王偉岸

上海電氣集團股份有限公司 輸配電分公司 上海 200042

1 研究背景

儲能技術可以彌補新能源發(fā)電的隨機性與波動性,使大規(guī)模風電及太陽能發(fā)電安全可靠并入電網(wǎng)。同時可以緩解電力系統(tǒng)由于發(fā)電、用電不平衡所引起的巨大峰谷差,實現(xiàn)電力的削峰填谷。儲能技術還可以促進微電網(wǎng)的應用,提高供電可靠性。

儲能變流器是儲能系統(tǒng)中的關鍵設備,是儲能介質和電力系統(tǒng)間的紐帶,同時也是實現(xiàn)多樣化儲能系統(tǒng)應用的執(zhí)行部件?，F(xiàn)階段,全球已實現(xiàn)商用或示范應用的電化學儲能介質主要有鉛酸電池、鉛碳電池、鋰電池、液流電池等。受限于產品特性與制造水平,現(xiàn)有儲能電池對充放電電流的倍率和電流波動有一定要求,過大的電流波動和電流峰值不僅會縮短電池的使用壽命,而且會危及整個儲能系統(tǒng)的安全。當電網(wǎng)負載不對稱或發(fā)生不對稱故障時,會出現(xiàn)三相不平衡電壓,從而會使儲能變流器直流側電池功率、交流側電網(wǎng)功率出現(xiàn)二倍頻波動。由于直流電池電壓在短時間內基本恒定,因此二倍頻功率波動在電池側表現(xiàn)為充放電電流的波動。該波動電流可能使功率超出電池允許的最大瞬時輸出功率,將導致所需儲能電池的容量增加或電池的使用成本提高。

為改善電壓不對稱情況下的直流功率波動,可以在儲能變流器的直流側增加儲能電容,在直流母線上串接平波電抗器[1-2],或者采用兩級式儲能變流器結構,在直流母線與儲能電池之間增加一級直流變換器,但以上做法不僅會降低整個系統(tǒng)的效率,而且會大大增加系統(tǒng)成本。

筆者分析了三相電壓不平衡時儲能變流器出現(xiàn)二倍頻功率波動的原因,建立了儲能變流器電壓電流雙閉環(huán)正負序控制數(shù)學模型,在研究傳統(tǒng)并網(wǎng)變流器控制策略的基礎上[3-4],通過改變儲能變流器的電流內環(huán)給定值,來抑制直流電池的功率及電流波動,并通過仿真結果證明了所提方法的有效性。

2 儲能變流器數(shù)學模型

中點鉗位型三電平變換器是目前應用廣泛的儲能變流器,具有如下優(yōu)點:① 每個功率管承受的電壓是直流母線總電壓的1/2,允許提高開關管的工作頻率,并且損耗低;② 相同的開關頻率下,輸出波形為三電平疊加,從而使輸出波形的諧波含量低;③ 電容中點的引出可以為系統(tǒng)提供中線輸出能力,方便用于三相四線制電力系統(tǒng)。中點鉗位型三電平變換器結構如圖1所示。

圖1 中點鉗位型三電平變換器結構

選取輸入變量為三相輸入電壓eag、ebg、ecg,狀態(tài)變量為交流側三相電流iag、ibg、icg,忽略三相交流濾波電容電流,并忽略直流側上下電容電壓波動,根據(jù)基爾霍夫電壓定律方程和基爾霍夫電流定律,建立儲能變流器的數(shù)學模型[5-10]:

(1)

式中:S1a、S1b、S1c、S2a、S2b、S2c為三相開關函數(shù);Lf、Rf分別為交流濾波電感的電抗和電阻;uno為儲能變流器直流電容中點與電網(wǎng)電壓中性點間的電壓,當采用三相四線制時,uno為0;t為時間。

在三相靜止坐標系下,三相電壓、電流都是交流量,是時刻變化的,不利于設計控制系統(tǒng),而同步旋轉坐標系下的變量都是直流量,是保持不變的,便于設計采用比例積分控制原理的控制系統(tǒng)。通過坐標變換,將原儲能變流器數(shù)字模型變換為同步旋轉坐標系下數(shù)學模型:

(2)

式中:ud、uq分別為儲能變流器輸出電壓的d軸、q軸分量;idg、iqg分別為d軸、q軸下的輸出電流;ω為電網(wǎng)電壓角頻率。

當電網(wǎng)電壓三相不平衡時,如要分序控制儲能變流器,則式(2)數(shù)學模型需要變換到正序、負序復矢量下,此時復矢量數(shù)字模型為:

