張帥，劉文紅，李鋒，闕春蘭，潘三博

(1.上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上海 200240;2.上海致遠(yuǎn)綠色能源股份有限公司，上海 201611)

0 引言

隨著全球能源供應(yīng)局勢的緊張，以風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電、微型燃汽輪機(jī)、柴油機(jī)、燃料電池等為主的分布式發(fā)電技術(shù)(Distributed Generation，DG)逐漸引起的各國研究人員的重視［1］。由于風(fēng)電和光伏受氣候條件影響較大，且會對大電網(wǎng)頻率和電壓產(chǎn)生沖擊。故只能采取隔離、切機(jī)等簡單的操作來實(shí)現(xiàn)對DG的控制。這種控制方式極大地限制了DG的利用率［2］。為解決上述問題，儲能技術(shù)開始被引入分布式發(fā)電系統(tǒng)中。

儲能系統(tǒng)潛在的四象限運(yùn)行能力使其可以廣泛地應(yīng)用在不間斷電源(UPS)、電能質(zhì)量治理以及電力系統(tǒng)穩(wěn)定性等領(lǐng)域［3］。在分布式發(fā)電系統(tǒng)中加裝合適的儲能單元，可以為系統(tǒng)提供一個(gè)能量緩沖結(jié)構(gòu)，從而提高DG的電能質(zhì)量［4-5］。

通常，容量較小的分布式發(fā)電多采用單相逆變結(jié)構(gòu)［6-7］。本文采用雙環(huán)控制策略，設(shè)計(jì)了運(yùn)用于儲能系統(tǒng)的單相雙向DC-AC電壓源逆變器，保證分布式發(fā)電系統(tǒng)在離網(wǎng)狀態(tài)時(shí)輸出電壓電流波形的正弦度和穩(wěn)定度［8-9］。DG則采用電流單環(huán)控制的電流源逆變器，利用鎖相環(huán)節(jié)使DG輸出電壓跟隨電網(wǎng)側(cè)電壓或儲能單元的輸出電壓，通過調(diào)節(jié)輸出電流來控制輸出功率的大?。?0-12］。建立了含有儲能單元的DG并/離網(wǎng)模型，并在MATLAB/Simulink平臺上對電池的充放電過程，以及系統(tǒng)并/離網(wǎng)切換過程進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)含儲能單元的分布式發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)模擬分布式并網(wǎng)系統(tǒng)，儲能單元與DG并聯(lián)通過DC-AC逆變后，接入交流母線并入電網(wǎng)。電網(wǎng)可以看作是容量無限大，大小恒定，頻率不變的交流電壓源［13］。本文將儲能單元逆變器設(shè)計(jì)為電壓源逆變器，當(dāng)分布式發(fā)電系統(tǒng)處于并網(wǎng)狀態(tài)時(shí)，可以通過控制儲能逆變器輸出端的電壓大小來實(shí)現(xiàn)充電、放電功能［14］。當(dāng)系統(tǒng)處于離網(wǎng)狀態(tài)時(shí)，根據(jù)DG輸出功率和負(fù)荷需求的大小，合理控制儲能的充放電以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定正常運(yùn)行。分布式發(fā)電單元則采用電流源控制模式。

圖1 含儲能單元的分布式發(fā)電系統(tǒng)

2 并網(wǎng)電流環(huán)控制逆變器設(shè)計(jì)

DG系統(tǒng)中的變流器按照運(yùn)行模式的不同可分為四種情況［15］:電壓控制源、電流控制源、有源整流以及有源濾波器。電流源控制模式，即通過控制交流側(cè)電流的幅值和相位，將直流形式的電能轉(zhuǎn)化為交流形式的電能［16-17］。電流控制策略可以根據(jù)是否需要檢測逆變器輸出側(cè)的電感電流作為反饋和控制量，分為直接電流控制和間接電流控制方式［18］。

本文采用直接電流單環(huán)控制策略，具有較快的系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)，且容易實(shí)現(xiàn)電路的過流保護(hù)［19］。圖2為系統(tǒng)控制框圖，采用單相鎖相環(huán)技術(shù)［20］使電流給定值iref跟蹤電網(wǎng)相位、頻率，與并網(wǎng)電流瞬時(shí)反饋值iL做差運(yùn)算后經(jīng)PI控制器處理，處理過后的值作為調(diào)制波輸入SPWM控制器中，輸出驅(qū)動信號控制IGBT通斷。

圖2 單電流內(nèi)環(huán)控制框圖

圖3 為單相電流控制逆變器并網(wǎng)仿真結(jié)構(gòu)，使用400 V直流電壓源模擬直流母線側(cè)電壓。逆變器采用單相全橋模式，并選用單級倍頻作為SPWM調(diào)制方式。由于LCL濾波方式較L型濾波器以及LC濾波器在低開關(guān)頻率和小電感的情況下對諧波的濾除效果更佳［21］，故本設(shè)計(jì)采用了LCL型濾波器。電網(wǎng)側(cè)選擇峰值為310 V的交流電壓源作為電網(wǎng)電壓。選擇不同大小的參考電流值，以及功率因素角來觀察系統(tǒng)各參數(shù)的變化情況。

