摘要：為了提高電網(wǎng)穩(wěn)定性及安全性，緩解由傳統(tǒng)電力系統(tǒng)發(fā)電引起的資源短缺和環(huán)境問題，微電網(wǎng)系統(tǒng)因其配置靈活及便于操作等特點(diǎn)近年來得到了廣泛學(xué)者的關(guān)注和研究。其中，儲(chǔ)能逆變器是微電網(wǎng)系統(tǒng)中重要的能量轉(zhuǎn)換裝置，也是其實(shí)現(xiàn)“削峰填谷，調(diào)劑余缺”的關(guān)鍵，而儲(chǔ)能逆變器的核心關(guān)鍵技術(shù)是其內(nèi)部采用的控制策略，這將直接影響系統(tǒng)電能的質(zhì)量和對電壓電流的控制效果，本文針對儲(chǔ)能逆變器在兩種工作狀態(tài)下的工作原理及特點(diǎn)，提出兩種工作狀態(tài)下的控制結(jié)構(gòu)及控制方法。當(dāng)系統(tǒng)工作在逆變狀態(tài)下時(shí)，為簡化分析，本文采取電流單環(huán)控制結(jié)構(gòu)，控制電流使其滿足系統(tǒng)要求；當(dāng)系統(tǒng)工作在儲(chǔ)能工作狀態(tài)下時(shí)，采用電壓電流雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，本文在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下搭建系統(tǒng)及各控制器模型。仿真結(jié)果表明，采用的控制策略對負(fù)載擾動(dòng)具有良好的抗干擾能力。

1引言

    為實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展，提高可再生能源的利用率，在微網(wǎng)中總是希望能夠?qū)崿F(xiàn)太陽能光伏發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電等可再生能源的靈活接入。然而，由于可再生能源輸出的間歇性及隨機(jī)性特點(diǎn)，它們的大量接入會(huì)對系統(tǒng)的電能質(zhì)量及電網(wǎng)穩(wěn)定性等諸多方面產(chǎn)生影響。儲(chǔ)能系統(tǒng)中加入管理系統(tǒng)后，可以更為有效地促進(jìn)可再生能源的利用。為了實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的有效連接，完成對儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電過程，儲(chǔ)能逆變器應(yīng)運(yùn)而生。儲(chǔ)能逆變器管控的儲(chǔ)能系統(tǒng)既可以擔(dān)任負(fù)荷，吸收微網(wǎng)中的剩余電能，也可以作為組網(wǎng)電源給電網(wǎng)供電，在一定程度上抑制可再生能源的波動(dòng)性以及不確定性，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全平穩(wěn)可靠地運(yùn)行。根據(jù)國家對分布式發(fā)電和微電網(wǎng)建設(shè)的要求，儲(chǔ)能逆變器具有對電網(wǎng)提供有功、無功支撐，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓和頻率，同時(shí)配合多種儲(chǔ)能設(shè)備接入電網(wǎng)進(jìn)行充放電等作用。

2儲(chǔ)能逆變器工作原理及模型

2.1儲(chǔ)能逆變器的能量雙向流動(dòng)原理

    為主要說明電路的矢量關(guān)系，此處忽略電路電阻以簡化分析。圖1為儲(chǔ)能逆變器的模型電路，主要由電網(wǎng)電動(dòng)勢e，網(wǎng)側(cè)電感L，儲(chǔ)能逆變橋式電路，負(fù)載電阻RL及直流側(cè)電動(dòng)勢eL組成。其中交流側(cè)電壓和電流為v、i。直流側(cè)電壓電流為Vdc，Idc。

    當(dāng)不考慮橋式電路的開關(guān)管損耗時(shí)，由系統(tǒng)兩側(cè)功率守恒關(guān)系可得：

iv=idc Vdc            （1）

    由式（1）可以看出，我們可以通過對儲(chǔ)能逆變器直流側(cè)電流參數(shù)的控制來控制其交流側(cè)參數(shù)，也可以通過控制交流側(cè)參數(shù)改變直流量。

    假設(shè)交流側(cè)電流及電感電壓矢量分別表示為L和VL，則可得VL=ωLI，并且電流滯后電壓90°。若電網(wǎng)電動(dòng)勢矢量用E表示，儲(chǔ)能逆變器交流側(cè)的電壓用V表示，則根據(jù)基爾霍夫電壓定律，系統(tǒng)交流側(cè)的電壓關(guān)系可以表示成E=V+VL=V+ωLI，其模值大小關(guān)系為 。假設(shè) | I | 不變，則 | VL | =ωL| I |也不變。假設(shè)電網(wǎng)電動(dòng)勢E為定值，則系統(tǒng)電壓矢量V在空間的運(yùn)動(dòng)軌跡為圓形，并且半徑值 | VL | 為。為直觀表示其關(guān)系，圖2繪制出V的端點(diǎn)在以下A、B、C、D四個(gè)工作點(diǎn)的關(guān)系圖。

