陳輝，王德順，殷正剛，吳敏秀，師長立，汪建威

(1．國網江蘇省電力公司，南京市210024;2．中國電力科學研究院，南京市210003; 3．中國科學院電工研究所，北京市100190;4．國網揚州供電公司，江蘇省揚州市211400; 5．中國電能成套設備有限公司，北京市100080)

級聯(lián)H橋中壓儲能系統(tǒng)離網控制策略

陳輝1，王德順2，殷正剛3，吳敏秀4，師長立3，汪建威5

(1．國網江蘇省電力公司，南京市210024;2．中國電力科學研究院，南京市210003; 3．中國科學院電工研究所，北京市100190;4．國網揚州供電公司，江蘇省揚州市211400; 5．中國電能成套設備有限公司，北京市100080)

在高壓大功率儲能應用場景中采用中壓儲能系統(tǒng)相對低壓儲能系統(tǒng)具有更高的效率。目前基于級聯(lián)H橋的中壓儲能系統(tǒng)研究較多，但已有研究多集中于并網運行，離網控制研究較少。該文對基于級聯(lián)H橋的模塊化多電平中壓儲能系統(tǒng)的離網運行控制進行了闡述。建立了級聯(lián)H橋中壓儲能系統(tǒng)的離網模型，提出了包含交流電壓外環(huán)和電流內環(huán)的中壓儲能系統(tǒng)離網電壓控制策略，并針對離網運行時單相負載較多，三相電壓容易不平衡的問題，提出了三相電壓不平衡補償控制方法。搭建了MATLAB/RT_LAB實時仿真系統(tǒng)，對上述控制進行了仿真驗證。結果表明，三相負載平衡時，負載端電壓保持恒定，電流內環(huán)跟蹤精確;三相負載不平衡時，經電壓不平衡補償后，負載端的三相電壓仍然能保持平衡，負載三相電流則隨三相負載的大小而不同，仿真證明了該文提出的級聯(lián)H橋中壓儲能系統(tǒng)離網控制策略的有效性。

中壓儲能系統(tǒng);離網控制;級聯(lián)H橋變流器

0 引言

近年來，隨著我國國民經濟的發(fā)展，石油和煤炭等化石能源的消耗增加，隨之帶來了較為嚴重的霧霾、二氧化碳排放等環(huán)境問題。為此需要提高風電、太陽能等清潔能源在能源消耗中的比重，以便實現(xiàn)我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。

多數(shù)可再生能源具有較強的波動性和間歇性，其發(fā)電并網給現(xiàn)有電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來了較大挑戰(zhàn)。電池儲能技術是平抑可再生能源發(fā)電波動的有效手段［1-3］。此外儲能系統(tǒng)在應急供電、削峰填谷、電網調頻等方面也可以發(fā)揮重要作用。因此電池儲能技術是構建現(xiàn)代智能電網的一項關鍵技術。

目前研究較多和應用較廣的電池儲能系統(tǒng)大多數(shù)為低壓兩電平拓撲，將其接入中高壓電網一般需要加裝升壓變壓器，變壓器的存在不僅降低了系統(tǒng)效率，還增大了裝置體積，降低了系統(tǒng)可靠性［4］。采用模塊化多電平拓撲結構能夠實現(xiàn)無需變壓器的中高壓輸出，克服了低壓儲能變流器的上述不足，更適用于中壓大功率儲能應用場景［5］。

中壓儲能變流器主要有兩電平結構、三電平結構、單元級聯(lián)結構等?；谀壳半娏﹄娮娱_關器件的性能，采用兩電平或三電平拓撲輸出中壓電源需要將器件串聯(lián)使用，控制復雜，可靠性較低，器件損耗較大［6-7］，研究較多的中壓儲能變流器多采用級聯(lián)H橋結構［8-11］。

已有的基于級聯(lián)H橋電池儲能系統(tǒng)的研究多針對并網運行模式。日本東京理工大學的赤木泰文等對級聯(lián)H橋電池儲能系統(tǒng)并網運行控制進行了較系統(tǒng)的研究，給出了輸出功率的控制策略，提出了使用零序電壓進行各級聯(lián)單元電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)平衡控制的方法，還采用N+1單元冗余提高系統(tǒng)可靠性［12-13］。上海交通大學蔡旭等分別對接入輸電網和配電網的級聯(lián)H橋電池儲能系統(tǒng)在電網電壓不平衡時的并網控制進行了研究，提出了添加零序電壓的三相功率不平衡補償方法［14］，但該方法如何在實際控制系統(tǒng)中實現(xiàn)尚需進一步探討。

