储能变流器并网模式下控制策略研究

高 帅 黄日帆 王 鹏 范丽波

（1.许昌学院国际教育学院；2.华北水利水电大学电力学院；3.广西科技师范学院机械与电气工程学院）

储能变流器是储能系统的重要组成部分，对其展开研究具有重要意义。本文主要研究了储能变流器在并网模式下的控制策略，给出了储能变流器并网模式下的控制结构框图，分析了其相应的控制策略，设计了基于PI调节器的控制系统，搭建了储能变流系统并网模式下的MATLAB/Simulink仿真模型，仿真结果显示储能变流器在并网模式具有良好动态响应性，从而验证储能变流系统并网模式下相关控制策略设计的正确性和有效性。

进入二十一世纪，运用于电力设备的电力开关器件得到快速发展，电能变流技术也得到发展，比如光伏逆变器、整流器、储能变流器等。功率开关器件频率的高频化使得储能变流器的结构更加简洁、体积更小、开发成本降低。大功率变流器主要的研究方向是应用于高频率、大电流场合的多电平拓扑结构、抑制高频电磁干扰的软开关技术和高功率的变流器。随着各种控制技术的快速发展，SPWM技术（正弦脉宽调制）、SVPWM技术（空间矢量脉宽调制技术）、锁相技术等控制技术在变流器中得到广泛应用。传统的逆变器或整流器在工作时，都只能单独的工作于逆变模式或者整流模式，而在储能系统中要求储能变流器能运行在并网充放电模式，实现储能系统的充放电工作，传统的逆变器或整流器在储能系统中已不能满足当前的应用要求。

网侧电流控制策略主要有间接电流控制策略和直接电流控制策略两种，其中,间接电流控制对参数不敏感且稳定性好，其网侧电流的动态响应相对较慢，是常用的电流控制策略方法。相比于间接电流控制，直接电流控制电流响应速度快，系统的鲁棒性强，但系统对参数比较敏感，适用性并不高。冯林采用直接功率控制策略，控制系统由交流网侧电流内环、交流网侧功率外环两部分组成，其中电流内环快速响应功率内环输出指令值，功率外环用于稳定储能变流器交流侧功率，实现有功电流和无功电流的跟踪。该方法具有结构和算法简单、系统动态性能好、容易数字化实现。袁凯等人给出了一种基于外环电容储能的功率控制的方法，提出利用根轨迹和代数分析得到PI控制的相关参数。张磊通过恒流控制策略以及稳定直流母线电压控制策略对储能系统进行控制，完成电能在网侧与储能电池侧的双向流动。滞环电流控制策略将检测的实际电流信号与给定电流信号值进行比较，并将实际电流值与给定值的偏差控制在一定范围内，该控制方法电流响应速度快且系统鲁棒性好，但其电流谐波频谱随机分布，不利于网侧滤波器的设计。还有学者研究利用改进的矢量控制应用在AC/DC型变流器，以提高直流利用率和改善谐波特性。

本文主要针对并网模式下储能变流器的控制策略进行研究，建立了储能变流器的三种工作模式：恒功率控制模式、恒流充电模式和恒压充电模式，并针对不同模式设计了不同的控制策略。另外，通过搭建MATLAB仿真模型，验证储能电池恒流充电模式、由轻负载到重负载切换模式、由充电切换放电模以及放电到充电模式，为后续实验平台的搭建提供了相关理论基础。

1 储能变流器运行模式

根据储能变流器并网模式工作方式，分别给出了恒功率控制结构框图、直流恒流控制结构框图、直流恒压控制结构框图，下面进行介绍。

1.1 恒功率控制模式

恒功率控制方式结构框图如图1所示，采用功率外环、电流内环进行控制。系统恒功率控制采用基于直接电流控制，通过控制储能变流器交流侧输出的电流矢量幅值与相位，控制储能变流器有功功率和无功功率的输出。首先检测电网电压Ug，通过PLL确定电压相位θ。检测获得交流侧电流iL和交流侧电压Ua,b,c，经过Park变换转换为dq旋转坐标系下的id、iq以及Vd、Vq。经过功率控制器解耦，接着计算出储能系统的指令电流iLdref、iLqref，将功率控制转换为电流控制，之后经过SVPWM调制输出驱动脉冲控制驱动功率模块开关管，得到所需的电压以及网侧电流。

图1 恒功率控制结构图

图2 直流恒流充电控制结构图

1.2 直流恒流充电模式

当储能变流器运行在充电的第一阶段为直流恒流模式下，其控制结构图如图2所示。该模式对直流侧电流信号进行采样，之后与指令电流作差进行PI调节，经过运算得到SVPWM驱动脉冲控制IGBT开关管的通断，实现储能变流器直流恒流控制模式。

