基于RT-LAB 的储能逆变器RCP 实验平台开发

尹平平

（上海科梁信息科技股份有限公司，上海 200233）

随着风电、光伏等新能源的大量并网，储能系统在电网中得到越来越广泛的应用[1-6]，目前电网中应用的储能元件主要以锂电池、液流电池等各种大容量电池为主，储能逆变器主要用于实现储能电池与电网之间的功率转换，在电网负荷高峰期，储能逆变器将储能电池的直流电能转换为满足电网并网要求的交流电能，实现电池储存能量向电网的馈送，反之，在电网负荷低谷期，储能逆变器将电网的交流电能转化为直流电能，为储能电池充电。这样，实现对电网负荷的削峰填谷，从而提高电网运行的安全稳定性。

RT-LAB 作为一款实时仿真平台，近年来得到了广泛的应用。其可以灵活、方便地实现各种控制策略，并实现与储能逆变器各种I/O 接口的连接，进而组成储能逆变器快速控制原型（Rapid Control Prototyping，RCP）实验开发平台。相比于传统的基于DSP、FPGA 等数字控制芯片设计制作控制电路板,并设计编写代码的开发方式，RCP 在控制策略的研发验证过程中，具有周期短、可靠性高等优势，在节省成本的同时能够帮助研发人员对控制策略进行开发和验证，加快产品的研制进度[7-14]。

该文基于RT-LAB 设计了储能逆变器的RCP 实验平台，并基于该平台对所设计的储能逆变器的控制策略进行了验证。

1 储能逆变器的拓扑结构及工作原理

文中储能逆变器主回路采用两电平电压型三相逆变器，其拓扑结构如图1 所示，从图可见，主电路结构为桥式拓扑，一共三个桥臂，每相桥臂由上下两个IGBT 开关管组成。任意时刻，每相桥臂各有一个开关管导通，每相桥臂输出电压有两个电平。另外，每相桥臂上、下两个开关管不能同时导通。三相桥臂分别在正弦波调制作用下逆变出所期望的一定频率、相位和幅值的三相正弦电压。

图1 储能逆变器主回路拓扑结构图

在d-q同步旋转坐标系下，储能逆变器的数学模型为[16]：

式中，R和L为储能逆变器与电网之间连接阻抗的电阻和电感，usd和usq为交流电网侧交流电压的dq轴分量，ucd和ucq为储能逆变器交流输出侧电压的dq轴分量，id和iq为储能逆变器交流输出侧电流的dq轴分量。取dq旋转坐标系的d轴与网侧A 相电压重合，则usd=Usm（Usm为网侧相电压的幅值），usq=0，有功和无功功率可以表示为：

对于该实验平台的储能逆变器，其本质是一种电压源换流器（Voltage-Sourced Converter,VSC），根据电压源换流器的理论，储能逆变器的有功和无功功率可以在四象限运行。为了实现对电网与储能逆变器间传输的有功功率的控制，需要设计相应的控制策略。文中采用矢量控制策略，矢量控制策略又被称作直接电流控制，其具有响应迅速和控制精准的特点，动态性能优良。根据式（1）所建立的dq坐标系下的储能逆变器数学模型，基于经典的2 电平VSC 双闭环控制理论，设计了储能逆变器的控制策略，内环采用dq解耦控制，可以实现快速跟踪dq轴电流参考值，外环则根据需要可以设置为定直流电压、定有功功率等多种控制模式。

所设计的储能逆变器控制策略如图2 所示，主要的控制目标为：1）调节有功功率。将有功功率的给定值Pref与有功功率的实际值P的偏差经过PI 控制器后，生成有功电流的参考值Idref，从而调节储能电池与电网间交换的有功功率，实现对有功功率给定值Pref的跟踪，最终使有功功率稳定在给定值Pref上；2）控制无功功率。将无功功率给定值Qref与无功功率的实际值Q的偏差经过PI 控制器后，生成无功电流的参考值Iqref，从而调节储能逆变器并网点的无功功率，使其跟踪无功功率给定值Qref，最终使无功功率稳定在给定值Qref上。储能逆变器的调制策略有多种，文中采用空间电压矢量调制（SVPWM）方法。

