張超，邱晗，李哲，劉博暢，張寶順，厲成元

（天津電氣科學研究院有限公司，天津 300180）

2019年7月1日，發(fā)改委發(fā)布了《關于促進儲能技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見》，提出了加強先進儲能技術的研發(fā)，同時攻克關鍵技術難點，使我國儲能技術水平在5到10年甚至更長時間處于國際領先。在所有儲能技術中，針對電化學儲能的突破最為明顯，將成為未來儲能技術的主要增長點，另一方面電化學儲能中的鋰離子電池的成本在不斷下降，技術也更加成熟，所有使用鋰電池的儲能系統(tǒng)將得到廣泛應用。這類儲能系統(tǒng)已經(jīng)開始大規(guī)模地應用于電力系統(tǒng)，尤其在一帶一路的國家和地區(qū)中，存在很多孤立的中小型電網(wǎng)，這種電網(wǎng)負荷波動大，電網(wǎng)質(zhì)量不好，存在電網(wǎng)不穩(wěn)定甚至電網(wǎng)崩潰等因素，所以就更需要鋰電池儲能系統(tǒng)來調(diào)節(jié)電網(wǎng)質(zhì)量、平抑負荷波動、保證孤島運行，而且一般要求儲能系統(tǒng)配置到MW級甚至要到幾十MW等較大規(guī)模。當這種孤立電網(wǎng)出現(xiàn)電網(wǎng)崩潰等問題時，就要求MW級甚至幾十MW的儲能系統(tǒng)同步地、快速地切入離網(wǎng)運行或作為應急電源提供一定時間的廠用電完成發(fā)電機組的啟動。儲能系統(tǒng)進入離網(wǎng)運行的關鍵，就是文獻[1]提到的儲能變流器（power converter system ，PCS）從P∕Q模式切換到V∕F模式，并且切換過程電流和電壓平緩，無明顯沖擊。針對該問題，文獻[2]提出一種相位預同步的控制器狀態(tài)跟隨方法，該方法實現(xiàn)了離網(wǎng)到并網(wǎng)的平滑切換；文獻[3]提出將V∕F控制器輸出與P∕Q控制器的輸出設計為一個負反饋作為V∕F控制器的輸入，使得切換前V∕F控制器時刻跟隨P∕Q控制器的輸出，可以滿足單臺儲能變流器的切換；文獻[4-5]提出多機并聯(lián)離網(wǎng)運行的參數(shù)設計和采用下垂控制功率均分方法。

本文結合以上文獻介紹了一種儲能離網(wǎng)啟動的控制策略，可以滿足幾十臺甚至上百臺儲能變流器平穩(wěn)快速地切換到離網(wǎng)運行狀態(tài)或者完成變壓器的零啟升壓，建立離網(wǎng)電壓。該控制策略與其他方法相比，具有控制實現(xiàn)容易、支持多臺并聯(lián)的儲能變流器同時無縫切換及離網(wǎng)啟動等優(yōu)點。采用此策略的儲能系統(tǒng)中，所有儲能變流器均為相同的頻率和相角，避免了多機之間由于頻率不同而產(chǎn)生的相互震蕩以及其造成的功率分配不均等問題，同時建立的離網(wǎng)電壓穩(wěn)定可靠。

1 設計的基本原理

1.1 三相電壓鎖相環(huán)PLL

儲能系統(tǒng)一般由雙向儲能變流器（PCS）、蓄電池（一般為鋰電池）及電池管理系統(tǒng)（battery management system，BMS）、公共接入點（point of common coupling，PCC）、升壓變壓器等組成，其中PCS為其核心執(zhí)行系統(tǒng)，其一般由支撐電容、DC∕AC功率變換單元、LCL濾波器組成，如圖1所示。PCS主要功能是通過DC∕AC變換，對蓄電池進行充、放電，使蓄電池能量和電網(wǎng)的能量進行交換。

