高 帥 黃日帆 王 鵬 范麗波

（1.許昌學(xué)院國際教育學(xué)院；2.華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院；3.廣西科技師范學(xué)院機械與電氣工程學(xué)院）

儲能變流器是儲能系統(tǒng)的重要組成部分，對其展開研究具有重要意義。本文主要研究了儲能變流器在并網(wǎng)模式下的控制策略，給出了儲能變流器并網(wǎng)模式下的控制結(jié)構(gòu)框圖，分析了其相應(yīng)的控制策略，設(shè)計了基于PI調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)，搭建了儲能變流系統(tǒng)并網(wǎng)模式下的MATLAB/Simulink仿真模型，仿真結(jié)果顯示儲能變流器在并網(wǎng)模式具有良好動態(tài)響應(yīng)性，從而驗證儲能變流系統(tǒng)并網(wǎng)模式下相關(guān)控制策略設(shè)計的正確性和有效性。

進入二十一世紀，運用于電力設(shè)備的電力開關(guān)器件得到快速發(fā)展，電能變流技術(shù)也得到發(fā)展，比如光伏逆變器、整流器、儲能變流器等。功率開關(guān)器件頻率的高頻化使得儲能變流器的結(jié)構(gòu)更加簡潔、體積更小、開發(fā)成本降低。大功率變流器主要的研究方向是應(yīng)用于高頻率、大電流場合的多電平拓撲結(jié)構(gòu)、抑制高頻電磁干擾的軟開關(guān)技術(shù)和高功率的變流器。隨著各種控制技術(shù)的快速發(fā)展，SPWM技術(shù)（正弦脈寬調(diào)制）、SVPWM技術(shù)（空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)）、鎖相技術(shù)等控制技術(shù)在變流器中得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的逆變器或整流器在工作時，都只能單獨的工作于逆變模式或者整流模式，而在儲能系統(tǒng)中要求儲能變流器能運行在并網(wǎng)充放電模式，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的充放電工作，傳統(tǒng)的逆變器或整流器在儲能系統(tǒng)中已不能滿足當前的應(yīng)用要求。

網(wǎng)側(cè)電流控制策略主要有間接電流控制策略和直接電流控制策略兩種，其中,間接電流控制對參數(shù)不敏感且穩(wěn)定性好，其網(wǎng)側(cè)電流的動態(tài)響應(yīng)相對較慢，是常用的電流控制策略方法。相比于間接電流控制，直接電流控制電流響應(yīng)速度快，系統(tǒng)的魯棒性強，但系統(tǒng)對參數(shù)比較敏感，適用性并不高。馮林采用直接功率控制策略，控制系統(tǒng)由交流網(wǎng)側(cè)電流內(nèi)環(huán)、交流網(wǎng)側(cè)功率外環(huán)兩部分組成，其中電流內(nèi)環(huán)快速響應(yīng)功率內(nèi)環(huán)輸出指令值，功率外環(huán)用于穩(wěn)定儲能變流器交流側(cè)功率，實現(xiàn)有功電流和無功電流的跟蹤。該方法具有結(jié)構(gòu)和算法簡單、系統(tǒng)動態(tài)性能好、容易數(shù)字化實現(xiàn)。袁凱等人給出了一種基于外環(huán)電容儲能的功率控制的方法，提出利用根軌跡和代數(shù)分析得到PI控制的相關(guān)參數(shù)。張磊通過恒流控制策略以及穩(wěn)定直流母線電壓控制策略對儲能系統(tǒng)進行控制，完成電能在網(wǎng)側(cè)與儲能電池側(cè)的雙向流動。滯環(huán)電流控制策略將檢測的實際電流信號與給定電流信號值進行比較，并將實際電流值與給定值的偏差控制在一定范圍內(nèi)，該控制方法電流響應(yīng)速度快且系統(tǒng)魯棒性好，但其電流諧波頻譜隨機分布，不利于網(wǎng)側(cè)濾波器的設(shè)計。還有學(xué)者研究利用改進的矢量控制應(yīng)用在AC/DC型變流器，以提高直流利用率和改善諧波特性。