目前級聯(lián)H橋中壓儲能變流器的離網運行控制尚未有研究成果發(fā)表，但是中壓儲能系統(tǒng)在為孤島型微電網建立并維持電壓，作為中壓應急電源為重要負荷供電，以及電網故障后實施黑啟動等應用場合，卻需要具備離網運行能力，為此本文針對級聯(lián)H橋中壓電池儲能系統(tǒng)離網運行時的電壓控制策略及帶不平衡負載時的電壓均衡控制方法進行研究。

1 原理與設計

1.1級聯(lián)H橋中壓儲能拓撲

圖1為本文研究的級聯(lián)H橋中壓電池儲能系統(tǒng)。分布式的電池組并聯(lián)在每個H橋單元直流側。H橋級聯(lián)儲能變流器通過電感L連接到電網或負載的PCC點。采用高壓級聯(lián)H橋拓撲具有以下所述的優(yōu)點［15-17］。

(1)采用常規(guī)的低壓IGBT器件，技術成熟，可靠性高，各個功率單元和驅動電路結構完全相同，相對獨立，易于工程上使用。

圖1 級聯(lián)H橋中壓儲能系統(tǒng)Fig.1 H-bridgecascadedmediumvoltageESS

(2)級聯(lián)H橋型拓撲輸出電壓隨著級數(shù)的增加更加接近于正弦波。

(3)由于功率單元結構相同，模塊化程度高，當某單元出現(xiàn)故障時，可將其旁路掉，其余單元正常運行，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

單個H橋單元結構如下圖2所示。其直流側電壓為U，通過4個帶反并聯(lián)二極管的IGBT(U1～U4)輸出交流電壓uab。通過控制橋臂上開關管的導通與關斷，可以控制輸出交流電壓的大小和頻率。

圖2 H橋單元結構圖Fig.2 StructureofH-bridgeunit

級聯(lián)H橋多電平變換器結構中，各個H橋具有相同的電路結構，每個H橋單元都是由4個開關管和1個直流電源組成。通過控制開關管的導通和關斷，每個H橋可以輸出幅值和頻率相同的交流電壓，疊加后即可獲得高電平的輸出電壓，達到獲得高壓大容量的目的。對于具有N個H橋單元級聯(lián)的變換器，可以輸出(2N+1)個電平的電壓。采用多個H橋級聯(lián)的方式，不僅可輸出較高的電壓，也可以提高等效開關頻率減小輸出諧波，多個單元的開關控制可采用載波移相正弦波脈寬調制(carrier phase-shifted SPWM，CPS-SPWM)策略。

1.2離網控制系統(tǒng)

1.2.1 級聯(lián)H橋中壓儲能系統(tǒng)離網模型

級聯(lián)H橋中壓儲能系統(tǒng)如圖3所示，由儲能變流器、濾波電感以及負載組成。圖中，以負載中性點N為參考電位，ua、ub、uc為級聯(lián)H橋變流器輸出電壓，L為濾波電感，其等效內阻為r。va、vb、vc為負載端電壓，ia、ib、ic為負載電流。由于線路的等效阻抗很小，可忽略。

圖3 級聯(lián)H橋儲能系統(tǒng)離網運行結構圖Fig.3 StructureforH-bridgecascadedESSin off-gridoperation

根據(jù)圖3，級聯(lián)H橋儲能系統(tǒng)離網運行時域數(shù)學模型可以表示為

并將式(1)變換到dq旋轉坐標系下，得:

對應的儲能變流器離網運行系統(tǒng)模型如圖4所示。

上述公式中，van、vbn、vcn為負載各相電壓，uan、ubn、ucn為級聯(lián)H橋相對于負載中性點N的單相總電壓。為產生所需相電壓，不同變換器拓撲需要采用不同的調制策略。

傳統(tǒng)的三相兩電平逆變器可以由載波調制或空間矢量調制實現(xiàn)，而級聯(lián)H橋拓撲則可以采用載波移相調制策略，調制過程如下:同相的級聯(lián)H橋之間正弦參考波相同，三角載波相位依次相差180°/N，N為每相單元數(shù);不同相之間的正弦調制波相位互差120°，三角載波相同。以圖5所示2級級聯(lián)H橋五電平逆變器為例，應用CPS-SPWM調制方法時需要4列載波，相位依次相差90°。取四列相位互差90°的三角波C1，C2，C3，C4分別與正弦調制波M相比較得到各H橋單元的開關信號。

