一种双模式的储能变流器样机研制

时珊珊，陈常曦，于文杰，刘 舒

（1.国网上海电科院，上海 200437；2.许继电源有限公司，许昌 461000）

随着新能源发电及微电网技术的发展［1－4］，对储能变流器的功能及性能提出了更为严格的要求，即支持P／Q运行模式及V／F运行模式，同时支持两种模式之间的快速切换。传统的储能变流器主要侧重于并网模式下对储能介质的充放电功能，以及P／Q运行模式，但这已经无法满足新能源发电及微电网技术发展的需求［5－8］。本文主要研究并网／离网控制策略及模式转换策略，阐述控制系统设计思路，研制一台额定功率为20 k W、基于AC／DC一级变换拓扑并且具备并网／离网切换功能的储能变流器，并成功应用于新能源电站及微电网系统工程中。

1 主电路拓扑结构

储能变流器主电路采用基于AC／DC一级变换的电路拓扑结构，主要由绝缘栅双极型晶体管（IGBT）三相全桥搭建的功率模块组成。该拓扑支持四象限运行，并且能量流动具有双向性。内置星三角隔离变压器起到隔离、滤波以及保持系统内三相电压平衡的作用［9］。在交流侧设置主断路器、主接触器、LC滤波器。储能变流器的主电路拓扑结构如图1所示。

图1 储能变流器的主电路拓扑结构

2 控制策略研究

2.1 并网控制策略

在并网P／Q运行模式下，三相全桥功率模块采用单环控制策略，将给定的定值转化至dq坐标下作为电流环的输入给定，通过电流环作用得到SPWM算法即可生成相应的6路驱动脉冲信号，控制三相全桥IGBT的通断；同时，在电流环输出中引入前馈的控制策略，加快控制系统的响应速度。并网控制框图如图2所示。

图2 并网控制框图

2.2 离网控制策略

在离网V／F运行模式下，三相全桥功率模块采用双环控制，经过dq反变换之后，引入电压前馈控制，提高控制系统的响应速度。支持离网V／F运行时对电池的充电和放电。离网控制框图如图3所示。

图3 离网控制框图

2.3 模式切换控制策略

在微电网系统工程应用中，储能变流器能实现由并网P／Q运行模式向离网V／F运行模式的相互转换。当储能变流器检测到电网失电或市电恢复时，将当前并网P／Q（或离网V／F）控制策略停止，延迟适当时间之后，再启动离网V／F（或并网P／Q）控制策略，完成并网／离网转换。

3 系统软件设计

储能变流器控制系统的软件实现主要分为控制部分程序和通信部分处理程序两个部分，其中控制部分程序设计如图4所示。

图4 控制部分软件流程图

4 控制电路设计

储能变流器控制系统主要包括数字信号处理器（DSP）＋现场可编程门阵列（FPGA）组成的主控系统、开入／开出信号控制、脉冲宽度调制（PWM）及故障信号和通信接口电路。本文设计采用TMS320F2812作为主控芯片，主频为150 MHz。DSP负责控制算法处理及通信数据处理；FPGA负责PWM生成、保护功能及开入／开出处理。其中，人机界面采用RS-485通信方式，电池电池管理系统（BMS）采用CAN2.0B通信方式，上位机采用以太网104通信方式。储能变流器控制系统框图如图5所示。

5 实验研究

根据以上研究，研发设计了一台20 k W、基于AC／DC一级变换拓扑且具备并网／离网切换功能的储能变流器，接入电池为铅酸电池。该储能变流器的主要技术参数如下：网侧电压波动范围（1 ±5%）×380 V；额定功率20 k W；频率波动范围47～51 Hz；直流电压范围200～430 V；开关频率为5 k Hz；采样频率为15 k Hz；并离网转换时间小于200 ms。

对铅酸电池进行了充放电实验，以及在新能源电站及微电网系统工程中进行了并网／离网切换实验和V／F模式下负载投切试验。并网放电转为充电波形如图6图所示。在并网P／Q运行模式运行下，由充电至放电之间的切换实验。在放电10 k W功率给定时，突然转换为充电10 k W功率给定，充电电流在40 ms内达到稳定。

离网满载与空载切换波形如图7所示。由图7（a）可见，在离网模式空载运行下，突加20 kW阻性负载，负载电流在10 ms内达到稳定，满足微电网调度快速响应的需求。由图7（b）可见，在离网模式20 kW阻性负载运行下，突切负载转为空载运行。

