基于光伏微网的储能变流器设计与实现

赵思远，于庆广，黄 杰

(清华大学电机系，北京100084)

基于光伏微网的储能变流器设计与实现

赵思远，于庆广，黄 杰

(清华大学电机系，北京100084)

储能装置作为微网的重要组成部分之一，对微网的安全稳定运行起到了重要的作用。基于太阳能光伏发电系统，设计了具有并离网切换功能的储能变流器样机。该样机采用Power PC与FPGA协同配合作为核心元件，使用PQ控制及V/f控制策略，具备并离网切换功能，能够向电网提供有功、无功支撑，稳定电网电压和频率，同时可以配合多种储能设备。使用主被动相结合的孤岛检测方法，快速准确地切换并网离网模式。样机在多种工况下，进行了并离网实验，很好地满足了设计要求，达到工业应用的标准，具有良好的推广价值。

储能变流器;PQ控制;V/f控制;孤岛检测

在工业革命之后，世界能源的消耗量急剧增加，传统能源大量使用，这些直接导致了生态环境的不断恶化。在温室效应引发全球气候变化的情况下，电能作为最清洁最便利的一种能源，受到了全世界各行业的关注。电网规模越来越大，导致发电侧和用户之间的稳定性和可靠性下降，而诸如风能、太阳能等分布式电源的发展介入，致使电力系统的可靠性受到更大的威胁。由于分布式电源本身具有随机性、间歇性等特点，能量输出并不稳定。为了能够更好地让微网协同大电力系统运作，美国可靠性技术解决方案协会率先提出了微网的概念，来解决微网和大电网之间的矛盾。微网是微电网的简称，具有能够自我控制自我管理就地性好的自治网络，在功能上，既可以作为电源接入大电网，又可以作为负载在大电网下运行。微网的常用组成部分包括分布式电源模块、储能模块、变流器模块、负荷、监控模块及保护模块[1-5]。

微网核心之一的分布式电源模块，输出的能量具有波动性，以本文研究所涉及的光伏阵列为例，太阳能光伏板的发电情况极度依赖光照条件，日照时间和日照强度是影响其稳定性的重要因素。为了让微网系统的能量出入符合大电网的指标，需要储能模块对功率进行调节。

本文研究的储能变流器，基于北京京能清洁能源电力股份有限公司100 MVA光伏电站中的100 kVA厂用电微网，作为电网与储能设备之间的接口，是微网系统的重要组成部分之一。它能够运行在并网模式和离网模式，可以在两者之间进行模式切换。根据分布式发电和微网建设的要求，储能变流器具有对电网提供有功、无功支撑，同时配合多种储能设备，如铅酸电池、磷酸铁锂电池、超级电容等接入电网进行充放电等作用。

1 储能变流器的设计与实现

根据储能系统的应用场合，储能变流器要配合光电站进行平滑的功率输出；在微网中，实现电网的调峰调谷以及离网时刻确保重要负荷不断电，维持电网电压和频率的稳定[6]。本文的储能变流器样机具有以下基本设计思想：

(1)采用基于空间矢量控制的PQ控制算法，实现储能系统并网时较高的控制性能；

(2)采用V/f控制算法，实现离网下，储能系统作为微网运行的主电源控制；

(3)采用平滑控制思想，保证PQ控制和V/f控制两种控制方式之间的快速平稳过渡；

(4)采用主动和被动孤岛检测算法准确检测出孤岛时刻，确保两种控制模式之间的转换时刻的准确性。

根据引言中的研究及上述设计思想，本文设计的储能变流器硬件系统包括以下部分：主功率回路系统、控制器系统、逻辑回路系统、驱动电路系统、电源系统、采样电路系统、显示回路系统及其他部件。主功率回路系统主要由直流断路器、直流接触器、直流预充电电阻、功率模块、交流电抗器、滤波电容电抗、隔离变压器、交流接触器、交流断路器构成，主要完成电能的变换。其中，滤波器采用LC滤波器。由于单电感L滤波器需要很大的电感值，在本文的功率要求下，成本会很高，故不予采用。而LCL滤波器为三阶滤波器，控制策略较为复杂，增加了研发成本，所以本文选用LC滤波器[7]。控制器主要包括Power PC与FPGA。其中FPGA方便进行AD控制，也可以完成PWM驱动信号的计算；而Power PC主要进行全系统的能量控制策略的实现和保护，以及与其他系统的通信。电源系统主要包括UPS、开关电源、电源隔离变压器。采样电路主要包括直流电压霍尔、直流电流霍尔、交流侧电压互感器和交流侧电流互感器，主要采样值位置参考图1。驱动电路系统中，主体为IPM功率模块，将其与IGBT结合共同实现驱动。储能变流器的电气部分主拓扑和部分控制结构如图1所示。根据设计要求和硬件条件(主要是Power PC与FPGA)，软件系统包括：系统初始化模块、AD采样处理模块、保护模块、孤岛检测模块、PQ矢量控制模块、VF控制模块、脉冲生成模块、通讯模块及人机界面模块。