圖4 離網運行系統(tǒng)模型Fig.4 Off-gridoperationmodel

圖5 兩級級聯(lián)H橋載波移相調制Fig.5 Phase-shiftPWMfortwoH-bridge cascadedconverter

1.2.2 級聯(lián)H橋中壓儲能系統(tǒng)離網電壓控制

離網或孤島模式運行時，儲能變流器主要起電源支撐作用，以維持負荷電壓和頻率的穩(wěn)定，為重要負荷提供持續(xù)可靠的電力供應。

為了保證變流器輸出電壓和頻率恒定，采用電壓外環(huán)與電流內環(huán)相結合控制策略。電壓外環(huán)可以保證輸出交流電壓的穩(wěn)定，電流內環(huán)可以加快系統(tǒng)的動態(tài)響應，對系統(tǒng)進行精細調節(jié)，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。另一方面，由于dq坐標系下的電壓和電流均為直流量，因此可以選用PI調節(jié)器對旋轉坐標系下的電壓和電流實現(xiàn)無靜差控制。三相儲能變流器離網運行電壓外環(huán)電流內環(huán)控制框圖如圖6所示。

圖6 級聯(lián)H橋儲能系統(tǒng)離網電壓控制Fig.6 Off-gridvoltagecontrolofH-bridgecascadedESS

1.2.3 電壓不平衡補償

級聯(lián)H橋儲能系統(tǒng)離網運行時常作為微電網的組網電源，當微網含有較大比重的單相負載或發(fā)生不對稱故障時，三相電壓出現(xiàn)不平衡，此時需要級聯(lián)H橋儲能系統(tǒng)進行三相電壓不平衡的主動控制［18-20］。本節(jié)采用對稱分量法，在三相負載不平衡時對級聯(lián)H橋儲能系統(tǒng)輸出線電壓進行平衡控制。

將三相電壓分解為正負序分量:

式中:Up、Un代表正負序電壓幅值;φpv、φnv為正負序電壓的初始相位角。

分別采用正序和負序同步旋轉坐標系對電壓電流進行坐標變換。參考坐標系如圖7所示，正序dq坐標軸以逆時針方向旋轉，負序dq坐標軸以順時針方向旋轉，θ=ωt是與變流器輸出的A相電壓同步的相位角。

圖7 正序旋轉坐標系Fig.7 Positiveandnegativerotatingcoordinates

正反向旋轉坐標系下的dq電壓分量為

定義直流分量:

則式(4)可表達為

由式(5)與式(6)可見，正(反)向旋轉坐標系下的dq分量中的直流分量對應正(負)序電壓幅值，二倍頻分量對應負(正)序電壓幅值。因此將正(反)向旋轉坐標系下的dq分量進行低通濾波，就可得到正(負)序電壓幅值。為了加強低通濾波的平滑效果，可以使用正負序dq分量解耦的方法，如圖8所示。解耦關系如式(6)所示，基于提取的正負序dq分量進行2倍頻分量計算，然后將其在正反向旋轉坐標變換結果中直接刨除，最后進行低通濾波。上述電壓正負序提取方法也適用于電流分量的提取。

圖8 電壓正負序分量提取Fig.8 Extractionofpositiveandnegative voltagecomponents

正負序分量提取完成后，進行正負序電壓分量的閉環(huán)控制。在級聯(lián)H橋儲能系統(tǒng)離網運行時，基于正負序分量電壓方程為:

由式(7)和式(8)可以看出，當級聯(lián)H橋儲能系統(tǒng)離網運行帶不平衡負載時，可以將正序分量和負序分量單獨進行控制，控制的目標為負序電壓為0，正序電壓為額定電壓，相應的控制系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 針對三相不平衡負載的離網控制系統(tǒng)Fig.9 Controlsystemforoff-gridoperationwith unsymmetricalthree-phaseload

1.2.4 級聯(lián)單元電池均衡控制

由于不同級聯(lián)單元所含電池的不均一性以及三相不平衡等工況的影響，各級聯(lián)單元的電池SOC易出現(xiàn)不均衡，為充分發(fā)揮所有級聯(lián)單元內電池的充放電容量，需要進行電池SOC均衡控制。

