摘要

隨著微網技術的飛速發展以及電力負載對電能質量要求的提高，儲能逆變電源的離網技術得到廣泛的關注。對于單機控制，同步旋轉坐標系下的PI控制將交流量轉化成直流量進行控制，實現了無靜差控制，克服了傳統PI控制的不足。對于并聯系統，使用用虛擬阻抗的方法實可將輸出等效阻抗設置為純感性（L型）、純阻性（R型）或純容性（C型），實現有功功率和無功功率的解耦，通過功率下垂控制實現各個儲能逆變電源模塊輸出功率的均衡。分析電流內環對控制性能的影響，并對比分析單電壓環控制的雙閉環控制的優缺點，給出解決系統在負載極端突變條件下電壓超調量過高的方法。提出基于純感性和純容性系統并聯下垂控制的方法。通過MATLAB仿真實驗和實際實驗平臺，對文中提出的一些結論及控制策略進行驗證，說明其有效性。

關鍵詞：儲能逆變，并聯下垂，PI控制

1引言

能源是人類社會發展的物質基礎。隨著當今世界的高速發展，人類的生活水平不斷提高，對能源的需求量越來越大。我國正處在經濟騰飛的階段，對能源的需求量也遠遠高于世界平均水平。以清潔、可再生的太陽能作為能源的光伏發電技術受到越來越多的關注，太陽能光伏發電系統作為清潔能源對于環節能源危機以及環境污染問題等方面具有重要的意義。太陽能更容易在誠實和居住區實現，應用更為廣泛。研究光儲一體化系統，對于太陽能的分布式開發利用具有重要的意義。

2基于d-q同步旋轉坐標系的數學模型

為了有利于控制器的設計，可使用坐標變換的方法，將abc坐標系變換為與電網基波角頻率逆時針同步旋轉的dq坐標系。這樣，控制量就變成了直流量，使控制器的設計得到了簡化。三相儲能逆變器在dq坐標系中的數學模型為：

                                                       (2)                                   

；                                             

其中：                                                                                     

由式（2）可以得出儲能逆變器交流側的結構框圖，如圖1所示：

圖1儲能逆變器在dq坐標系下的數學模型框圖

3控制系統設計

3.1控制系統硬件概述

控制系統組成如圖2。控制系統包括就地控制器、VF控制器、通訊管理模塊、快速通訊模塊、開入開出模塊、人機接口單元，各模塊通過CAN總線實現信息交互。

DSP軟件功能：DSP軟件運行在瑞薩192芯片上，在PD32M環境中進行代碼開發，負責控制算法（交流電流閉環、交流電壓閉環、直流電壓閉環、下垂控制）實現、軟件保護功能實現、故障錄波功能、開入開出控制、與MASTER進行通訊。

FPGA軟件功能：FPGA軟件運行在CycloneIV系列EP4CE40或EP4CE115芯片上，完成模擬信號采集，硬故障處理、IGBT故障及溫度采集、生成脈沖等功能。

MASTER軟件功能：MASTER軟件實現對多DSP的管理；規約轉換功能，完成與HMI及監控系統的通訊功能。

人機接口（HMI）功能：人機接口采用昆侖通態液晶屏及配套的組態軟件，實現裝置信息的就地顯示及裝置的就地控制。

圖2控制系統組成

3.2軟件數據流

控制系統軟件數據流如圖3。該圖說明了控制系統中各部分的數據流向。

圖3控制系統組成及軟件數據流

3.3基于d-q旋轉坐標系的控制策略分析

由于三相儲能逆變器在兩相旋轉坐標系（dq）下的控制量是直流量，使用PI控制器同樣可以做到無靜差控制。由于PI控制器控制帶寬較寬，不存在因頻率抖動引起的震蕩問題。PI控制器簡單易調，更有利于系統的穩定。