图1 储能变流器主拓扑结构及PQ控制模块

1.1 PQ控制

1.1.1 电流内环控制

电流内环控制主要包括有功调节及无功调节，都采用增量式PI闭环控制。电流的给定值是功率闭环调节的输出值，电流的实际值为dq坐标系下的d轴分量和q轴分量[8]。在单位功率因数条件下，无功电流的给定值为0。控制方程为：

式中：id_ref、iq_ref为有功电流给定值、无功电流给定值；id、iq为有功电流实测值、无功电流实测值。

1.1.2 功率外环控制

采用增量式PI闭环控制，功率给定值为监控下发的功率指令，实际值通过交流电压电流的采样值计算得到。有功无功给定值分别和实际值比较，差值经PI调节，并经过限幅处理，输出结果作为内环电流给定的幅值。电流限幅曲线由监控给定。控制方程为：

式中：Pref、Qref为有功、无功给定值；P、Q为有功、无功计算值。

利用交流侧电压电流的采样值，使用傅里叶变换进行计算，求出基波分量的有功及无功，计算过程如公式(3)：

式中：x(k)是一个周波内的第k个采样值；N是一个周波内的采样次数。基波分量的有功值和无功值为：

1.2 恒流/恒压充放电

恒流充放电时，外环采用直流电流PI控制，维持充放电电流的恒定。通过与FPGA连接的AD模块及采集传感器，取得直流母线电流值，将该值作为电流的实际值，电流的给定值由储能电池允许的充放电电流大小决定。直流电流外环调节的输出量，在经过处理后，将其作为电流内环有功电流的给定值。恒压充放电时，外环采用直流电压PI调节，维持电池电压的恒定。通过与FPGA连接的AD模块及采集传感器，取得直流母线电压值，将该值作为电压的实际值，电压的给定值由储能电池允许的充放电电压大小决定。直流电压外环调节的输出量，在经过处理后，将其作为电流内环有功电流的给定值。控制器结构如图2所示。

图2 恒流/恒压充放电控制原理图

以恒流充放电控制为例：

电流内环无功电流的给定值由有功电流给定值和要求的功率因数求取：

1.3 电压/频率控制

离网模式下，储能系统独立给负荷供电或储能系统在微网中作主电源运行时，要为负荷提供电压和频率支撑，维持供电点电压和频率的稳定，采取定电压和定频率控制策略(V/f控制)[3,8]。V/f控制框图如图3所示。

图3 V/f控制框图

(1)电压闭环控制

PI调节器的输入端为额定线电压有效值和傅氏变换求出的电压有效值的差值，输出端为电压矢量参考幅值，经计算可得：

(2)频率开环控制

频率使用电网的额定频率，则将其积分，得到电压相位角。本文选用频率开环控制，主要因为开环控制下精度可以达到设计要求。

2 孤岛运行检测

储能电流器并网作为电源运行时，输出电压是由电网控制的，逆变器所能控制的只是输入电网的电流，包括电流幅值、相位和频率。其中频率和相位应与电网电压相同，在实际系统中一般都是通过与公共耦合点(PCC)电压过零点同步来实现的，而幅值是根据实际系统来调节的[9]。

电网系统本身具有基本的过压欠压、过频欠频监测，如果出现异常，会将分布式电源切离系统，这被称为被动式的反孤岛措施。这种孤岛检测条件下，当PCC点的电压幅值或者频率出现异常，就主动进入保护状态。但这种检测方式并不准确，一旦发生事故，对设备和人身安全会造成重大损失。

在研究孤岛检测技术时，我们只要将分布式电源相关的部分等效成一个整体，并不需要深究其内部控制，准确地描述其输出特性即可。所以，本文在进行研究工作时，将逆变电源等效成一个受控电流源，其幅值可调，频率和相位都跟踪大电网，等效电路如图4所示。

图4 孤岛运行等效电路

图4中，当并网开关闭合时，逆变器输出功率为PI+jQI，负载获得的功率为Pload+jQload，电网向负载注入的功率为ΔP+jΔQ，此时，公共耦合点电压的幅值和频率由电网决定。当ΔP≠0且ΔQ≠0的情况下，如果此时电网断开，公共耦合点的运行参数(电压、频率和幅值)就会发生变化，所以把ΔP、ΔQ称为功率不匹配程度,有公式为：

由式(8)可知，若已知允许输出电压范围[(380±10%)V]、允许输出频率范围[(50±1%)Hz]和品质因数(2.5)，可以得到这样的规律：公共耦合点电压的幅值和频率与有功功率和无功功率有关，其中，幅值仅与有功功率有关，而频率与二者都有关系；对于PCC点的电压频率而言，主要影响因素是无功不匹配程度。