針對三相 H橋級聯(lián)儲能拓撲，級聯(lián)單元電池SOC的均衡控制可以分解為三相間的SOC均衡控制以及同一相內不同單元間的SOC均衡控制。相間均衡控制可通過注入零序電壓的方法來實現(xiàn)，所加參考零序電壓u為

式中:K為比例控制系數(shù);ΔεSOC_i為 i相儲能電池SOC平均值εSOC_i與三相儲能電池SOC平均值εSOC的差值;θi為i相電流的相角;φ為三相SOC偏差合成失量的空間角度。

相內單元間的電池SOC均衡控制通過在各儲能單元的調制信號上疊加一個與相內SOC偏差成正比的偏移量Uij來實現(xiàn):

式中:ΔεSOC_ij為i相內第j個儲能單元電池SOC值εSOC_ij與i相儲能電池SOC平均值εSOC_i的差值;K'為比例控制系數(shù)。

2 系統(tǒng)仿真與分析

對級聯(lián)H橋中壓儲能系統(tǒng)的離網控制系統(tǒng)進行仿真驗證。仿真環(huán)境采用基于RT-LAB的實時仿真平臺，核心控制算法通過基于MATLAB/Simulink編寫的函數(shù)S-Function實現(xiàn)。

首先進行級聯(lián)H橋中壓儲能系統(tǒng)離網運行連接三相對稱電阻負載的仿真。交流輸出電壓設定為10 kV，三相負載電阻為150Ω，其他仿真參數(shù)如表1所示。

表1 三相平衡有功負載仿真參數(shù)Table1 Simulationparametersofthree-phase balancedactiveload

圖10為負載端電壓和電流波形，由圖10可以看出，三相負載電壓和電流幅值相同，相位互差120°，具有良好的對稱度。相電壓和電流有效值分別為5 774 V和38.5 A，每相功率約為222 kW，與理論計算一致。圖11為旋轉坐標系下電流的d軸分量及q軸分量實際值與指令值的動態(tài)變化圖。由圖11可以看出，電流環(huán)具有良好的跟蹤特性，說明系統(tǒng)具有較好的跟蹤能力。圖12為每相的級聯(lián)H橋電壓，由圖12可以看出，電壓三相對稱，幅值相等，相位互差120°。

進行級聯(lián)H橋中壓儲能系統(tǒng)離網運行帶不平衡負載的仿真測試。ABC三相負載電阻分別設定為100，150，200Ω，三相負載采用星形接法。正負序電壓電流閉環(huán)如表2所示，且用于提取正負序分量的低通濾波器的截止頻率設置為20 Hz，其他系統(tǒng)仿真參數(shù)見表2。

圖10 三相負載平衡時的負載電壓及電流Fig.10 Loadvoltageandcurrentwhenthree-phase loadsymmetrical

圖11 旋轉坐標系下的電流控制Fig.11 Currentcontrolunderrotatingcoordinate

圖12 每相級聯(lián)H橋電壓Fig.12 PhasevoltageforH-bridgecascadedconverter

表2 三相不平衡純電阻負載仿真參數(shù)Table2 Simulationparametersofthree-phase unbalancedactiveload

負載電壓、電流波形如圖13所示。由圖13可以看出，A/B/C三相負載端電壓有效值分別為4 679 V/ 6 105 V/6 706 V，A/B/C三相電流有效值為46.8 A/ 40.7A/33.5 A。由此可得A/B/C三相負載的功率分別為220 kW/250 kW/225 kW。由圖13還可以看出，當負載不平衡時，負載阻值越大，其端電壓幅值越大，流過負載的電流越小。同時，三相電壓和電流相位差仍為120%，且電壓之和以及電流之和為0。圖14為級聯(lián)H橋儲能變流器輸出端的線電壓波形，可以看出，三相負載不平衡時線電壓幅值仍然相等，且電壓相位互差120%，達到了線電壓平衡的控制目標。

圖13 三相負載不平衡時的負載電壓及電流Fig.13 Loadvoltageandcurrentwhenthree-phase loadunsymmetrical