    具體運(yùn)行情情況及分析如下：

    （1）當(dāng)電壓矢量端點(diǎn)在A~B點(diǎn)之間時(shí)，儲(chǔ)能逆變器工作在儲(chǔ)能狀態(tài)，電網(wǎng)向系統(tǒng)輸送有功及感性無功功率。當(dāng)在A點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)只輸送感性無功功率。

    （2）當(dāng)電壓矢量端點(diǎn)在B~C點(diǎn)之間時(shí)，儲(chǔ)能逆變器工作在儲(chǔ)能狀態(tài)，電網(wǎng)向系統(tǒng)輸送有功及容性無功功率。當(dāng)在B點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)只輸送有功功率。

    （3）當(dāng)電壓矢量端點(diǎn)在C~D點(diǎn)之間時(shí)，儲(chǔ)能逆變器工作在逆變狀態(tài)，系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送有功及容性無功功率。當(dāng)在C點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，只向電網(wǎng)輸送容性無功功率。

    （4）當(dāng)電壓矢量端點(diǎn)在D~A點(diǎn)之間時(shí)，儲(chǔ)能逆變器工作在逆變狀態(tài)，系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送有功及感性無功功率。當(dāng)在D點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，向電網(wǎng)輸送有功功率。根據(jù)以上分析，我們可以通過控制網(wǎng)側(cè)電流來實(shí)現(xiàn)對儲(chǔ)能逆變器工作在任意狀態(tài)的控制。在三相儲(chǔ)能逆變器的控制中，我們希望系統(tǒng)能夠工作在B點(diǎn)和D點(diǎn)，電網(wǎng)和儲(chǔ)能逆變系統(tǒng)之間只傳輸有功功率，即在儲(chǔ)能工作狀態(tài)下，網(wǎng)側(cè)電壓矢量與電流矢量方向相同，在逆變工作狀態(tài)下，網(wǎng)側(cè)電壓矢量與電流矢量方向相反。

2.2儲(chǔ)能逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    電壓型儲(chǔ)能逆變器并聯(lián)的大電容能夠較好地抑制直流電壓的波動(dòng)，因此本文采用圖3所示的電壓型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.2.1主回路結(jié)構(gòu)

    單級式主回路拓?fù)淙鐖D4所示，儲(chǔ)能介質(zhì)通過一級DC/AC變換環(huán)節(jié)及隔離變壓器接入電網(wǎng)；為實(shí)現(xiàn)低端口電壓及寬電壓范圍儲(chǔ)能介質(zhì)的接入和最大利用率。

    為便于大規(guī)模儲(chǔ)能元件的分散接入，采用多分支設(shè)計(jì)。其中單級式為多組獨(dú)立的DC/AC支路，在網(wǎng)側(cè)并聯(lián)通過隔離變壓器接入電網(wǎng)；

    應(yīng)用多分支變流器時(shí)，儲(chǔ)能單元可以分組接入，變流器將分別監(jiān)測和控制每組儲(chǔ)能介質(zhì)狀態(tài)，根據(jù)管理系統(tǒng)或預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)對每支路進(jìn)行分別控制，有效提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)可靠性，避免大規(guī)模電池組并聯(lián)所導(dǎo)致的環(huán)流及容量不均衡，可以有效提高儲(chǔ)能介質(zhì)利用率和壽命。

    主回路結(jié)構(gòu)如圖5。電池組輸入經(jīng)過直流EMC濾波器和開關(guān)，接入PCS直流母線，經(jīng)三相橋式變換器，將直流電壓變換為高頻三相斬波電壓，通過LCL濾波器變成正弦交流電，再通過交流開關(guān)、交流EMC濾波器和交流斷路器后，送入內(nèi)部交流母線。

3儲(chǔ)能逆變器控制結(jié)構(gòu)及PI控制策略

    儲(chǔ)能逆變器的主要作用是完成三相電網(wǎng)與直流儲(chǔ)能裝置之間的能量流動(dòng)與轉(zhuǎn)換，一般工作于逆變和儲(chǔ)能兩種狀態(tài)。在這兩種工作狀態(tài)下，我們主要是針對網(wǎng)側(cè)電流以及直流電壓進(jìn)行控制。

3.1逆變狀態(tài)下的單環(huán)控制結(jié)構(gòu)

    根據(jù)儲(chǔ)能逆變器在逆變工作狀態(tài)下的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及此狀態(tài)下的控制目標(biāo)，我們考慮直流側(cè)電壓是穩(wěn)定的，因此只需要對系統(tǒng)電流進(jìn)行控制。由于電網(wǎng)電流和電壓為三相正弦交流量，為方便控制，我們選擇在d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)和分析工作。通常采用圖6所示的單環(huán)控制結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的單位功率控制要求，需要令q軸無功功率參考電流，并根據(jù)要求設(shè)定d軸有功功率的參考電流。電流控制器根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際d、q軸電流值與參考電流值的偏差來產(chǎn)生對儲(chǔ)能逆變橋式電路的開關(guān)信號(hào)，最后使得系統(tǒng)電流達(dá)到設(shè)定值。