圖1 雙向儲能變流器系統(tǒng)圖Fig.1 The system schematic of power converter system（PCS）

當儲能變流器并網(wǎng)運行時，通過電網(wǎng)側電壓進行定向，本設計采用鎖相環(huán)（phase locked loop，PLL）技術。

假設三相電壓對稱，且不考慮諧波，三相電壓信號為

式中：uA，uB，uC為電網(wǎng)A，B，C三相電壓；Um為電壓幅值；γ為電角度。

三相電壓矢量可以用一個空間旋轉(zhuǎn)矢量的在三個靜止坐標系的投影表示，這個表示三相電壓的矢量稱作通用矢量。則電網(wǎng)電壓uA，uB，uC可以表示為通用矢量U，如圖2所示。

圖2 三相電壓矢量關系圖Fig.2 The diagram of three phase voltage vector

圖2中，γ為U和a軸（α軸）的夾角，θ為a軸（α軸）和d軸的夾角。

對通用矢量U做等量3∕2變換，得到等效兩相虛擬正交靜止坐標系變量信號：

再將靜止坐標系變換到旋轉(zhuǎn)坐標系，得到等效虛擬正交同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標系變量信號：

將式（2）代入式（3）中，得：

當穩(wěn)態(tài)下，滿足γ-θ=0，即

通用矢量U與有功分量Ud重合，無功分量Uq為零，d-q旋轉(zhuǎn)坐標系以角速度旋轉(zhuǎn)，這樣就實現(xiàn)了對電網(wǎng)電壓矢量的定向。

1.2 相位角生成控制

三相交流電壓經(jīng)過d-q變換后得到的Uq分量，通過PI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)Uq輸出為角速度Δω，如圖3所示。

圖3 并網(wǎng)電網(wǎng)相位角控制框圖Fig.3 Control block diagram of on-grid phase angle

圖3中：

ω再經(jīng)過積分器輸出為相位角θ，該角度即對應于三相電壓的頻率和相位。

儲能變流器離網(wǎng)運行時，離網(wǎng)電壓主要由幅值和頻率決定。幅值通過PCS的交流電壓環(huán)控制，頻率則由兩種離網(wǎng)啟動方式來確定，一種是零啟升壓模式，另一種是由并網(wǎng)無縫切入離網(wǎng)模式。零啟升壓模式由于沒有初始電網(wǎng)，電網(wǎng)需要通過PCS控制電壓以軟啟的形式建立，所以離網(wǎng)使能信號直接控制相位角θ從零開始積分啟動。無縫切換時，當PCS收到離網(wǎng)信號后，將Δω置零，從該位置進行積分得到相位角θ。該方式可以保證相位角不會發(fā)生較大突變，從而使PCS由并網(wǎng)狀態(tài)切入離網(wǎng)時，不會出現(xiàn)過流、過載、電壓突變等故障，造成離網(wǎng)電網(wǎng)啟動失敗，無法建立，如圖4所示。

圖4 離網(wǎng)電網(wǎng)相位角控制圖Fig.4 Control block diagram of off-grid phase angle

2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

2.1 離網(wǎng)控制硬件實現(xiàn)

大功率MW級鋰電池儲能系統(tǒng)項目中，500 kW儲能變流器每5臺作為1組，并聯(lián)接到一臺升壓變壓器上。當系統(tǒng)運行于并網(wǎng)狀態(tài)時，5臺PCS每臺通過電流環(huán)（P∕Q模式）獨立控制，可以通過能量管理系統(tǒng)（energy management system，EMS）對單臺PCS進行充、放電控制，同時實現(xiàn)對整個電網(wǎng)系統(tǒng)的能量調(diào)度和控制。當系統(tǒng)離網(wǎng)運行時，每組的首臺PCS采用虛擬阻抗控制的離網(wǎng)電壓環(huán)（V∕F模式）技術，控制離網(wǎng)電壓的幅值，并將主站電流環(huán)參數(shù)通過內(nèi)部高速通訊傳送到組內(nèi)其余4臺，實現(xiàn)功率的平衡分配，如圖5所示。