目前比较通用的孤岛检测方式即为监测公共点电压和频率，根据电压、频率是否超出正常范围来判断电网的存续状态。这是孤岛检测中最常用的指标，不需外加任何硬件，但如果负载消耗的功率与逆变器输出的功率相差不大，使失压前后电压或频率的变化较小，仅根据电压信号判别孤岛就会出现失误，如果不与其他技术配合，会有较大检测盲区。

结合仿真分析及经济性考虑，本文选用被动式监测(过欠压保护及过欠频保护)与对无功功率实施扰动相结合的方法。通过每秒在无功电流指令上叠加一个10～20 ms，大小为3～5 kvar的脉冲电流指令，测量并网、孤岛状态下频率的波动，用以进行主动检测。

3 实验结果

本文设计的储能变流器，接入光伏微网系统中，进行离网启动-同期并网-并网充放电-离网实验，实验波形取交流侧电压电流。实验接线拓扑如图5所示，太阳能光伏阵列经由DC/DC及DC/AC变换接入电网，蓄电池组和DC/DC变换器通过储能变流器接入电网。通过断路器的分合，实现实验目的，实验结果详见本节。

图5 实验接线拓扑图

3.1 离网启动

根据图 5 进行接线，分断路器 K4、K5、K6、K1、K2，合断路器K3，接入负载，离网条件下，进行V/f控制启动，启动波形如图6所示。从图中可以看到，电压在两个周波内达到稳定，电流在前三个周波有微小畸变，随即达到稳定，满足设计要求。

3.2 离网-并网实验

离网启动成功后，分断路器K3，在离网状态下待机，合断路器K1，转为在并网状态下待机，波形如图7所示。图中光标左侧是离网待机下电流电压波形，右侧是并网后电流电压波形。可以观察到在切换过程中，电压稳定，电流有微小畸变，将在20个周波左右平稳。

图6 离网V/f启动实验波形(带载)

图7 离网-并网实验波形

3.3 并网充放电实验

并网成功后，进行PQ控制充放电实验，实验波形如图8所示。光标左侧是40 kW充电波形，电池接近充满时，储能变流器转为待机模式，随后进行75 kW放电。在40 kW充电过程中，电压稳定，充电结束后，电流在半个周波内衰减到零，满足充电的要求；放电开始时，电流在一个周波内有微小畸变，随即达到稳定，电压始终稳定，满足放电的要求。

图8 40 kW充电-待机-75 kW放电实验波形

3.4 并网-离网切换实验

并网条件下，保持蓄电池能量在90%左右，进行并网-离网切换实验，实验包括无负载条件下离网切换及负载不断电情况下离网切换。无负载条件的实验，首先分断路器K3，实验系统中只有储能变流器接入电网运行，再分断路器1，波形如图9(a)所示，电流在半个周波内变为零，电压在第一个周波有微小畸变。负载不断电情况下，合断路器K3，此时由电网与带蓄电池的储能变流器为负载供电，再分断路器1，波形如图9(b)所示，此时由储能系统单独为负载供电。离网后的第一个周波电流有微小畸变，随后恢复正常，而电压在切换过程中降低，经过约20个周波调回，负载不掉电，由于储能系统单独为负载供电，电流幅值变大。

图9 储能变流器并网-离网切换实验波形

4 结语

本文设计的储能变流器，能够在离网条件下进行V/f控制启动，单独对负载供电，供电电压电流符合市电标准；可以实现离网-并网的双向切换，切换过程中电压电流畸变小。并网期间可以进行恒流充放电与恒压充放电，对电网起到削峰填谷的作用。主被动结合的孤岛检测方式，使其能够快速准确地进行反孤岛保护。由于科研时间限制，本文仅针对储能系统与电网之间展开研究，在后期可以结合光伏发电系统及不同的储能设备，展开全系统的测试与实验。

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Design and realization of energy storage converter for solar photovoltaic system

ZHAO Si-yuan,YU Qing-guang,HUANG Jie
(Department of Electrical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

Energy storage device is an important part of the micro-grid and plays an important role in the safe and stable operation of the micro-grid.Its core component is the battery energy storage converter.A prototype of energy storage converter was designed with the mode of grid and off-grid,based on the solar photovoltaic systems.Using power PC and FPGA as the main controller,the converter could provide support for active and reactive power and match different energy storage device.The prototype adopted a hybrid method to switch between the mode of grid and off-grid accurately.In a variety of conditions,the prototype gave a good performance.So the energy storage converter has good popularization value.

energy storage converter;PQ control;V/f control;islanding detection

TM 615

A

1002-087 X(2017)07-1031-04

2016-12-01

赵思远(1990—)，男，辽宁省人，硕士研究生，主要研究方向为微网控制理论等。