储能变流器孤岛模式下控制策略研究

王 鹏，黄日帆，高 帅,2，范丽波,2

（1.许昌学院 国际教育学院，河南 许昌 461000；2.华北水利水电大学 电力学院，河南 郑州 450000；3.广西科技师范学院 机械与电气工程学院，广西 来宾 546100）

0 引 言

20世纪90年代，以Dewan S B、Wu R为代表的科研人员较为全面地分析了三相变流器的时域数学模型，建立了低频和高频模型[1]。Dong Y H和Chun T R等人提出对变流器进行dq旋转坐标变换，并建立了低频的变流器等效电路模型[2]。

按拓扑结构，储能变流器可分为AC/DC型储能变流器和DC/DC-AC/DC型储能变流器[3-5]。AC/DC型储能变流器具有结构简单、控制策略容易实现以及运行效率高等特点。在结构上，DC/DC-AC/DC型储能变流器比AC/DC型储能变流器多一个DC/DC直流变换环节。DC/DC-AC/DC型储能变流器的器件较多，导致其效率低下，且需要充分考虑DC/DC变流环节和AC/DC变流环节的协调控制，控制方法复杂[3-6]。隔离变压器可以实现电压和电流的变比，同时能够有效隔离系统一次侧和二次侧的电气，在电网发生故障时能对储能变流系统起到关键的保护作用，以有效减少损失[7,8]。变压器隔离一般分为工频变压器隔离和高频变压器隔离两种。工频隔离变压器具有结构简单、体积大、效率低以及故障率较低等特点。高频变压器的特点是体积小、噪音低以及效率高，应用范围广泛，能有效提高储能变流器的功率密度。

在控制算法方面，为实现变流器网侧电流正弦化和单位功率因数运行，科研人员将脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）技术引入变流器[9]。基于PWM技术的控制技术研究具有重要的现实意义，符合我国建设资源节约型社会发展的需要。

本文主要针对储能变流器在孤岛模式下的控制策略进行研究，建立了储能变流器的孤岛恒压恒频工作模式，并设计了相应的控制策略。通过搭建MATLAB仿真模型，验证了系统的稳定性，并为后续储能变流器系统在结合电网、光伏与负载不同情况下的应用提供了理论支撑。

1 控制结构

根据储能变流器的孤岛模式工作方式，给出孤岛控制结构框图，如图1所示。当储能系统脱离电网运行时，三相交流母线失去了公共电网电压和频率支撑。首先设定的系统工作频率为fref，本文选定fref=50 Hz。系统的角速度为2πfref=100πrad/s，通过系统角度积分得到相角θ作为系统输出电压相位。给定有功电压分量Vdref与无功电压分量Vqref指令，通过电压、电流双环控制器控制变流器输出电压幅值和相位。将Park反变换后的电压信号U*通过SVPWM调制输出驱动脉冲来驱动开关管，以获得所需的理想电压。

图1 孤岛模式控制结构图

2 控制器设计

2.1 功率控制器设计

将电网电压、电流变换到同步旋转坐标下，得到Vd和id以及储能变流器实时功率P和Q：

本文采用电网电压矢量定向的方式，锁相环输出Vd与d轴重合，有Vd=0，则式（1）表示为：

在电网电压矢量被锁相环精确锁相的条件下，储能变流器输出的有功P、无功Q分量只与同步坐标系下的电流id、iq有关。通过控制id、iq，可以实现电网对有功、无功的独立控制。通过式（2）求出电流环给定电流iq、id的大小为：

2.2 电流环控制器设计

对两相旋转坐标系下的d轴和q轴分量进行解耦，变流器在两相dq旋转坐标系下的数学模型为：

式中，dq旋转坐标系下的d轴、q轴分量处于耦合状态。控制器的设计相对复杂，首先要进行PQ解耦，即：

式中，KiP和KiI分别为电流PI调节器的比例系数和积分系数；id*和iq*为dq坐标系下d轴和q轴电流的给定值。当旋转坐标系d轴和电网电动势矢量一致，有d轴分量Ud=Uq，则q轴的分量Uq=0。

通过电流内环的解耦，实现有功分量和无功分量的单独控制。考虑电流环的对称性，详细分析d轴的电流环设计，分析计算出PI调节器参数。解耦后的id电流内环控制框图如图2所示。

图2 id电流环控制结构框图

在理想状态下，Ud扰动量忽略不计，KPWM为变流桥路的等效放大系数，值等于1。PI调节器积分时间常数用τi表示，电流内环电流采样周期用Ti表示，流内环信号采样延迟用1/(1+Tis)表示，PWM控制的小惯性环节用KPWM/(1+0.5Tis)表示。

