時(shí)珊珊，陳常曦，于文杰，劉 舒

（1.國(guó)網(wǎng)上海電科院，上海 200437；2.許繼電源有限公司，許昌 461000）

隨著新能源發(fā)電及微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展［1－4］，對(duì)儲(chǔ)能變流器的功能及性能提出了更為嚴(yán)格的要求，即支持P／Q運(yùn)行模式及V／F運(yùn)行模式，同時(shí)支持兩種模式之間的快速切換。傳統(tǒng)的儲(chǔ)能變流器主要側(cè)重于并網(wǎng)模式下對(duì)儲(chǔ)能介質(zhì)的充放電功能，以及P／Q運(yùn)行模式，但這已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足新能源發(fā)電及微電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的需求［5－8］。本文主要研究并網(wǎng)／離網(wǎng)控制策略及模式轉(zhuǎn)換策略，闡述控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，研制一臺(tái)額定功率為20 k W、基于AC／DC一級(jí)變換拓?fù)洳⑶揖邆洳⒕W(wǎng)／離網(wǎng)切換功能的儲(chǔ)能變流器，并成功應(yīng)用于新能源電站及微電網(wǎng)系統(tǒng)工程中。

1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

儲(chǔ)能變流器主電路采用基于AC／DC一級(jí)變換的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要由絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）三相全橋搭建的功率模塊組成。該拓?fù)渲С炙南笙捱\(yùn)行，并且能量流動(dòng)具有雙向性。內(nèi)置星三角隔離變壓器起到隔離、濾波以及保持系統(tǒng)內(nèi)三相電壓平衡的作用［9］。在交流側(cè)設(shè)置主斷路器、主接觸器、LC濾波器。儲(chǔ)能變流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)能變流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 控制策略研究

2.1 并網(wǎng)控制策略

在并網(wǎng)P／Q運(yùn)行模式下，三相全橋功率模塊采用單環(huán)控制策略，將給定的定值轉(zhuǎn)化至dq坐標(biāo)下作為電流環(huán)的輸入給定，通過(guò)電流環(huán)作用得到SPWM算法即可生成相應(yīng)的6路驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，控制三相全橋IGBT的通斷；同時(shí)，在電流環(huán)輸出中引入前饋的控制策略，加快控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。并網(wǎng)控制框圖如圖2所示。

圖2 并網(wǎng)控制框圖

2.2 離網(wǎng)控制策略

在離網(wǎng)V／F運(yùn)行模式下，三相全橋功率模塊采用雙環(huán)控制，經(jīng)過(guò)dq反變換之后，引入電壓前饋控制，提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。支持離網(wǎng)V／F運(yùn)行時(shí)對(duì)電池的充電和放電。離網(wǎng)控制框圖如圖3所示。

圖3 離網(wǎng)控制框圖

2.3 模式切換控制策略

在微電網(wǎng)系統(tǒng)工程應(yīng)用中，儲(chǔ)能變流器能實(shí)現(xiàn)由并網(wǎng)P／Q運(yùn)行模式向離網(wǎng)V／F運(yùn)行模式的相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)儲(chǔ)能變流器檢測(cè)到電網(wǎng)失電或市電恢復(fù)時(shí)，將當(dāng)前并網(wǎng)P／Q（或離網(wǎng)V／F）控制策略停止，延遲適當(dāng)時(shí)間之后，再啟動(dòng)離網(wǎng)V／F（或并網(wǎng)P／Q）控制策略，完成并網(wǎng)／離網(wǎng)轉(zhuǎn)換。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能變流器控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)主要分為控制部分程序和通信部分處理程序兩個(gè)部分，其中控制部分程序設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 控制部分軟件流程圖

4 控制電路設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能變流器控制系統(tǒng)主要包括數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）＋現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）組成的主控系統(tǒng)、開(kāi)入／開(kāi)出信號(hào)控制、脈沖寬度調(diào)制（PWM）及故障信號(hào)和通信接口電路。本文設(shè)計(jì)采用TMS320F2812作為主控芯片，主頻為150 MHz。DSP負(fù)責(zé)控制算法處理及通信數(shù)據(jù)處理；FPGA負(fù)責(zé)PWM生成、保護(hù)功能及開(kāi)入／開(kāi)出處理。其中，人機(jī)界面采用RS-485通信方式，電池電池管理系統(tǒng)（BMS）采用CAN2.0B通信方式，上位機(jī)采用以太網(wǎng)104通信方式。儲(chǔ)能變流器控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。