(3)

3 不平衡分量提取

以三相電流為例說明不平衡分量的提取方法。在三相三線制系統(tǒng)中,假設交流電流中僅含有基波的正序、負序分量,則在靜止坐標系下,三相電流可表示為:

(4)

式中:ω為電流的旋轉角頻率;Ip、In分別為電流正序、負序分量的幅值;φp、φn分別為負載電流正序、負序分量對應的初相位。

將三相電流從三相靜止坐標系變換到兩相靜止坐標系,應用坐標變換:

(5)

將式(4)代入式(5),可以在兩相靜止坐標系下將電流的α軸、β軸瞬時值分量用正序、負序分量表示:

(6)

式中:ipα、ipβ、inα、inβ為負載電流正序、負序分量對應在兩相靜止坐標系α軸、β軸上的分量。

對式(6)中的ωt作微分運算,可得:

(7)

兩相靜止坐標系下電流瞬時值的微分值可以通過離散數(shù)字量計算來得到:

(8)

式中:Δt為計算步長,可采用數(shù)字信號處理算法中的中斷時間;iα(t)、iα(t-Δt)、iβ(t)、iβ(t-Δt)為兩相靜止坐標系下本次采樣時刻和上一次采樣時刻的電流瞬時值。

聯(lián)立式(6)、式(7),可得:

(9)

通過適當?shù)木€性運算,得到兩相靜止坐標系下的電流正序、負序分量,再經過一級旋轉坐標變換,即可變換至相應的同步旋轉坐標系下。

4 儲能變流器直流控制策略

三相不對稱下,儲能變流器的輸出復功率S為:

(10)

分解有功功率p和無功功率q:

(11)

整理式(10)與式(11),可以得到各功率分量幅值的表達式:

(12)

(13)

可以看出,除了恒定的直流功率p0外,還存在功率波動p1、p2。波動幅值的大小與三相電壓不平衡度有關,三相電壓越不平衡,直流功率波動量也就越大。在電網(wǎng)電壓惡劣的情況下,傳統(tǒng)的并網(wǎng)變流器控制方法無法滿足電池的恒電流或恒功率精度要求。

選取式(12)中的前四個方程作為約束條件,并簡化為:

(14)

如儲能變流器的目標為控制直流電流或直流功率恒定,則令p1=p2=0,解得:

(15)

此時在儲能變流器的控制中,采用正序、負序分離的方法,可以分別控制整流器發(fā)出給定的正序、負序電流。系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。

5 仿真分析

為了驗證正負序提取方法的有效性,應用MATLAB/Simulink仿真軟件進行仿真研究。

仿真時,交流電網(wǎng)額定電壓為380 V,儲能變流器三相交流濾波電感為0.6 mH,三相交流濾波電容為40μF,儲能變流器采用三電平結構,直流側上下支撐電容分別為20 mF,正負直流母線直接連接至儲能電池,電池電壓工作范圍為650～800 V,開關頻率為10 kHz,采用三相正弦脈沖寬度調制方法。

仿真過程中,0 s開始三相電網(wǎng)電壓平衡,在0.05 s時啟動儲能變流器,設定儲能系統(tǒng)輸出有功功率100 kW,從0.1 s開始電網(wǎng)電壓出現(xiàn)三相不平衡,其中A相電壓升高20%,B相、C相電壓保持不變。

仿真結果如圖3所示。由于三相電壓不平衡的影響,利用傳統(tǒng)方法控制儲能變流器后,直流電池電流將出現(xiàn)電流的二倍頻波動,電流波動峰峰值約為70 A。采用直流電流控制策略后,在同樣的電網(wǎng)不平衡條件下,直流電池電流峰峰值可以控制在20 A以內。

為了驗證方法的有效性,再對B相、C相電壓升高、A相電壓降低的不平衡工況進行仿真,仿真結果如圖4所示。同樣可以看出,采用直流電流控制策略后,直流電池電流的波動大幅降低,有利于儲能電池的安全長壽命運行。

圖3 單相電壓升高時仿真結果`

圖4 兩相電壓升高時仿真結果

6 結束語

通過建立儲能變流器正負序控制數(shù)學模型,分析三相電壓不平衡下產生直流電流波動的原因,并從抑制直流電流波動角度應用儲能變流器直流電流控制策略,進而大大抑制儲能電池電流和功率波動。雖然這一方法并不能完全將直流電流波動消除,但是這一方法簡便且容易實現(xiàn),可以滿足實際工程上的需要。通過仿真驗證了這一方法的有效性。