本文按典型Ⅰ系统原则设计电流环[10]。取τi=L/R，抵消开环传递函数的零点与极点。对结构图中的小时间常数进行整理合并，根据电流闭环结构图可知其开环传递函数Go(s)为：

将PI调节器的传递函数GPI(s)写成零极点形式：

式中，KiI=KiP/τi。加入PI调节器，采用零极点对消法，加入补偿环节，系统开环传递函数数Goc(s)为：

式中，T1=1.5Ti；K1=KPWMKiP/R。由Ⅰ型系统的二阶最佳整定法，将其与典型Ⅰ型系统开环传递函数标准式进行比较，此时ξ=0.707[10]。可得：

根据式（9），得：

式（10）中，根据设计要求带入数值即可求出电流内环PI调节器的比例系数KiP和积分系数参数KiI。

2.3 电压环控制器设计

直流电压环主要用于控制变流器直流侧电压稳定，实现对储能电池恒压充电。该模式下，电流环为电压外环的一个传递函数。当储能变流器运行于单位功率因数时，由交直流侧能量守恒原理，可得交流侧电流idc与直流侧电流Im的关系为：

式中，PWM调制度m≤1；θ为初始相位角度。系统电压外环的控制结构如图3所示，Tv表示直流电压外环的采样时间常数，其中KvI+TvKvPs/Tvs表示PI环节。电压外环对直流侧电压进行控制，具有稳定直流侧母线电容电压的作用。同时，电压外环的输出值将作为电流内环的给定值。电压外环的截止频率较低，时间常数较大。对电压外环来说，电流内环的采样时间Ti很小，因此可忽略传递函数二次项，将其简化为一个简单的惯性环节。

图3 电压环控制结构图

电流内环作为电压环的传递函数Gic(s)，表示如下：

当m=1、cosθ=1时，设计最复杂，此时设计的电压控制器在任何情况都能达到控制系统需求。

因为1/(1+Tvs)为电压外环信号采样的延时环节，1/(1+3Tis)为电流闭环传递函数，其中Tv和Gci(s)中的3Ti都是小惯性时间常数，所以可以将这两项合并，得到新的传递函数Gov(s)为：

忽略iL的影响，简化电压环控制结构，如图4所示。

图4 简化的电压环控制结构

电压环控制的目的是稳定变流器直流侧电压，以满足储能变流器对储能电池进行恒压充电。考虑到电压外环的抗干扰性，按典型Ⅱ型系统设计电压PI调节器。

电压环的开环传递函数Kvi为：

由此得电压环中频宽hv为：

根据典型Ⅱ型系统控制器参数整定原则，可知：

由式（15）～式（17）可得电压控制器PI参数设计公式：

式（17）为直流电压环PI参数计算公式，在工程调试时进行适当修改，可得到一组最合适的PI参数。

3 仿真分析

在MATLAB/simulink中搭建三相储能变流器仿真模型，通过仿真分析验证系统在孤岛模式下的运行控制原理及其控制策略。整体仿真模型如图5所示。

图5 储能变流器仿真模型

仿真模型的相关参数如表1所示。

表1 仿真参数

图6为储能变流器孤岛运行模式下空载启动波形。由图6可知，电压经过0.01 s达到额定值，交流输出电压THD小于1%。需要说明的是，图中的3条波形对应电压三相电的每一相。

图6 孤岛模式下空载启动波形

图7为储能变流器孤岛模式下由空载切到满载的仿真波形，0.1 s系统由空载切到满载，系统输出电压无明显跌落，交流输出电压THD小于1%。需要说明的是，图中的3条波形对应电压三相电的每一相。

图7 孤岛模式下空载切满载波形

图8为离网模式下交流侧A相电压、电流波形和直流侧A相电压、电流波形。由图8可知，0.1 s负载由空载切到满载，直流侧电流经过0.02 s达到稳定状态且电流纹波较小，交流侧电流稳定后其THD小于1%，系统平稳运行。

图8 空载切换满载电压、电流波形

图9为系统在空载和满载工况下交流侧输出电压谐波含量分析，可知系统孤岛模式下空载模式下交流侧输出电压THD为0.62%，满载运行模式下THD为0.40%。

图9 A相电压谐波畸变率

通过模拟储能变流器系统并网模式和孤岛模式，对并网模式下系统启动、充放电切换、负载突变以及离网模式下启动带载等工况进行了仿真。仿真结果表明，设计的储能变流器具有响应速度快、平稳运行以及电能质量较高等优点。

4 结 论

本文主要研究储能变流器在孤岛模式下的控制策略，给出了孤岛控制框图，设计了变流器的控制系统，并根据不同的性能指标要求完成了不同工况下系统的电流环、电压外环的设计，最后给出了储能变流器系统在孤岛模式下的MATLAB仿真模型。仿真分析表明，设计的储能变流器具有响应速度快、平稳运行以及电能质量较高等优点。