圖14 級聯(lián)H橋儲能系統(tǒng)公共連接點線電壓Fig.14 PCCline-voltageforH-bridgecascadedESS

圖15(a)和圖15(b)分別為有、無電池SOC均衡控制時級聯(lián)H橋輸出相電壓波形，圖16(a)和圖16(b)為有/無SOC相間均衡控制時各相電池εSOC變化曲線。由圖15及圖16可以看出，當不進行SOC均衡控制時，級聯(lián)H橋各相電壓相等，但負載較重的相SOC下降速率較大，導致了電池SOC偏差逐漸增大。當進行SOC均衡控制后，級聯(lián)H橋各相電壓不等，放電電流較大相的輸出電壓較低，三相SOC變化基本相同，電池 SOC均衡控制起到了較好的控制效果。

圖15 電池均衡控制對級聯(lián)H橋儲能變流器相電壓的影響Fig.15 EffectofbatterySOCbalancecontrolonphase voltageofH-bridgecascadedconverter

圖16 三相電池SOC變化曲線Fig.16 SOCchangingcurveofthree-phasebattery

3 結論

本文研究了級聯(lián)H橋中壓儲能變流器的離網控制策略。為了保證變流器輸出電壓和頻率恒定，采用了交流電壓外環(huán)與電流內環(huán)相結合的控制策略。針對離網運行存在三相不平衡負載問題，為了保證輸出電壓平衡，采用對稱分量分解法及正負序電壓電流的閉環(huán)控制進行正序電壓的恒定控制和負序電壓的補償控制。對上述控制策略進行了仿真，仿真結果表明，所提出的級聯(lián)H橋儲能系統(tǒng)離網控制策略可以保持輸出端電壓達到設定值，并且當三相負載不平衡時仍然可以保持儲能變流器輸出并網點電壓的三相平衡和電池SOC的平衡，證明了級聯(lián)H橋中壓儲能系統(tǒng)離網運行的控制能力。

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(編輯 張媛媛)

Off-Grid Control Strategies for H-Bridge Cascaded Medium Voltage Energy Storage System

CHEN Hui1，WANG Deshun2，YIN Zhenggang3，WU Minxiu4，SHI Changli3，WANG Jianwei5

(1．State Grid Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 210024，China;2．China Electric Power Research Institute，Nanjing 210003，China;3．Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China; 4．State Grid Yangzhou Power Supply Company，Yangzhou 211400，Jiangsu Province，China; 5．China Electric Power Complete Equipment Company，Beijing 100080，China)

In the high-voltage high-power energy storage applications，using the medium voltage energy storage system (ESS)can get higher efficiency than using the low voltage ESS．At present，there are some researches on the H-bridge cascaded medium voltage ESS，but most of them are about on-grid control，the off-grid control research is lack．This paper introduces the off-grid control of H-bridge cascaded modular multilevel medium voltage ESS，establishes the off-grid model of H-bridge cascaded medium voltage ESS，proposes the off-grid voltage control strategy for medium voltage ESS with containing both AC voltage outer loop and current inner loop，and presents the compensation controlmethod according to the three-phase voltage unbalance caused by the one-phase load during off-grid operation．Then，we build a real-time simulation system in MATLAB/RT_LAB to verify the above control methods．The results show that，when the three-phase load is symmetrical the load terminal voltage is constant and the current in the inner control loop can follow it reference exactly; when the three-phase load is unbalanced，the load terminal three-phase voltage can still be kept symmetrical after the voltage compensation，and the three-phase load current is different depending on the value of the each phase load．The simulation results show the effectiveness of the proposed off-grid control method for the H-bridge cascaded medium voltage ESS．

medium voltage energy storage system;off-grid control;H-bridge cascaded converter

TM 92

A

1000－7229(2017)03－0069－08

10.3969/j．issn.1000－7229.2017.03.010

2016-11-23

陳輝(1976)，男，高級工程師，本文通信作者，主要研究方向為配電運檢、配電自動化;

王德順(1982)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為分布式發(fā)電與微電網集成技術;

殷正剛(1982)，男，博士，助理研究員，主要研究方向為大功率電力電子與電能變換技術;

吳敏秀(1970)，女，學士，高級工程師，主要研究方向為配電網運行與檢修技術;

師長立(1984)，男，碩士，工程師，主要研究方向為儲能與電網應用技術、分布式新能源發(fā)電技術等;

汪建威(1988)，男，碩士，工程師，主要研究方向為大功率電池儲能關鍵技術。

國網江蘇省電力公司科技項目(J2016071)