3.2儲(chǔ)能狀態(tài)下的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)

    系統(tǒng)工作在儲(chǔ)能狀態(tài)下需要在滿足電流要求的同時(shí)，使直流側(cè)輸出電壓也保持穩(wěn)定。因此我們采用電壓電流雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，控制框圖如圖7所示。其中，電壓外環(huán)控制器實(shí)現(xiàn)對直流電壓的快速無穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤，同時(shí)產(chǎn)生d軸參考電流；電流內(nèi)環(huán)控制器實(shí)現(xiàn)對d、q軸電流的跟蹤調(diào)節(jié)，最終達(dá)到控制系統(tǒng)的要求。

3.3PI控制策略

    PI控制由于其算法簡單，控制器參數(shù)容易整定的特點(diǎn)，成為了目前儲(chǔ)能逆變控制系統(tǒng)中被廣泛采用的控制方案。對于儲(chǔ)能逆變系統(tǒng)，當(dāng)其工作在逆變狀態(tài)時(shí)，圖6中電流環(huán)控制器采用PI控制策略；當(dāng)其工作在儲(chǔ)能狀態(tài)時(shí)，圖7中電壓電流控制器均采用PI控制策略，此時(shí)我們稱之為雙環(huán)PI控制。

3.3.1儲(chǔ)能逆變狀態(tài)下控制方程

    系統(tǒng)工作在逆變狀態(tài)下網(wǎng)側(cè)控制電壓，可以得到系統(tǒng)方程為：

    當(dāng)系統(tǒng)工作在儲(chǔ)能狀態(tài)時(shí)，對電流控制分析與上述逆變狀態(tài)下的過程相同，此處不再重復(fù)。其中Ud，Uq，控制方程如下。

    系統(tǒng)工作在儲(chǔ)能狀態(tài)時(shí)，為使其電壓保持穩(wěn)定，采用圖7所示的電壓電流雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)。直流側(cè)電壓經(jīng)外環(huán)PI控制器調(diào)節(jié)后為d軸產(chǎn)生參考值i*d，控制器比例調(diào)節(jié)增益與積分增益分別為Kup，Kui設(shè)q軸參考電流i*d為0，則其控制方程如下：

    結(jié)合式（5）、（6），儲(chǔ)能狀態(tài)下PI電壓電流雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

3.3.2PI控制器參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）電流內(nèi)環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)

    由于d軸和q軸的控制對象相同，因此其控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)也相同。d軸電流其閉環(huán)框圖如10所示。若要求系統(tǒng)具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，可以得到電流環(huán)控制器參數(shù)為：

（2）電壓外環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)

    對于三相逆變系統(tǒng)，當(dāng)采用SVPWM調(diào)制時(shí)，其直流側(cè)電流idc可表示為：

4控制仿真

4.1逆變狀態(tài)下PI單環(huán)控制仿真

    逆變狀態(tài)下的控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如表1所示。系統(tǒng)在逆變工作狀態(tài)下仿真圖如圖12所示。仿真后結(jié)果如圖13，圖14所示。

    系統(tǒng)d軸及q軸電流可以較快無誤差地收斂到設(shè)定值，具有較好的控制效果。

4.2儲(chǔ)能狀態(tài)下PI雙環(huán)控制仿真

    系統(tǒng)在儲(chǔ)能狀態(tài)下的控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表2所示。儲(chǔ)能狀態(tài)下的系統(tǒng)主電路模型和PI雙環(huán)控制器模型如圖15所示。

    系統(tǒng)直流端的電壓波如圖16所示。

5結(jié)論

    能源及環(huán)境問題引起人們對微電網(wǎng)的研究，從而推動(dòng)了儲(chǔ)能逆變系統(tǒng)的發(fā)展，使得儲(chǔ)能逆變器近年來得到了廣泛學(xué)者的關(guān)注和研究。本課題從儲(chǔ)能逆變器在逆變及儲(chǔ)能兩種工作狀態(tài)下需要滿足的綜合控制目標(biāo)及實(shí)際問題考慮，對其內(nèi)部電流及電壓環(huán)控制器的控制策略進(jìn)行研究。建立了儲(chǔ)能逆變器在儲(chǔ)能和逆變兩種工作狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中采用的SVPWM調(diào)制算法。根據(jù)儲(chǔ)能逆變器的控制目標(biāo)確立了系統(tǒng)在逆變和儲(chǔ)能兩種工作狀態(tài)下的控制器結(jié)構(gòu)。分析了PI控制的方法及原理，完成控制方程的建立以及控制參數(shù)的整定工作。在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下完成了PI控制在兩種工作狀態(tài)下的仿真驗(yàn)證。