基于储能功率转换系统的并离网运行控制策略

褚洪武，李征

（东华大学信息科学与技术学院，上海201620）

基于储能功率转换系统的并离网运行控制策略

褚洪武，李征

（东华大学信息科学与技术学院，上海201620）

基于储能功率转换系统需要逆变器工作在并网/离网两种工作模式下，针对三相T型结构作为主电路拓扑逆变器研究了并/离网工作模式的控制策略。并网模式下利用锁相（PLL）技术跟踪电网电压的相位，并且用PI控制器来实现并网电流的控制。离网模式下采用电容电压外环和电感电流内环的双闭环控制方式，可以实现输出电压的有效控制。在完成了系统的状态空间数学建模基础上，并且对系统在并网、离网两种运行模式下的控制算法，在搭建的100 kW全数字控制的实验样机上进行了实验和验证。

储能；T型拓扑；功率转换系统；并网模式；离网模式

随着人类对于电能需求量的不断增大，风能，太阳能等可再生能源逐步被开发和利用，分布式发电系统成为研究的热点。常见的分布式并网发电系统包括风能发电系统、光伏发电系统以及蓄电池发电系统。在微电网中，将并网发电功能与独立逆变供电功能集成于一体是逆变器的发展方向，同时电力电子变换装置的大功率高效率显得尤为重要［1］。本文对基于储能新型三电平拓扑的PCS并网和离网两种模式进行了研究。

三相三电平变流器具有输出电压谐波含量小，dv/dt小，EMI小等优点，是高压大功率变流器应用领域的研究热点。三相二极管中点箝位型（NPC）三电平变流器是三相三电平变流器的一种主要拓扑，已经得到了广泛应用。而三相T型三电平变流器是基于NPC的一种改进拓扑，这种结构每个桥臂通过一对反向串联的开关管实现中点箝位功能，使变流器输出电压有3种电平。该拓扑结构比NPC在每相上减少了两个钳位二极管，在一定的功率等级和开关频率不太高的场合可以在一定功率等级和开关频率不太高的情况下，损耗更小，导通利用率更高，因此是一种很有发展前景的拓扑［2］。

1　变流器的工作原理

1.1三相T型三电平变流器主电路拓扑

在图1中vdc为直流电压，C1与C2为直流母线电容，Va、Vb、Vc分别为以母线电容中点O为参考点的三相变流器各桥臂输出的电压，ua、ub、uc分别为电流经过电感之后的各相电压，La、Lb、Lc为逆变器侧滤波电感，C为滤波电容，R为阻尼电阻，ia、ib、ic分别为流出逆变器的各相交流电流，iga、igb、igc为流向电网的各相交流电流，Ld为网侧电感，ea、eb、ec为以中性点N为参考点的三相电网的各相电压，Z为独立运行是负载的阻抗。

图1　三相T型三电平变流器主电路拓扑图Fig.1The main circuit of T-type topology three-phase three-level converter

1.2单相T型三电平拓扑与工作原理

在图2（a）中，Gsa1，Gsa2，Gsa3，Gsa4分别为T1，T2，T3，T4的驱动信号，驱动信号遵从Gsa1与Gsa3互补，Gsa2与Gsa4互补，且同一桥臂上下开关驱动信号Gsa1与Gsa2不能同时导通的原则［3］。

图2　单相T型三电平拓扑和驱动波形图Fig.2Thetopology of T-type one-phase three-level converter and the waveforms of drive signals

若假定电流从变流器流向电感为正方向。当系统工作在图2（b）所示的阶段Ⅰ时，u（t）＞0，i（t）＜0，此时T2常通，T4常断，T1和T3作PWM切换。若A点输出为P电平，则电流流过D1，A点输出为0电平，电流点过T3和T2反并的二极管。当工作在阶段Ⅱ时，u（t）＞0，i（t）＞0，此时T2常通，T4常断，T1和T3作PWM切换。若A点输出为P电平，则电流流过T1，A点输出为0电平，电流点过T2和T3反并的二极管。以上以工频正半周期为例分析了T型三电平的工作原理，同理可分析负半周期A分别输出N电平和0电平。

1.3储能变流器的数学模型

根据基尔霍夫定律，可以建立变流器在abc静态坐标下的状态方程，并且经过坐标变换转换，得到dq两相旋转坐标下的方程如下［4］：

式中，Vd，q、ud，q、id，q、i1d，1q、ed，q、igd，gq分别为Va、Vb、Vc、ua、ub、uc、ia、ib、ic、i1a、i1b、i1c、ea、eb、ec、iga、igb、igc的d-q轴分量。

Vd，Vq的状态空间表达式满足

上式中，［DdDq］T为PWM占空比［DaDbDc］T的d-q轴分量。经过整理得到变流器主电路的时域形式的状态空间平均模型如图3所示。

图3　变流器的状态空间平均模型Fig.3The state space average model of the converter

2　基于储能的微网运行控制策略

微网的运行方式主要包括并网模式和离网模式两种工况，由于该系统是以储能单元作为微网的电源，因此变流器的控制策略对于整个系统控制非常重要［5］。

2.1并网模式

在并网运行模式下，配电网为系统提供电压与频率的支持，同时要求系统能参与维持整个电网的稳定运行，提高故障的承受能力等。变流器采用的是PQ控制，其控制目的是使分布式电源输出的有功功率和无功功率等于其参考值，以使储能单元处于适宜的荷电状态和良好的功率调节能力，或根据系统的需要向配电网吸收或输出一定的有功和无功功率，实现系统与配电网公共连接点PCC功率潮流的相对稳定。

