為2 Ω）時，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間為50 ms，穩(wěn)定后2 臺PCS 輸出電流分別為66.82 A，66.81 A，可以實現(xiàn)電流的均衡，突加負載時，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，波形質(zhì)量較好。

圖7 PCS輸出電流波形Fig.7 Output current waveforms of PCS

圖8 為系統(tǒng)中各PCS 輸出有功功率波形，從仿真波形可以看出，系統(tǒng)在動態(tài)和靜態(tài)過程中都能很好地實現(xiàn)有功功率的均分，負載突變時，超調(diào)量為5%，在允許的偏差范圍內(nèi)。

圖9為系統(tǒng)各節(jié)點電壓波形。從仿真波形可以看出，穩(wěn)態(tài)時，2 組PCS 輸出交流電容電壓、交流母線電壓波形質(zhì)量很好，電壓波形的THD分別為2.33%，2.33%，1.13%。穩(wěn)態(tài)時，各組PCS 交流電容電壓幅值均能穩(wěn)定在311 V，交流母線電壓幅值較低，這是由變壓器漏感上的壓降引起的。為了保證交流母線上的電壓為311 V，可以適當提高各PCS 輸出電壓的給定指令。在突加負載時，PCS輸出交流電容電壓幅值、交流母線電壓幅值均會有所下降，其調(diào)節(jié)時間為1個周波。

圖8 PCS輸出有功功率波形Fig.8 Waveform of PCS output active power

圖9 系統(tǒng)各節(jié)點電壓波形Fig.9 Voltage waveforms of system each node

圖10 為三電平變流器直流電容中點電壓波形，采用以上硬件電路控制后，直流側(cè)上、下電容的電壓差值可穩(wěn)定在14 V左右，對系統(tǒng)輸出電流波形質(zhì)量基本無影響。

圖10 直流側(cè)電容中點電壓波形Fig.10 Waveforms of DC side capacitance neutral-point voltage

5 實驗

實驗參數(shù)與仿真參數(shù)一致，采樣頻率為20 kHz，由2臺以三電平變流器為主電路的PCS裝置并聯(lián)運行，整個控制器以DSP+CPLD為核心。

系統(tǒng)實驗結(jié)果如圖11～圖13 所示。圖11 為空載時，并聯(lián)系統(tǒng)運行電壓、電流波形；圖12為帶25 kW 電阻負載時的輸出電壓、電流波形；圖13為帶15 kW電阻負載和10 kV·A感性負載時的輸出電壓、電流波形。其中CH1，CH2分別為2 臺變流器A相電壓通道，CH3，CH4為2臺變流器A相電流通道。測量點均為變壓器低壓側(cè)。

圖11 2臺變流器空載輸出A相電壓、電流波形Fig.11 Waveforms of two converters output voltage and current with no load

圖12 帶阻性負載輸出A相電壓、電流波形（25 kW）Fig.12 Waveforms of output phase A voltage and current with resistive load（25 kW）

圖13 帶阻感性負載輸出A相電壓、電流波形（15 kW）Fig.13 Waveforms of output phase A voltage and current with inductive load（15 kW）

由實驗結(jié)果可見，基于主從式控制三電平變流器并聯(lián)技術(shù)的儲能系統(tǒng)在空載、帶阻性負載和感性負載工況下均能可靠、穩(wěn)定運行，表明該設(shè)計思路是可行的，所構(gòu)建的儲能并聯(lián)系統(tǒng)可以完全實現(xiàn)均分負載功率、提高系統(tǒng)可靠性的要求。

6 結(jié)論

通過以上對基于主從式三電平變流器并聯(lián)技術(shù)的儲能系統(tǒng)的理論研究、仿真和實驗驗證，結(jié)果表明：該儲能系統(tǒng)可以充分滿足高可靠性、大容量擴容等要求，在空載、負載突變和帶不同類型負載時儲能系統(tǒng)均可穩(wěn)定工作，說明本文所設(shè)計的儲能系統(tǒng)可應(yīng)用于對現(xiàn)有儲能系統(tǒng)的改進，以提高系統(tǒng)的可靠性、降低單機容量、從而減少開關(guān)損耗、提高功率因數(shù)、降低成本、提高整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。

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