圖5 儲能系統(tǒng)離網(wǎng)通訊示意圖Fig.5 The communication schematic diagram of off-grid ESS

采用該離網(wǎng)啟動控制策略設計了一種離網(wǎng)控制裝置。該裝置主要用于提供離網(wǎng)相位角和離網(wǎng)使能信號。離網(wǎng)控制裝置設計有2套控制器，實現(xiàn)離網(wǎng)相位角輸出冗余控制，主控制器和備用控制器同時生成完全相同的離網(wǎng)相位角同步信號，如圖5所示。

2.2 離網(wǎng)控制裝置算法實現(xiàn)

2.2.1 主控制器相位角同步生成

圖6所示為主站相角同步信號生成框圖?？刂破骱诵腃PU采用FPGA芯片，其基礎時鐘為40 MHz，所有算法實現(xiàn)都在FPGA中完成。主站相角同步信號生成模塊主要由三部分組成：A1～A6為獨立生成相角同步信號的模塊；A7和A8為通過PLL運算后生成的相角同步信號的模塊；A9～A19為兩種信號切換選擇部分的模塊。具體的，當主控板檢測電網(wǎng)有電且沒有離網(wǎng)使能信號時，離網(wǎng)控制裝置使用PLL運算出來的相位角θ生成同步信號并發(fā)送；當進入離網(wǎng)運行或者沒有電網(wǎng)時，離網(wǎng)控制裝置使用自身獨立生成的相位角發(fā)送同步信號。

圖6 主站相角同步信號生成框圖Fig.6 The block diagram of synchronous signal generation for main PCS phase angle

2.2.2 備用控制器相位角信號處理

備用控制器一方面發(fā)送與主控制器相同同步信號，另一方面生成主站斷電恢復后的同步信號，備用控制器將原有同步信號發(fā)送給主控制器，完成主控制器的正常接入。因主控制器的切入不會造成相角突變，引起系統(tǒng)崩潰，所以增加備用同步主站功能。該功能包括主站生命信號生成、備用給主站發(fā)送同步信號、主站啟動延時輸出同步信號三部分模塊。

主站生命信號生成模塊如圖7所示。主站生成一個周期為20 ms的高電平、寬度為500 μs的脈沖波形。

圖7 主站生命信號生成框圖Fig.7 The diagram of life signal generation for main PCS

備用控制器發(fā)送主控制器同步信號模塊，如圖8所示。A1～A3對生命信號進行20 ms計數(shù)，A4～A7計20 ms周期脈沖的個數(shù)為6個，A8～A15在主站故障恢復后，生成一個1 s的單穩(wěn)脈沖，A16和A17在該單穩(wěn)脈沖存在期間發(fā)送同步信號給主站。

圖8 備用PCS發(fā)送主站PCS相角信號框圖Fig.8 The phase angle signal from standby PCS to main PCS

2.2.3 信號時序圖

下圖為主站和備用進行切換時，各個信號的時序波形圖。

圖9 相角信號時序圖Fig.9 The timing diagram of phase angle

3 試驗驗證

3.1 零啟升壓功能

3.1.1 零啟升壓流程

當外界電網(wǎng)沒電，PCS投入離網(wǎng)運行狀態(tài)時，建立離網(wǎng)電網(wǎng)。大功率高壓變壓器勵磁對PCS的沖擊一般為額定容量的5～10倍，PCS不能承受如此大的沖擊，勢必造成PCS過流故障，所以需要對變壓器進行空載勵磁并通過零啟建立電壓。當PCS軟啟結束后，離網(wǎng)電網(wǎng)建立完成，即可以接入一定數(shù)量的負載，滿足一段時間的廠用電，但需要注意電池的容量和使用時間。

