储能变流器平滑切换的研究

张 飞，万乐斐，刘 亚

(内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古 包头 014010)

储能变流器平滑切换的研究

张 飞，万乐斐，刘 亚

(内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古 包头014010)

由清洁能源(如太阳能、风能等)组成的可控制负荷微电网系统发展迅速，极大提高了传统供电网络的可靠性。储能变流系统是微电网系统中能量变换的关键系统，是微电网实现“削峰填谷，调剂余缺”的核心。研究储能变流器技术对实现微电网离并网运行及状态平稳切换具有实际意义。现场调研了风电厂光伏发电厂，对储能变流器平滑切换进行了研究。在分析储能变流器拓扑结构的基础上，分别建立三相储能变流器不同运行状态的数学模型。采用双环控制结构，具体分析储能变流器离并网切换过程电压、电流畸变的原因。在切换过程中，采用共电流环控制方式降低电压电流畸变。对储能变流器平滑切换的仿真结果表明，该系统可以实现不同调制模式间的平滑过渡。

微电网； 储能； 变流器； 削峰填谷； 独立运行； 并网运行； 平滑切换； 平滑过渡

0 引言

由于微网系统存在并网和离网两种工作状态，储能变流器需要有并网和独立运行两种工作模式，并能实现两种模式间的平滑切换，以保证本地负载的不间断供电。当电网发生故障或计划检修时，三相储能变流器需要与大电网解列，由并网运行转为独立运行，待电网的故障清除或检修完毕后，电网重新恢复正常运行；或者，由于试验的需要，三相储能变流器又要切换到并网运行模式。三相储能变流器在独立运行时输出电压的幅值、频率和相位可能与电网电压存在差异，如果直接并网，很可能会产生大电流冲击，对电网和变流器造成损害。所以，变流器在并网之前，必须进行调整,以减小并网时对电网的冲击。

在微电网的研究领域中，平滑切换问题是近年来人们关注的热点，也是微电网研究领域的难题。本文在充分研究现有储能变流器内部算法的基础上，进行储能变流器平滑切换的研究，并通过仿真分析验证了试验的可行性。

1 双环控制的切换数学模型

储能变流器切换模式控制采用双环控制结构，并且共用电流内环控制器，从而在转换的过程中大大减小由控制器参数差异造成的并网电流冲击。Switch1和Switch2是控制模式选择开关。当变流器选择并网运行PQ控制方式时，模式选择开关切换到Id_ref和Iq_ref；当变流器选择独立运行V/F控制方式时，模式选择开关切换到Ud_ref和Uq_ref。

2 变流器仿真与分析

2.1独立到并网运行

在实际的变流器控制模式切换过程中，由于受到各种因素的影响，模式开关和并网开关同时动作虽是最理想的方式，但不符合实际的工程应用[1]。当控制模式开关切换和并网开关切换时，前后顺序不同会使变流器和电网受到很大影响。以独立运行切换到并网运行为例，当变流器独立运行时，控制方式为V/F，若在控制方式切换的同时，并网开关也闭合，这种同时切换方式最为理想，但是实际当中很难实现。若控制方式先切换到PQ控制模式，然后再闭合并网开关，这种过渡方式为电流过渡过程；若先闭合并网开关，然后再切换控制方式，这种过渡方式为电压过渡过程。

电流过渡方式切换步骤如下。

①检测电网电压，分析此刻电网电压的频率、幅值和相位信息。

②三相变流器的输出电压按照步骤①中电网电压的量进行调整。

③控制模式先切换到并网控制模式，循环检查并网条件。若符合，闭合并网开关。

变流器由独立运行切换到并网运行时，变流器初始工作在独立运行模式，在检测到并网信号后，变流器控制方式先切换到PQ控制方式，然后循环检测变流器输出电压的频率、相位和幅值，若满足并网要求即闭合并网开关。切换时，还需要考虑系统的功率平衡，保证切换过程的平滑进行[2]。

仿真模型中，变流器以V/F模式启动运行，设定负载吸收的有功功率(P)为7kW，无功功率(Q)为0。在0.5s时,变流器的控制方式由V/F控制模式切换到PQ模式。尽管两种控制模式共用一个电流环，但是外环参数的差异仍然会造成电流的冲击，切换后变流系统需要重新进行参数调整。

变流器输出与并网的有功、无功功率如图1所示。从图1可知，有功功率P输出下降到5000W，经0.025s后输出电流和电压跟踪上给定值，重新达到稳定状态；为了观察变流器和电网之间的能量交换，向电网输送多余电量，甩去了1kW次要负载。

图1 输出与并网功率

变流器独立到并网时输出电压、电流波形如图2所示。从图2可知，在控制方式切换的瞬间，变流器的输出电压下降到286V，小于额定电压的10%，电流下降到13.5A。

图2 输出电压、电流波形(独立到并网)

变流器独立到并网时，C相并网电压、电流波形如图3所示。

图3 C相并网电压、电流波形(独立到并网)