對于離網型儲能逆變系統，負載存在很大的不確定性，負載有可能會呈純阻性，有可能是容性，有可能是感性，甚至是空載。設計PI控制的參數時，必須是在負載對系統穩定性影響最大的情況下設計，使得最惡劣情況下系統仍然穩定。

圖4系統控制數學模型框圖

3.4PI環路控制策略分析

1)交流電流控制

交流電流控制策略如圖5。交流電流控制時，有功電流期望idref由由功功率期望計算得到，無功電流期望由無功功率期望計算得到。Idref與對應的反饋值id比較后的誤差經PI調節器后輸出，iqref與對應的反饋值iq比較后的誤差經過PI調節器后輸出；分別與各自的解耦補償項和電網電壓變換后的值相加得到dq坐標系下的變流器交流側電壓參考，經過2r/2s變換，再經過SVPWM模塊得到abc坐標系下的電壓參考，經過調制后產生驅動信號對變流器進行控制。PI控制如圖6。

圖5交流電流控制策略

圖6PI控制框圖

2)直流電壓控制

直流電壓控制策略如圖7。直流電壓控制時，采用電壓外環、電流內環的雙閉環控制策略。直流電壓給定Udcref和反饋電壓Udc比較后的誤差經過PI調節器得到d軸電流期望idref，iqref由無功功率期望計算得到；idref和iqref分別與各自的反饋值id和iq比較后的誤差分別經過PI調節器，輸出與各自解耦項及電網電壓變換后的值相加得到dq坐標系下的變流器交流側電壓參考，經過2r/2s變換，再經過SVPWM模塊得到abc坐標系下的電壓參考，調制后產生驅動信號對變流器進行控制。

圖7直流電壓控制框圖

3)交流電壓控制

交流電壓啟動時采用恒頻恒壓（VF）方式。控制策略如圖8。為交流電壓期望，為實際電壓有效值；恒頻恒壓控制時三相電壓獨立控制，電壓頻率和幅值需要預先設定。電壓建立速度可調。

圖8交流電壓控制策略

4)鎖相環

鎖相環控制策略如圖9所示。

圖9鎖相環控制策略

4L型和C型系統并聯的下垂控制策略

基于下垂并聯控制是各子模塊實時檢測的各自輸出功率，通過功率下垂特性

對系統電壓頻率和幅值進行反向調節，使得各個并聯模塊輸出同步，從而使各個

并聯模塊輸出功率均衡。

4.1純感性輸出阻抗（L型）的功率下垂控制

對于純感性輸出阻抗，下垂控制的數學表達式為：

(3)

(4)

分別為有功功率和無功功率下垂系數，額定電壓，額定頻率。其頻率和電壓下垂控制特性如圖10所示。

圖10純感性輸出阻抗下垂特性曲線

4.2純容性輸出阻抗（C型）下功率下垂控制

對于純容性輸出阻抗，下垂控制的數學表達式為：

(5)

(6)

分別為有功功率和無功功率下垂系數，額定電壓，額定頻率。其頻率和電壓下垂控制特性如圖11所示。

圖11容性輸出阻抗下垂特性曲線

為了實現對頻率高精度的調節本文采用PI控制器作為二次調頻的控制器，如圖12所示。

圖12有功-頻率下垂控制結構圖

4.3下垂控制器參數設計與計算

以L型輸出阻抗的下垂控制為例，如圖13，以P-f為下垂控制特性曲線為例，中為不同的下垂系數，其中當有功功率變化時，由于當無功功稍微變化時，B的頻率變化要比A的變化大，所以B的動態調節性能要比A好，但是頻率變化過大會使用電設備受到影響。因此，對于下垂系數的選取，應考慮調節速度和電壓偏移的這種。

圖13不同下垂系數的P-f下垂控制曲線

一般情況，對于功率從空載變化到滿載，下垂率設計為3%到6%，本文取下垂為4%,即負載從空載變化到滿載，頻率和幅值的變化都不超過4%。所以對于頻率取：

(6)