5 實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)以上研究，研發(fā)設(shè)計(jì)了一臺(tái)20 k W、基于AC／DC一級(jí)變換拓?fù)淝揖邆洳⒕W(wǎng)／離網(wǎng)切換功能的儲(chǔ)能變流器，接入電池為鉛酸電池。該儲(chǔ)能變流器的主要技術(shù)參數(shù)如下：網(wǎng)側(cè)電壓波動(dòng)范圍（1 ±5%）×380 V；額定功率20 k W；頻率波動(dòng)范圍47～51 Hz；直流電壓范圍200～430 V；開(kāi)關(guān)頻率為5 k Hz；采樣頻率為15 k Hz；并離網(wǎng)轉(zhuǎn)換時(shí)間小于200 ms。

對(duì)鉛酸電池進(jìn)行了充放電實(shí)驗(yàn)，以及在新能源電站及微電網(wǎng)系統(tǒng)工程中進(jìn)行了并網(wǎng)／離網(wǎng)切換實(shí)驗(yàn)和V／F模式下負(fù)載投切試驗(yàn)。并網(wǎng)放電轉(zhuǎn)為充電波形如圖6圖所示。在并網(wǎng)P／Q運(yùn)行模式運(yùn)行下，由充電至放電之間的切換實(shí)驗(yàn)。在放電10 k W功率給定時(shí)，突然轉(zhuǎn)換為充電10 k W功率給定，充電電流在40 ms內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。

離網(wǎng)滿(mǎn)載與空載切換波形如圖7所示。由圖7（a）可見(jiàn)，在離網(wǎng)模式空載運(yùn)行下，突加20 kW阻性負(fù)載，負(fù)載電流在10 ms內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，滿(mǎn)足微電網(wǎng)調(diào)度快速響應(yīng)的需求。由圖7（b）可見(jiàn)，在離網(wǎng)模式20 kW阻性負(fù)載運(yùn)行下，突切負(fù)載轉(zhuǎn)為空載運(yùn)行。

圖5 儲(chǔ)能變流器控制系統(tǒng)框圖

圖6 并網(wǎng)放電轉(zhuǎn)為充電波形

離網(wǎng)半載投滿(mǎn)載波形如圖8所示。在離網(wǎng)模式9 k W阻性負(fù)載運(yùn)行下，突加負(fù)載轉(zhuǎn)為額定功率運(yùn)行，負(fù)載電流在40 ms內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。在負(fù)載投切過(guò)程中，輸出電壓、頻率基本不變。

圖7 離網(wǎng)滿(mǎn)載與空載切換波形

并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)切換波形如圖9所示。在并網(wǎng)模式運(yùn)行下，模擬電網(wǎng)失電，轉(zhuǎn)換至離網(wǎng)模式運(yùn)行，轉(zhuǎn)換過(guò)程在200 ms內(nèi)完成，且電流達(dá)到穩(wěn)定。

圖8 離網(wǎng)半載投滿(mǎn)載波形

圖9 并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)切換波形

離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)切換波形如圖10所示。在離網(wǎng)模式運(yùn)行下，模擬電網(wǎng)恢復(fù)，轉(zhuǎn)換至并網(wǎng)模式運(yùn)行，轉(zhuǎn)換過(guò)程在80 ms內(nèi)完成，且電流達(dá)到穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)在200 ms內(nèi)完成并網(wǎng)模式與離網(wǎng)模式之間的切換，可保證部分用電設(shè)備的不間斷供電。

圖10 離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)切換波形

6 結(jié)論

本文研究了具備并網(wǎng)／離網(wǎng)切換功能的、基于AC／DC的一級(jí)變換儲(chǔ)能變流器的、主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略的儲(chǔ)能變流器，研制了一臺(tái)功率為20 k W儲(chǔ)能變流器樣機(jī)。該儲(chǔ)能變流器功能完善，具備交流側(cè)電壓、電流、相序、頻率等保護(hù)；支持P／Q控制及V／F控制，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)充放電切換及并離網(wǎng)切換；可視化的智能觸摸屏，支持以太網(wǎng)104、CAN2.0等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，儲(chǔ)能變流器并離網(wǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間短、動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速、充放電電流諧波小，滿(mǎn)足了新能源發(fā)電及微電網(wǎng)應(yīng)用對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求，具有較好的推廣價(jià)值。

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