3.1.2 零啟升壓試驗

在天津電氣科學研究院有限公司的微網(wǎng)實驗室中搭建試驗平臺，采用2組共4臺500 kW儲能變流器，每組1臺主機和1臺從機。試驗測試兩組PCS同時啟動進行零啟升壓。通過離網(wǎng)控制裝置的光纖同步發(fā)送同步相角信號和離網(wǎng)使能信號給每組主機PCS。主機接收到離網(wǎng)使能信號后將該信號同時下發(fā)給該組中的從機，完成該組中所有2臺PCS的啟動。在實驗室模擬的試驗平臺如圖10所示。

圖10 零啟升壓試驗平臺示意圖Fig.10 The experiment platform for raising voltage from zero

兩組4臺PCS零啟升壓啟動過程的波形如圖11、圖12所示。圖中，第4通道為電壓信號，第1，2，3通道為電流信號。在啟動過程中電壓平滑無波動，幅值為400 V，啟動時間約為11 s；平穩(wěn)運行時，電壓波形平穩(wěn)可靠，無任何畸變，電壓諧波滿足國家標準。

圖11 零啟升壓主站啟動波形圖Fig.11 The waveforms of raising voltage from zero

圖12 零啟升壓平穩(wěn)運行波形圖Fig.12 The waveforms of raising voltage from zero for running

3.2 無縫切換功能

3.2.1 無縫切換離網(wǎng)使能選擇

離網(wǎng)使能信號可以通過幾種方式產(chǎn)生，一種是由EMS給定檢測35 kV電網(wǎng)故障；或者由EMS檢測35 kV開關狀態(tài)得到；另一種是直接從離網(wǎng)控制裝置檢測35 kV高壓柜PT和CT信號；或者直接將35 kV開關狀態(tài)引入。以上方式需要結合現(xiàn)場實際環(huán)境以及工況做出最優(yōu)的選擇，以達到最快地檢測到離網(wǎng)狀態(tài)。

3.2.2 無縫切換試驗

如圖13所示，在天津電氣科學研究院有限公司的微網(wǎng)實驗室中搭建無縫切換實驗平臺。采用2組共4臺500 kW儲能變流器，每組1臺主機和1臺從機。該試驗平臺中K1為接觸器，可以通過控制自動閉合和斷開。當電網(wǎng)正常時，電網(wǎng)給負載提供能量，PCS空載運行。斷開K1開關后，系統(tǒng)進入離網(wǎng)運行狀態(tài)。離網(wǎng)控制柜檢測到K1開關斷開，給PCS發(fā)送離網(wǎng)使能信號，PCS接收到離網(wǎng)使能后由P∕Q模式切換到V∕F模式，使用離網(wǎng)控制裝置發(fā)送的相角同步信號生成自身相角，幅值按照并網(wǎng)時刻幅值建立離網(wǎng)電壓，給負載提供功率。

圖13 無縫切換試驗平臺示意圖Fig.13 The experiment platform for seamless switching

兩臺主站PCS同時無縫切入離網(wǎng)運行時的波形如圖14所示。

圖14 無縫切換波形圖Fig.14 The waveforms of seamless switching

圖14中，第2、3通道為電流信號，第4通道為電壓信號。從波形可以看出兩臺PCS電流均流性較好，切換過程小于5 ms且無明顯沖擊和過流等。

4 結論

基于該控制策略研發(fā)的儲能系統(tǒng)同時支持兩種工作模式，零啟升壓和無縫切換。該系統(tǒng)的成功研發(fā)可以解決孤網(wǎng)和電網(wǎng)不穩(wěn)定地區(qū)的短時用電和緊急用電。該方案成功應用在印尼某鋼廠55 MW∕55 MW·h的鋰電池儲能項目中，在因地震等原因造成的停電事故中，該系統(tǒng)提供備用電源，在保障設備檢修及鋼廠日常用電方面發(fā)揮積極作用。這種大型廠礦現(xiàn)場，一般用電負荷較大，幾十臺甚至上百臺儲能變流器同步進入離網(wǎng)運行狀態(tài)，可以快速地完成離網(wǎng)電網(wǎng)的建立，為用戶提供了有力的電力保證。綜上，該設計用于大規(guī)模MW級儲能電站，會產(chǎn)生較好的用戶體驗和較大收益。