PQ型储能变流器在MATALAB中的仿真分析

许冰冰， 张占锋， 张智勇， 李自明， 钱 进

(1.国网安庆供电公司， 安徽 安庆 246000;2.喀什大学 物理与电气工程学院， 新疆 喀什 844000;3.国网桐乡市供电有限公司， 浙江 桐乡 314500)

0 引言

可再生能源的大规模应用可以改善环境、解决能源危机等问题。然而，这种清洁能源易受气象环境影响，输出功率具有波动性，给微电网及负荷带来不可忽视的负面影响。储能系统可以平抑微电网功率波动，提高微电网抗扰动能力，强化区域电网的供电可靠性和安全性[1,2]。因此，储能系统在可再生能源高比例接入的微电网中应用具有非常重要的现实意义和工程价值。

目前，针对储能系统应用于微电网的研究，国内外相关专家主要侧重于储能电池、变流器拓扑结构的理论建模、储能容量的优化配置以及储能系统离网/并网切换控制策略的理论研究，而将变流器控制策略应用于实际模型中的仿真分析研究较少。文献[3,4]为提高风光储微电网经济效益，提出一种同时考虑源、荷的随机不确定性与预测误差不确定性的微电网储能容量协同优化方法。文献[5-7]针对储能变流器，提出了一种基于混合控制器的双闭环控制器，该控制器比传统控制器的控制效果更优化，具有更好的稳态、动态性能且抗干扰能力强。文献[8-12]从变换器拓扑结构、控制策略出发，提出一种新型的DC/DC变换器，采用优化的控制系统，提升变换器的性能。针对上述问题，文章侧重于对微电网储能变流器控制策略的模型仿真，通过在Matlab/Simulink中搭建详细的仿真模型，验证PQ型储能变流器控制策略的有效性。

为适应高比例可再生能源接入微电网系统的发展需要，研究储能在微电网中的控制策略显得尤为重要。文章基于Matlab/Simulink仿真平台搭建了PQ型储能变流器并网仿真模型，通过模拟微电网的功率波动，对PQ型储能变流器的功率控制特性进行仿真分析。

1 PQ型储能变流器的拓扑结构

典型的PQ型储能变流器拓扑结构(含变压器)如图1所示。

图1 PQ型储能变流器拓扑结构图

图中，Va，Vb，Vc为逆变器交流侧输出电压，ia，ib，ic为逆变器并网输出电流，ea，eb，ec为电网电压，L为输出滤波电感及变压器一次侧漏感，L′为电网及变压器二次侧漏感，r为逆变器输出等效电阻，r′为电网等效电阻，T为Y/Δ隔离变压器。

2 PQ型储能变流器的控制策略

在dq坐标系下，三相逆变器电流内环控制方程为:

(1)

其中，usd、usq逆变器参考电压，kp、ki制器参数，ω为电网角频率。

由式(1)可以看出，d轴电流和q轴电流可以实现独立控制。由并网逆变器在dq坐标系下的数学模型，结合瞬时无功功率理论，采用等幅值变换的方法，可以计算得到三相逆变器在同步旋转dq坐标系下输出的有功瞬时功率和无功瞬时功率表达式如式(2)所示：

(2)

其中P为有功功率，Q为无功功率，ud、uq为ua、ub、uc在dq坐标系上的等效分量，id、iq分别为电感电流iaL、ibL、icL在dq坐标系上的等效分量，矩阵求逆的d、q轴电流指令值idref、iqref。

(3)

如果将d轴定向在三相静止坐标的a轴，q轴垂直于d轴，那么ud等于输出电压的绝对值，uq等于0，所示式(4)可表示为

(4)

由以上分析可知，当给定有功功率和无功功率时可以实现功率解耦控制，在需要有功功率跟踪时，可以将无功功率指令值设为零；在需要无功补偿时，可以将有功功率给定值设置为零。根据分析，可得到PQ型并网逆变器控制框图如图2所示。

图2 PQ型储能变流器控制系统结构图

为使并网系统的有功功率输出达到最大，PQ型三相并网逆变器根据瞬时功率表达式得出电流d轴和q轴分量参考值idref，iqref，然后电流参考值与其实际值id，iq的偏差经过PI控制器并加上补偿分量，得到电压参考值，作为SPWM脉冲发生器的参考电压。必须采用锁相技术控制输出电流的频率、相位与电网电压严格同步。经过SPWM模块后，输出6路SPWM控制信号，从而实现对光伏并网逆变器的控制。

3 PQ型储能并网系统整体仿真模型

图3是在Matlab/Simulink中实现的PQ型储能系统整体模型，包括铅酸蓄电池模型、储能双向DC/DC充放电控制器模型和PQ型并网逆变器模型。

图3 PQ型储能并网系统整体仿真模型

4 仿真分析

系统模型的参数与仿真条件为：储能铅酸蓄电池额定电压320 V，容量为200 Ah，SOC设定初值为50%；储能系统DC/DC充放电控制器输入侧直流电压320 V，输出侧直流电压750 V。变压器采用240/380 V三角形/星形Dyn11接法。

根据储能系统并网运行的主要功能，设定有功功率波动指令实现有功功率跟踪，此时可以将无功功率设置为零。图4、图5、图6是铅酸蓄电池储能系统功率跟踪波形图。图中模拟光伏电源出力短期功率波动，将波动功率作为功率跟踪指令。

图4 并网功率跟踪仿真波形

图5 并网功率跟踪时电压电流波形

图4是储能系统并网运行控制交换功率波动时的功率跟踪仿真波形。图中功率指令分别为10 kW、100 kW、0 kW、-100 kW、20 kW、100 kW，功率变化时间间隔为0.5 s，正值功率表示储能系统发出功率，补偿交换功率波动，铅酸蓄电池处于放电状态，负值功率表示储能系统吸收功率，吸收交换功率波动，铅酸蓄电池处于充电状态。从仿真波形可以看出，储能系统可较好地跟踪功率指令，且可控制无功功率为零。图5是功率跟踪时的逆变器输出的三相电压电流波形。仿真波形中电压波形稳定，电流跟随输出功率的大小而改变。图6是储能系统并网时铅酸蓄电池的SOC、电池输出电流、电池输出电压波形图。从仿真波形中可以看出，铅酸蓄电池的SOC、电流和电压跟随功率指令的变化而变化。

图6 并网功率跟踪时铅酸蓄电池波形图

5 结论

文章基于Matlab/Simulink仿真平台搭建了PQ型储能变流器并网仿真模型，通过模拟微电网的功率波动，对PQ型储能变流器的功率控制特性进行仿真分析，可知，PQ型储能变流器可以实现输出功率的快速可控，有效跟踪平抑微电网并网运行时与主电网交换功率出现的功率波动，提高可再生能源的并网接入能力以及电网的稳定性。