仿真時(shí)間選擇0.3 s，將仿真過程分為三個(gè)不同階段，每隔0.1 s系統(tǒng)參數(shù)將會發(fā)生變化，以此可以觀察到系統(tǒng)的動態(tài)性能。

圖3 單相電流環(huán)控制逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)仿真

圖4 電網(wǎng)電壓及逆變器電感輸出電流、電壓

圖4 所示波形可以看出，逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓基本重合，THD 為0.01%。整個(gè)過程可分為三個(gè)階段:0 s～0.1 s第一階段內(nèi)系統(tǒng)電流參考值為40 A，功率因數(shù)為1，仿真顯示輸出電流能夠準(zhǔn)確、及時(shí)的跟隨參考值;0.1 s～0.2 s時(shí)，系統(tǒng)參考電流由原來的40 A增長為60 A，功率因數(shù)仍為1，由此可以看出本設(shè)計(jì)能夠使輸出電流的大小快速、準(zhǔn)確的跟隨參考值電流大小的變化而變化;0.2 s～0.3 s時(shí)參考值電流大小未變，功率因數(shù)角設(shè)為10度，由波形可以看出，輸出電流值大小與0.2 s前一致，相位滯后電網(wǎng)電壓10度，由此可以看出，系統(tǒng)可以很好的跟隨參考值給定的相位信息。檢測輸出電流的THD為1.6%，滿足并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

圖5為各個(gè)時(shí)間段內(nèi)逆變器注入電網(wǎng)的有功功率和無功功率的輸出情況。容易看出，系統(tǒng)輸出有功的大小和輸入電流成正比;同時(shí)，系統(tǒng)可以通過控制功率因數(shù)角的大小來實(shí)現(xiàn)向系統(tǒng)注入或是吸收無功。

圖5 逆變器輸出的有功功率和無功功率

3 并/離網(wǎng)電壓電流雙環(huán)控制儲能逆變器設(shè)計(jì)

圖6為系統(tǒng)控制框圖。本文設(shè)計(jì)的電壓源控制逆變器主要應(yīng)用于儲能單元，既要求能夠并網(wǎng)運(yùn)行，由可以在離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)為分布式發(fā)電系統(tǒng)提供電壓支撐，且維持重要負(fù)荷的不間斷供電，即雙模式運(yùn)行。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)儲能單元的充放電功能，要求逆變器具有控制能量雙向流動的能力，即雙向運(yùn)行［16］。本文設(shè)計(jì)的單相電壓源控制逆變器采用雙閉環(huán)控制策略，內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán)，外環(huán)為電壓控 制 環(huán)［22-23］。本設(shè)計(jì)采用單相鎖相環(huán)技術(shù)使參考電壓值跟隨電網(wǎng)電壓參數(shù)(在離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)則跟隨指定電壓參數(shù))，之后與逆變器輸出端電容兩端的電壓值比較，再經(jīng)過PI控制器處理后與逆變器輸出端電感電流比較，將結(jié)果輸入PI控制器處理后作為SPWM的載波，生成IGBT的驅(qū)動電壓信號。

圖6 電壓電流雙環(huán)控制逆變器框圖

圖7 所示為并網(wǎng)單相電壓源控制型儲能逆變器仿真結(jié)構(gòu)圖。本文對比多種儲能方式后發(fā)現(xiàn)，鉛酸蓄電池價(jià)格低廉、技術(shù)成熟、易于大規(guī)模生產(chǎn)，且循環(huán)壽命較長，可以在浮充和深循環(huán)應(yīng)用下工作［24］。故本設(shè)計(jì)選用鉛酸蓄電池作為儲能單元，該模塊可用MATLAB/Simulink中的電池模塊來實(shí)現(xiàn)。為了便于觀察充放電過程，設(shè)計(jì)中將電池容量為6 Ah，且荷電狀態(tài) SOC(State of Charge)的初始值設(shè)置為80%。逆變器采用單相全橋結(jié)構(gòu)，采用單極倍頻SPWM調(diào)制方式。逆變器出口端選用LCL濾波單元。電網(wǎng)側(cè)采用峰值為310 V的交流電壓源。仿真時(shí)間設(shè)為0.3 s，同樣將仿真過程分為三個(gè)階段，設(shè)置逆變器輸出參考電壓分別為350 V、310 V、280 V。

圖8為0 s～0.3 s內(nèi)逆變器輸出電流、電壓和電網(wǎng)電壓波形的疊加。根據(jù)輸出側(cè)電感電流和電網(wǎng)電壓的關(guān)系，可以得出一下結(jié)論:當(dāng)給定輸出電壓參考值大于網(wǎng)側(cè)電壓時(shí)，電感電流和電網(wǎng)電壓同相位，由圖 9可以判斷，此時(shí)蓄電池向電網(wǎng)側(cè)輸出有功功率，蓄電池放電，電池側(cè)檢測到放電電流如圖 10所示。當(dāng)電壓參考值等于電網(wǎng)電壓時(shí)，對照上述3圖不難發(fā)現(xiàn)，逆變器與電網(wǎng)之間僅有很小的電流以及功率，電池基本無充放電電流;當(dāng)電壓參考值小于電網(wǎng)側(cè)電壓時(shí)，此時(shí)逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓反向，逆變器從電網(wǎng)側(cè)吸收有功功率，電池開始充電，并檢測到充電電流。0 s～0.1 s及 0.2 s～0.3 s時(shí)輸出電流的THD分別為1.77%和2.56%，負(fù)荷并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 單相電壓源控制型儲能逆變器仿真結(jié)構(gòu)