从图3中可以看出，在0.6s时，变流器向电网输送电能。这个过程中系统会检测变流器输出电压与电网电压是否满足频率和幅值的差值范围。若满足要求则闭合并网开关，完成并网切换过程[3]。

变流器切换到并网运行模式后，变流器的有功功率给定值是8kW，无功功率是0。除向负载供电外，变流器还可向电网输送功率1kW。从仿真可以看到，在0.6s 时，变流器输出电流无明显变化，但是因为切掉了次要负载，导致电压增至324V，电压增幅为额定电压的4%，差值在允许的范围之内[4]。此外，在负载骤减的瞬间，输出电压和电流发生轻微畸变，使得输出无功功率有明显的增加，经0.03s 后恢复稳定。从图3可以看出，在0.6s时切换到并网运行模式，经0.02s电压、电流实现并网[5]。

2.2并网到独立运行

变流器由并网状态切换到独立运行状态时，变流器初始工作状态是并网运行PQ控制模式。当电网故障或者由于试验需要，变流器与大电网必须被断开，转入独立运行模式。由上文的分析可知，切换过渡方式可以有多种。为了尽可能减小独立运行负载电压的波动，并且确保大电网故障时变流器与大电网解列及时且迅速，所以三相储能变流器由并网运行切换到独立运行时，首先断开并网开关，然后再切换控制模式。

切换控制模式的步骤如下。首先，检测电网信号，判断是否故障，或者有离网运行的需求；检测到故障或者离网信号后，迅速断开并网开关，使变流器与电网解列；最后，变流器切换到独立运行模式，转入独立运行状态。根据上述切换步骤，可得出变流器该过程仿真波形。输出与输入电网功率，并网到独立时输出的电压、电流波形以及C相并网电压、电流波形分别如图4～图6所示。

图4 输出与输入电网功率

图5 输出电压、电流波形(并网到独立)

图6 C相并网电压、电流波形(并网到独立)

仿真模型中，变流器的初始工作状态是 PQ 并网运行模式，变流器给定的有功功率值为8kW，无功功率为0，负载所需有功功率被设置为7kW，无功功率为0。在0.1s 时，当变流器与电网解列的信号发出后，并网开关动作断开，将变流器与电网解列。为了保持切换前后功率平衡，并网开关断开同时投入次要负载，大小为1kW。由图4(b)可以看出，在0.1s 时刻，并网开关断开和投入负载造成功率变化，有功功率曲线产生突变[6]；在0.2s 时刻，将变流器的控制策略切换成V/F控制，由于控制器参数的变化，变流器需要重新调整输出电压和电流，因此电压和电流瞬时跌落到295V和16.4A[7]。从图5可以看到，电压、电流的变化进一步导致图4(a)变流器输出的有功功率骤减，有功功率下降到6kW，经过0.035s重新输出负载所需的功率的大小。由此可以看出，与大电网解列后，变流器迅速停止向电网输送功率[8]。

3 结束语

本文分析了变流器平滑切换的重要性，对变流器的平滑切换技术进行了理论分析与仿真实践，并基于MATLAB软件、通过数学计算搭建系统，进行充放电的控制。仿真波形证明，该系统可以并网运行或者独立运行，并可以实现两种控制模式的平滑切换[9]。

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ResearchontheSmoothSwitchingofEnergyStorageConverter

ZHANG Fei，WAN Lefei，LIU Ya

(School of Information Engineering,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou014010,China)

The load controllable micro-grid system which consists of clean energy,such as solar and wind energy,has been developing rapidly; this greatly improves the reliability of the traditional power supply network.Energy storage converter system is the key system of energy transformation in the micro-grid system; it is the core for micro-grid to realize “peak clipping and valley filling,as well as surplus and deficiency adjusting”.The research on the technology of energy storage converter possesses practical significance for implementing the grid-connected and grid-disconnected operations of micro-grid,and the smooth state switching. On the basis of field investigation for wind power plants and photovoltaic power plants,the smooth switching of energy storage converter is researched.Having been analyzing the topologic structure of energy storage converter,the mathematical models of three-phase energy storage converter under different operating states are established respectively.By using dual loop control structure,the reasons of voltage and current distortions during the switching process of energy storage converter are analyzed specifically.In switching process,the common current control mode may reduce the distortions of voltage and current.The simulation result of smooth switching proves that the system can achieve smooth transition between different modulation modes.

Micro-grid; Energy storage; Converter; Peak clipping and valley filling; Independent operation; Grid connected operation; Smooth switching; Smooth transition

TH7;TP17

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201710009

修改稿收到日期:2017-04-25

张飞(1982—)，男，硕士，讲师，主要从事新能源技术的研究。E-mail3555153@qq.cm。

万乐斐(通信作者)，男，在读硕士研究生，主要从事变流器的开发工作。E-mail:1104691235@qq.com。