本文主要針對并網(wǎng)模式下儲能變流器的控制策略進行研究，建立了儲能變流器的三種工作模式：恒功率控制模式、恒流充電模式和恒壓充電模式，并針對不同模式設(shè)計了不同的控制策略。另外，通過搭建MATLAB仿真模型，驗證儲能電池恒流充電模式、由輕負載到重負載切換模式、由充電切換放電模以及放電到充電模式，為后續(xù)實驗平臺的搭建提供了相關(guān)理論基礎(chǔ)。

1 儲能變流器運行模式

根據(jù)儲能變流器并網(wǎng)模式工作方式，分別給出了恒功率控制結(jié)構(gòu)框圖、直流恒流控制結(jié)構(gòu)框圖、直流恒壓控制結(jié)構(gòu)框圖，下面進行介紹。

1.1 恒功率控制模式

恒功率控制方式結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，采用功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)進行控制。系統(tǒng)恒功率控制采用基于直接電流控制，通過控制儲能變流器交流側(cè)輸出的電流矢量幅值與相位，控制儲能變流器有功功率和無功功率的輸出。首先檢測電網(wǎng)電壓Ug，通過PLL確定電壓相位θ。檢測獲得交流側(cè)電流iL和交流側(cè)電壓Ua,b,c，經(jīng)過Park變換轉(zhuǎn)換為dq旋轉(zhuǎn)坐標系下的id、iq以及Vd、Vq。經(jīng)過功率控制器解耦，接著計算出儲能系統(tǒng)的指令電流iLdref、iLqref，將功率控制轉(zhuǎn)換為電流控制，之后經(jīng)過SVPWM調(diào)制輸出驅(qū)動脈沖控制驅(qū)動功率模塊開關(guān)管，得到所需的電壓以及網(wǎng)側(cè)電流。

圖1 恒功率控制結(jié)構(gòu)圖

圖2 直流恒流充電控制結(jié)構(gòu)圖

1.2 直流恒流充電模式

當儲能變流器運行在充電的第一階段為直流恒流模式下，其控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該模式對直流側(cè)電流信號進行采樣，之后與指令電流作差進行PI調(diào)節(jié)，經(jīng)過運算得到SVPWM驅(qū)動脈沖控制IGBT開關(guān)管的通斷，實現(xiàn)儲能變流器直流恒流控制模式。

圖3 直流恒壓充電控制結(jié)構(gòu)圖

圖4 同步旋轉(zhuǎn)坐標系下鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)圖

1.3 直流恒壓充電模式

儲能變流器系統(tǒng)運行于充電模式的第二階段為直流恒壓充電模式，其控制結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。在直流恒壓充電模式中，直流外環(huán)給定量和反饋量為直流電壓信號。該模式在已經(jīng)設(shè)計好的恒流充電閉環(huán)控制器的基礎(chǔ)上，采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制結(jié)構(gòu)完成恒壓充電控制器的設(shè)計。

2 鎖相環(huán)設(shè)計

本文采用dq鎖相，當系統(tǒng)實現(xiàn)鎖相此時有Vq=0時，說明鎖相相位和電網(wǎng)相位一致。基于同步旋轉(zhuǎn)坐標系的鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

在電網(wǎng)電壓平衡穩(wěn)定的情況下，電網(wǎng)電壓表示如式(1)：

對三相電網(wǎng)電壓進行Clarke變換，得到αβ靜止坐標系下的電壓如式(2)：

式(2)再經(jīng)過Park變換，由兩相αβ靜止坐標系變換得到兩相dq旋轉(zhuǎn)坐標系下，如式(3)：

當電壓矢量與d軸重合，兩相dq旋轉(zhuǎn)坐標的旋轉(zhuǎn)角度θ與電壓矢量相位ωt相等。通過調(diào)節(jié)PI控制參數(shù)使得Vq=0，此時鎖相環(huán)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。當穩(wěn)態(tài)相位誤差比較小，有：

由此可得出系統(tǒng)的小信號模型，如圖5所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)坐標系下鎖相環(huán)的小信號模型

同步dq旋轉(zhuǎn)坐標系下鎖相環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)表示如式(5)：

系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)表示如式(6)：

閉環(huán)誤差傳遞函數(shù)表示如式(7)：

由上述開環(huán)傳遞函數(shù)可知，dq旋轉(zhuǎn)坐標系下鎖相環(huán)系統(tǒng)是一個Ⅱ型系統(tǒng)，其原點處有兩個極點，該系統(tǒng)可以無誤差的跟蹤斜坡輸入信號。根據(jù)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)，本系統(tǒng)含低通濾波的特性，能夠有效抑制高次諧波，其二階傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)化為標準型表示如式(8)：