圖8 電網(wǎng)電壓及逆變器電感輸出電流

圖9 逆變器輸出有功功率

圖10 電池充放電電流

圖11為并、離網(wǎng)切換時(shí)逆變器輸出端電壓和電流的波形。仿真時(shí)間為0.3 s，系統(tǒng)初始為并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，電壓峰值為310 V，帶有3 kW的重要負(fù)載。0.1 s時(shí)斷開電網(wǎng)側(cè)交流電壓源，重要負(fù)載由蓄電池供電，觀察逆變器輸出電壓、電流波形，基本可以滿足負(fù)載需求，0.2 s時(shí)重新并網(wǎng)。該過程驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的儲能單元逆變器具有雙模式(并/離網(wǎng))運(yùn)行的能力，并且可以實(shí)現(xiàn)并/離網(wǎng)的平滑過渡。

通過上文的仿真數(shù)據(jù)可知，本文設(shè)計(jì)的電壓源控制逆變器可以很好應(yīng)用在儲能單元中，實(shí)現(xiàn)雙向、雙模的運(yùn)行功能。

圖11 并、離網(wǎng)切換時(shí)逆變器輸出端電壓和電流的波形

4 電流環(huán)控制逆變器與電壓電流雙環(huán)控制逆變器并聯(lián)仿真

上文通過仿真闡述了電流環(huán)控制逆變器并網(wǎng)運(yùn)行和電壓型逆變器并、離網(wǎng)運(yùn)行的特性。由于理想電網(wǎng)功率無限大，電壓幅值、頻率恒定，二者共同并聯(lián)運(yùn)行在并網(wǎng)狀態(tài)時(shí)，兩者之間并沒有明顯的影響，運(yùn)行結(jié)果與上文分別敘述的結(jié)果基本相同。故本文主要對二者并聯(lián)運(yùn)行在離網(wǎng)的情況進(jìn)行研究。DG模塊采用上文設(shè)計(jì)的電流源控制逆變器，儲能單元則采用上文提到的電壓源控制逆變器，二者通過交流母線并聯(lián)，運(yùn)行在離網(wǎng)狀態(tài)下，共同為負(fù)荷供電。

圖12 離網(wǎng)系統(tǒng)公共點(diǎn)處電感電流波形和電壓波形

圖13 并聯(lián)逆變器輸出有功功率

仿真中DG模塊和儲能模塊中結(jié)構(gòu)和參數(shù)與上文所述相同，負(fù)荷選擇10 kW純有功負(fù)載。儲能單元輸出電壓為恒定值，即峰值為310 V的交流電壓，電流型逆變器參考電流可變。仿真時(shí)間設(shè)為 0.15 s，將仿真均分為三個(gè)階段，仿真結(jié)果如下:

圖12所示為離網(wǎng)系統(tǒng)公共點(diǎn)處電感電流波形和電壓波形。由上圖不難看出，系統(tǒng)能夠很好的跟隨參考電流值得變化，且電壓穩(wěn)定。圖13中的兩條曲線分別為電流源控制逆變器和儲能逆變器的輸出有功功率，第一個(gè)階段即參考電流為80 A時(shí)，電流源輸出功率為正，且高出了負(fù)荷需求的功率，此時(shí)儲能逆變器吸收多余的能量，故輸出有功為負(fù)值;第二階段參考電流降至63 A，電流源逆變器輸出功率剛好滿足負(fù)載，此時(shí)儲能單元輸出功率為0，維持系統(tǒng)電壓保持恒定;第三階段參考電流為40 A，電流源逆變器輸出有功不足，儲能單元開始輸出有功功率，此時(shí)兩者共同為負(fù)載供電，維持系統(tǒng)穩(wěn)定正常運(yùn)行。圖14所示為電池工作狀態(tài)，第一階段時(shí)可以檢測到充電電流，第二階段基本無電流，第三階段檢測到放電電流，可以證明以上的分析是正確的。

圖14 電池充放電電流

5 結(jié)束語

本文對單相電流環(huán)控制逆變器以及電壓電流雙環(huán)控制逆變器的原理進(jìn)行了闡述，設(shè)計(jì)了含有儲能單元的分布式發(fā)電系統(tǒng)的并/離網(wǎng)運(yùn)行方案，并在MATLAB/Simulink仿真平臺上以分階段的方式對系統(tǒng)中可能遇到的情況進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果證明了本設(shè)計(jì)能夠使分布式發(fā)電系統(tǒng)快速準(zhǔn)確的跟隨給定的參考量進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了電流源控制逆變器有功功率和無功功率的控制，以及電壓源控制的儲能逆變器雙向、雙模的運(yùn)行效果。

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