(7)

對于幅值取：

(8)

(9)

所以對于L型逆變器下垂系數為：

(10)

(11)

所以對于C型逆變器下垂系數為：

(12)

(13)

根據功率計算公式可得出：

(14)

(15)

5仿真及實驗結果

本文研究的三相儲能逆變器模型的結構如圖14所示：

圖14單機逆變器系統控制結構

380V三相電,負載為三相平衡負載，電路設計參數取表1的參數：

表1單機仿真電路參數和控制參數

輸出功率仿真波形如圖15所示：

圖15有功和無功功率波形圖

其中P=50kW,Q=0kW。可以看出系統啟動后在0.045秒左右輸出有功功率達到了設定值，輸出波形穩定，無超調量。系統輸出電壓電路波形如圖16所示：

圖16逆變器輸出線電壓和線電流的波形

可看出，系統輸出電壓峰值為311V，實現dq坐標系下PI控制器無靜差控制的控制性能，通過采集的輸出電壓和輸出電流計算得到輸出功率與設定功率吻合。

系統樣機試驗波形如圖17所示：

圖17P=50kW、Q=0kW的實驗波形

圖17為有功功率50kW，無功功率為0kW的實驗波形，交流電壓采集為網側電壓，交流電流采集為網側電流；直流端使用東汽自控鋰電池、交流接三相阻性負載；圖中交流電壓有效值：400V，電壓諧波：3.5%，其中3th：2.7%；電流諧波：3.7%。輸出電壓諧波均小于5%的行業標準。

L型和C型儲能逆變器并聯仿真，采用L型和C型系統進行并聯，一個下垂曲線的傾斜特性向下，一個下垂曲線的傾斜特性向上，會大大的減小輸出頻率和電壓幅值因輸出功率的變化而發生的偏移，即當輸出功率發生變化時，輸出頻率和電壓幅值會維持在額定值處。

使用一臺L型和一臺C型系統并聯的輸出有功功率和頻率的仿真波形如圖18所示：

圖18（L型和C型并聯）輸出有功功率增加時頻率的變化波形

取有功率取50kW、對應的頻率為50.9Hz，在0.3秒處切換開關使系統使負載有功功率為100kW，頻率變為50.8Hz。單個模塊輸出功率為50kW，均分了100kW的輸出功率。輸出電壓幅值隨無功功率變化的仿真波形如圖19所示：

圖19（L型和C型并聯）輸出無功功率增加時電壓幅值的變化波形

取無功率取20kW、對應的電壓幅值為為314.5V，在0.3秒處切換開關使系統使負載無功功率為40kW，電壓變為314V。單個模塊輸出無功功率為20kW，均分了40kW的輸出無功功率。

由圖18和圖19可看出，當每個有功功率有25kW變到50kW時輸出電壓頻率變化僅為0.1Hz；當無功功率由10kW變化到20kW時，輸出電壓幅值變化僅0.5V。對于輸出功率的變化，其輸出頻率和電壓幅值的偏移都很小，提高了電能質量。

5結論

隨著新能源技術的發展，儲能逆變器作為新能源技術中非常重要的環節，得到了更深入廣泛的研究。分析了雙閉環控制的動態響應,提出將純感性（L型）和純容性（C型）系統并聯并聯的下垂控制。研究分析了輸出頻率變化時輸出電壓頻率和幅值的偏移特性，降低下垂控制過程中的輸出電壓偏移，提高了電能質量。通過電路仿真和實際實驗平臺的驗證，驗證前面的理論分析。仿真平臺為MATLAB，實驗平臺為100kW儲能逆變器。根據L型和C型系統的下垂特性相反的原理，兩者并聯可互相彌補，降低下垂控制過程中引起的電壓偏移，提高了電能質量。當負載不平衡時，輸出電壓電流就會發生畸變，三相電壓電流就變得不平衡，問題還有待進一步研究。

參考文獻

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