由上述可知同步旋轉(zhuǎn)坐標系下鎖相環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)階躍跳變的無誤差跟蹤。綜合考慮一個典型的二階系統(tǒng)的超調(diào)量和響應(yīng)速度，一般有ζ=0.707。當穩(wěn)態(tài)誤差為1%時，同步旋轉(zhuǎn)坐標系下鎖相環(huán)系統(tǒng)對階躍輸入相應(yīng)的穩(wěn)定時間表示如式(10)：

根據(jù)上述分析，可以得到基于同步旋轉(zhuǎn)坐標系下鎖相環(huán)系統(tǒng)的PI參數(shù)計算如式(11)：

當電網(wǎng)處于理想狀態(tài)，可以設(shè)定Vm的值為311。通過設(shè)計合理PI參數(shù)，符合系統(tǒng)響應(yīng)時間符合系統(tǒng)的設(shè)計要求。

3 仿真分析

在Matlab/simulink中搭建三相儲能變流器仿真模型，通過仿真分析驗證系統(tǒng)在并網(wǎng)模式下的運行控制原理及其控制策略。整體仿真模型如圖6所示。

仿真模型的相關(guān)參數(shù)如表1所示：

表1 仿真參數(shù)

并網(wǎng)運行模式下，儲能變流器可以對電池進行并網(wǎng)充放電功能，充電模式下，系統(tǒng)的啟動仿真波形圖如圖7所示，由圖7可以看出系統(tǒng)經(jīng)過0.01s的調(diào)節(jié)，交流電流和直流電流均達到額定值，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，其中網(wǎng)側(cè)A相電流THD值小于2%。

圖6 儲能變流器仿真模型

圖7 充電模式啟動波形

放電模式啟動仿真波形圖如圖8所示，系統(tǒng)經(jīng)過0.01s的調(diào)節(jié)，交流電流與直流電流均達到額定值，其中網(wǎng)側(cè)A相電流THD值小于2%。

圖8 放電模式啟動波形

圖9為系統(tǒng)在并網(wǎng)充電模式和放電模式下交流側(cè)A相輸出電流諧波含量分析，由圖可知系統(tǒng)并網(wǎng)模式下，充電模式交流側(cè)輸出電流THD為1.09%，放電模式下THD為1.27%。

圖9 并網(wǎng)網(wǎng)側(cè)A相電流諧波畸變率

下面驗證系統(tǒng)的放電功能，觀察交流側(cè)放電模式下負載功率突增的過程，如圖10所示。由圖中可以看出系統(tǒng)負載突增過程中，系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)整時間小于10ms，超調(diào)量小，由此可知系統(tǒng)的動態(tài)性能較好。

圖10 并網(wǎng)模式下放電功率突增波形

圖11 并網(wǎng)模式下充放電切換波形

圖11為并網(wǎng)模式下系統(tǒng)充放電切換波形，由圖可知系統(tǒng)在0.1s開始，系統(tǒng)由充電切換為放電，切換時間為10ms左右，之后系統(tǒng)恢復(fù)平穩(wěn)運行。

圖12 并網(wǎng)模式下放電切換充電波形

圖12為并網(wǎng)模式下系統(tǒng)放電切換充電波形，由圖可知系統(tǒng)在0.1s開始由放電模式切換為充電模式，切換時間為10ms左右，切換過程中超調(diào)量小。

結(jié)論：本文主要研究了儲能變流器在并網(wǎng)模式下的控制策略。首先根據(jù)儲能變流器并網(wǎng)模式工作方式，分別給出了恒功率控制結(jié)構(gòu)框圖、直流恒流控制結(jié)構(gòu)框圖、直流恒壓控制結(jié)構(gòu)框圖，然后提出了基于同步旋轉(zhuǎn)坐標的軟件鎖相環(huán)的設(shè)計，最后進行了儲能變流器系統(tǒng)并網(wǎng)模式下的MATLAB仿真模型，通過仿真驗證了系統(tǒng)在并網(wǎng)模式下運行的穩(wěn)定性，相關(guān)控制策略理論分析的有效性以及相關(guān)參數(shù)設(shè)計的正確性，為后續(xù)實驗樣機的設(shè)計提供堅實理論基礎(chǔ)。