图3 直流恒压充电控制结构图

图4 同步旋转坐标系下锁相环结构图

1.3 直流恒压充电模式

储能变流器系统运行于充电模式的第二阶段为直流恒压充电模式，其控制结构图如图3所示。在直流恒压充电模式中，直流外环给定量和反馈量为直流电压信号。该模式在已经设计好的恒流充电闭环控制器的基础上，采用电压外环、电流内环的控制结构完成恒压充电控制器的设计。

2 锁相环设计

本文采用dq锁相，当系统实现锁相此时有Vq=0时，说明锁相相位和电网相位一致。基于同步旋转坐标系的锁相环结构图如图4所示。

在电网电压平衡稳定的情况下，电网电压表示如式(1)：

对三相电网电压进行Clarke变换，得到αβ静止坐标系下的电压如式(2)：

式(2)再经过Park变换，由两相αβ静止坐标系变换得到两相dq旋转坐标系下，如式(3)：

当电压矢量与d轴重合，两相dq旋转坐标的旋转角度θ与电压矢量相位ωt相等。通过调节PI控制参数使得Vq=0，此时锁相环系统处于稳定状态。当稳态相位误差比较小，有：

由此可得出系统的小信号模型，如图5所示。

图5 旋转坐标系下锁相环的小信号模型

同步dq旋转坐标系下锁相环系统的开环传递函数表示如式(5)：

系统的闭环传递函数表示如式(6)：

闭环误差传递函数表示如式(7)：

由上述开环传递函数可知，dq旋转坐标系下锁相环系统是一个Ⅱ型系统，其原点处有两个极点，该系统可以无误差的跟踪斜坡输入信号。根据系统闭环传递函数，本系统含低通滤波的特性，能够有效抑制高次谐波，其二阶传递函数转化为标准型表示如式(8)：

由上述可知同步旋转坐标系下锁相环能够实现阶跃跳变的无误差跟踪。综合考虑一个典型的二阶系统的超调量和响应速度，一般有ζ=0.707。当稳态误差为1%时，同步旋转坐标系下锁相环系统对阶跃输入相应的稳定时间表示如式(10)：

根据上述分析，可以得到基于同步旋转坐标系下锁相环系统的PI参数计算如式(11)：

当电网处于理想状态，可以设定Vm的值为311。通过设计合理PI参数，符合系统响应时间符合系统的设计要求。

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并网模式下的运行控制原理及其控制策略。整体仿真模型如图6所示。

仿真模型的相关参数如表1所示：

表1 仿真参数

并网运行模式下，储能变流器可以对电池进行并网充放电功能，充电模式下，系统的启动仿真波形图如图7所示，由图7可以看出系统经过0.01s的调节，交流电流和直流电流均达到额定值，系统响应速度快，其中网侧A相电流THD值小于2%。

图6 储能变流器仿真模型

图7 充电模式启动波形

放电模式启动仿真波形图如图8所示，系统经过0.01s的调节，交流电流与直流电流均达到额定值，其中网侧A相电流THD值小于2%。

图8 放电模式启动波形

图9为系统在并网充电模式和放电模式下交流侧A相输出电流谐波含量分析，由图可知系统并网模式下，充电模式交流侧输出电流THD为1.09%，放电模式下THD为1.27%。

图9 并网网侧A相电流谐波畸变率

下面验证系统的放电功能，观察交流侧放电模式下负载功率突增的过程，如图10所示。由图中可以看出系统负载突增过程中，系统的动态调整时间小于10ms，超调量小，由此可知系统的动态性能较好。

图10 并网模式下放电功率突增波形

图11 并网模式下充放电切换波形

图11为并网模式下系统充放电切换波形，由图可知系统在0.1s开始，系统由充电切换为放电，切换时间为10ms左右，之后系统恢复平稳运行。

图12 并网模式下放电切换充电波形

图12为并网模式下系统放电切换充电波形，由图可知系统在0.1s开始由放电模式切换为充电模式，切换时间为10ms左右，切换过程中超调量小。

结论：本文主要研究了储能变流器在并网模式下的控制策略。首先根据储能变流器并网模式工作方式，分别给出了恒功率控制结构框图、直流恒流控制结构框图、直流恒压控制结构框图，然后提出了基于同步旋转坐标的软件锁相环的设计，最后进行了储能变流器系统并网模式下的MATLAB仿真模型，通过仿真验证了系统在并网模式下运行的稳定性，相关控制策略理论分析的有效性以及相关参数设计的正确性，为后续实验样机的设计提供坚实理论基础。