变流器并网运行的控制算法结构框图如图4所示，先采集三相电网电压，利用软件同步锁相算法得到相位角θ，电流经过Clarke变换及Park变换得到id和iq，由变流器的有功和无功功率计算得到电流环的给定值，电流内环采用PI控制，以使电流快速跟踪电压给定，为了增加系统的稳定性和抗扰动性，然后通过解耦和电网电压前馈控制后可去除交叉耦合项，再由SVPWM调制成开关信号驱动各相开关管的通断。

图4　变流器并网运行的控制结构框图Fig.4The controlstrategy of grid-connected operationconverter

2.2离网模式

离网模式采用V-f控制方法［6］，为了实现对输出电压的控制，常采用电压型的控制方式，在采用电压外环实现对输出电压稳定控制的基础上，同时加入电流内环来实现逆变器输出电流的控制。统的预设值，经滤波电容电压环、滤波电感电流环双环控制后产生变流器的PWM控制信号，如图5所示为系统工作于离网运行模式时的控制结构框图。

图5　变流器离网运行的控制结构框图Fig.5The control strategy of islanded operation converter

3　实验结果

本文对基于储能系统的T型三电平变流器的并网运行和离网运行两种工况进行了研究，在控制方式上，选用了以TI公司的TMS320F28335芯片为控制核心，用SVPWM调制方式产生三相开关管的开关信号。设计了一套基于磷酸铁锂电池作为储能载体的三相电压型PWM变流器系统。

为了验证理论分析，搭建三相变流器系统，开关频率fs= 10 kHz，电网线电压有效值为380 V，直流侧电压为650 V。图6给出了实验波形，其中，Uab为网侧的AB线电压，UAB为变流器侧滤波前的AB线电压，Ia为A相交流电流，Id为直流母线电流。图6（a）为并网模式运行放电启动时波形，从中可以看出放电过程运行稳定，变流器的输出电压对电网电压的跟随性好，电流的THD较小，符合并网要求。图6（b）为充电启动的波形，可见充电启动过程大约经过800 ms左右，系统进入稳定运行状态。图6（c）为充电切换成放电的波形，转换的过程中交流和直流的电流变化较为平滑，转换的过程中变流器运行稳定，没有电流冲击，变流器运行正常。图6（d）为系统独立运行时的波形，可见输出交流电压为稳定的正弦波，变流器运行稳定。

图6　实验波形Fig.6The experimental waveforms

4　结论

文中基于储能的三相T型三电平能量转换系统上，完成了系统的状态空间数学建模和系统在并网和离网两种运行模式下的控制算法的研究，并设计了一台100 kW全数字控制实验样机，验证了理论分析的正确性。实验结果表明，此变流器在两种工作模式下运行，系统的直流侧上下电容电压平衡，交流输出电压电流谐波小，有功及无功功率可调配，符合系统的设计要求。

［1］王剑，刘天琪，李兴源.风电场及储能装置对发输电系统可靠性的影响［J］.电网技术，2011，35（5）：165-170. WANG Jian，LIU Tian-qi，LI Xing-yuan.Influences of connecting wind farms and energy storage devices to power grid on reliability of power generation and transmission system［J］. Power System Technology，2011，35（5）：165-170.

［2］Bragard M，Soltau N，Thomas S，et al.The balance of renewable sources and user demands in grids：Power electronics for modular battery energy storage systems［J］.Power Electronics，IEEE Transactions on，2010，25（12）：3049-3056.

［3］邹庆玉.逆阻型IGBT的三相T型逆变控制系统分析与设计［D］.［4］徐德鸿.电力电子系统建模及控制［M］.北京：机械工业出版社，2005.

杭州：浙江大学，2012.

［5］罗松涛，杨军伟.基于DSP的三相整流器在电池储能中的应用［J］.电力电子技术，2011，45（10）：37-39. LUOSong-tao，YANGJun-wei.DSP-basedthree-phase rectifier used in battery energy storage［J］.Power Electronics，2011，45（10）：37-39.

［6］Serban E，Serban H.A control strategy for a distributed power generation microgrid application with voltage-and current-controlled source converter［J］.Power Electronics，IEEE Transactions on，2010，25（12）：2981-2992.

Research on grid-connected/islanded PCS based on energy storage system

CHU Hong-wu，LI Zheng
（College of Information Science and Technology，Donghua University，Shanghai 201620，China）

According to the requirement that a convert based on the energy storage PCS needs to work in the grid-connected mode and the islanded mode，the control strategy of the two modes is studied for an inverter withthe three-phase T-type structure as the main circuit topology.In the grid-connected mode，grid voltage is tracked by a phaselock loop（PLL）and the PI controller is also utilized for the current control.The capacitor voltage outer loop and inner inductor current loop are used in the islanded mode，thus theoutput voltage is effectively controled.The mathematical mode of the whole system and those control algorithms in two operating modes are discussed，the system performance iscarried out and verified in the experimental prototype machine of 100 kW full digital control experiments.

energy storage；T topology；power conversion system；gird-connected mode；islanded mode

TN3

A

1674-6236（2015）20-0152-03

2014-12-30稿件编号：201412306

褚洪武（1990—），男，湖北孝感人，硕士研究生。研究方向：电力电子技术。