图2 储能逆变器主回路拓扑结构图

2 基于RT-LAB的储能逆变器的RCP平台

基于RT-LAB 的储能逆变器RCP 平台的总体架构如图3 所示，由图可见，整个RCP 平台主要由三部分组成：RT-LAB 实时仿真平台、储能逆变器和储能电池模拟器。

图3 储能逆变器RCP平台

储能电池模拟器是一款高精度高功率因数的可编程电源设备，其直流输出动态响应快速，能量能够双向流动，可模拟电池输出特性（输出能量），也可模拟电池输入特性（电池储能），其按照设定值输出稳定的直流电压，然后接入储能逆变器的直流侧，储能逆变器的三相交流侧通过110/400 V 隔离变压器接入380 V 供电电网。

储能逆变器的控制算法在上位机上设计开发完成后，下载到RT-LAB 实时仿真平台，RT-LAB 实时仿真平台通过I/O 接口与储能逆变器连接来采集控制算法所需要交流电网侧的三相交流电压、交流电流、以及直流侧的直流电压、直流电流等信号，同时输出PWM 控制信号驱动储能逆变器的IGBT 开关管，输出DO 数字电平信号控制储能逆变器并网断路器的分合闸，使储能逆变器按照给定的控制方式稳定并网运行。

储能逆变器RCP 平台的一次主回路设计如图4所示，图中输入端子接入380 V 交流配电网，输出端子接入储能电池模拟器。储能逆变器直流侧缓冲电容选用4 200 μF，联接变压器采用Y/△接线方式，Y侧额定电压为400 V，△侧额定电压为110 V，变压器Y 侧通过主接触器、辅助接触器、软启电阻及并网断路器接入380 V 交流电网，变压器△侧接入储能逆变器，△侧电感量为1.2 mH。

图4 储能逆变器RCP平台一次主回路

3 储能逆变器RCP平台实验验证

RT-LAB实时仿真平台可以将图形化的高级语言（MATLAB/Simulink）编写的控制算法下载到RT-LAB实时仿真器，相比在嵌入式控制芯片上编写代码实现控制算法的传统方法而言，非常方便快捷。文中按照前述储能逆变器的控制策略基于MATLAB/Simulink 搭建了相应的控制模型，如图5 所示。

图5 储能逆变器Simulink控制模型

储能逆变器Simulink 控制模型的仿真步长设置为100 μs，储能电池模拟器输出直流电压设置为200 V，供电电网的电压为380 V，PWM开关频率为5 kHz。

为了在100 μs的定步长仿真中生成高精度的PWM波，文中采用了带时间戳的PWM 波生成方法RTEvents，其PWM 的上升沿和下降沿事件分别带有对应事件发生时刻的时间戳信息，可以实现在定步长仿真下精确捕捉PWM 波上升沿和下降沿事件，如图6所示，从图中可见，在定步长仿真步长下，传统的Simulink 方法只能在仿真步长开始或结束的时刻捕捉PWM 的上升沿或下降沿，而对发生在仿真步长内的PWM 上升或下降沿则无法精确捕捉。相比较而言，RT-Events 由于采用了时间戳方法，其可以精确地捕捉到发生在仿真步长内的PWM 上升或下降沿事件，能够提高PWM 控制的效果。

图6 PWM波生成方式对比

将RCP 实验平台上电后，实验工况设定如下：有功功率给定值设为0.2 pu（功率基值为20 kVA，交流电网侧电压基值为380 V），无功功率给定值为0。实验结果如图7 所示，其中，第一幅图为网侧电压波形，其幅值为1 pu，第二幅图为网侧电流波形，其幅值为0.2 pu，第三幅图为直流电压波形，直流电压值为200 V，由图7可见，整个实验平台能够稳定运行，控制效果良好。

图7 网侧电压、电流、直流侧电压波形

4 结论

该文基于RT-LAB 设计搭建了储能逆变器的快速控制原型实验平台，设计了储能逆变器的控制策略，并在该RCP 平台进行了验证，取得了良好的效果。该平台能够方便快捷地对控制策略进行验证，对于设计与优化储能逆变器控制算法，提高产品性能，缩短开发周期具有重要的意义，为研发人员提供了一种可靠有效的验证手段。