图5 储能变流器控制系统框图

图6 并网放电转为充电波形

离网半载投满载波形如图8所示。在离网模式9 k W阻性负载运行下，突加负载转为额定功率运行，负载电流在40 ms内达到稳定。在负载投切过程中，输出电压、频率基本不变。

图7 离网满载与空载切换波形

并网转离网切换波形如图9所示。在并网模式运行下，模拟电网失电，转换至离网模式运行，转换过程在200 ms内完成，且电流达到稳定。

图8 离网半载投满载波形

图9 并网转离网切换波形

离网转并网切换波形如图10所示。在离网模式运行下，模拟电网恢复，转换至并网模式运行，转换过程在80 ms内完成，且电流达到稳定，实现在200 ms内完成并网模式与离网模式之间的切换，可保证部分用电设备的不间断供电。

图10 离网转并网切换波形

6 结论

本文研究了具备并网／离网切换功能的、基于AC／DC的一级变换储能变流器的、主电路拓扑结构及控制策略的储能变流器，研制了一台功率为20 k W储能变流器样机。该储能变流器功能完善，具备交流侧电压、电流、相序、频率等保护；支持P／Q控制及V／F控制，同时可实现充放电切换及并离网切换；可视化的智能触摸屏，支持以太网104、CAN2.0等功能。实验结果表明，储能变流器并离网状态转换时间短、动态响应迅速、充放电电流谐波小，满足了新能源发电及微电网应用对储能系统的需求，具有较好的推广价值。

［1］ KATIRAEI F，IRAVANI M R，LEHN P W.Microgridautonomous operation during and subsequent toislanding process［J］.IEEE Transaction on Power Delivery，2005，20（1）：248-257.

［2］ MAHARJAN L，INOUE S，AKAGI H，et al.A transformerless battery energy storage system based on a multilevel cascade PWM converter［C］／／IEEE Power Electronics Specialists conference.Rhodes，Greece：IEEE，2008：4798-4804.

［3］ SEULKIK，JINHONG J，CHANGHEE C，et al.Dynamic modelingand control of a grid-connected hybrid generation systemwith versatile power transfer［J］.IEEE Transaction onIndustrial Electronics，2008，55（4）：1677-1688.

［4］ YAOWMING C，YUANCHUAN L，SHIHCHIEH H，et al.Multi-input inverter for grid-connected hybridPV／wind power system［J］.IEEE Transaction onPower Electronics，2007，22（3）：1070-1077.

［5］BARTON J P，INFIELD D G.Energy storage and its usewith intermittent renewable energy［J］.IEEE Transactionon Energy Conversion，2004，19（2）：441-448.

［6］ 张步涵，曾 杰，毛承雄，等.电池储能系统在改善并网风电场电能质量和稳定性中的应用［J］.电网技术，2006，30（15）：54-58.

ZHANG Bu-han，ZENG Ji，MAO Cheng-xiong.Improvement of Power Quality and Stability of Wind Farms Connected to Power Grid by Battery Energy Storage System［J］.Power System Technology.2006，30（15）：54-58.

［7］ 琚兴宝，徐至新，陈方亮，等.基于DSP的三相软件锁相环设计［J］.通信电源技术，2004，21（51）：1-4.

JU Xing-bao.XU Zhi-xin.CHEN Fang-liang.Design of SPLL Based on DSP［J］.Telecom Power Technologies.2004，21（51）：1-4.

［8］ 王凤岩，任黎立，许建平.基于F2812的逆变器数字控制器的建模与设计［J］.电工技术学报，2009，24（2）：94-99.

WANG Feng－yan，REN Li-li，XU Jian-ping.Modeling and Design of Digital Controller for Inverter Based on F2812［J］.Transactions of CHINA Electrorechnical Society.2009，24（2）：94-99.

［9］ 王 赞，肖 岚，姚志垒，等.并网独立双模式控制高性能逆变器设计与实现［J］.中国电机工程学报，2006，30（15）：54-59.

WANG Zan，XIAO Lan，YAO Zhi-lei.Design and Implementation of a High Performance Utility-Interactive In-verter［J］.Proceedings of the CSEE.2006，30（15）：54-59.