微电网系统的储能双向变流器控制技术研究

微电网系统的储能双向变流器控制技术研究摘要：本文从储能双向变流器在微电网中的实际应用出发，详细介绍了储能双向变流器的工作原理、控制方案等内容，并提出了一种新型的拓扑系统结构，分别针对并网运行控制、离网运行控制，以及并离网切换等过程的控制方法和流程进行了详细解析。在此基础上，通过100kW储能双向变流器的运行试验，验证了变流器同期并网、主动离网、被动离网三个过程的运行性能。试验结构表面，采用了控制方法及控制策略的储能双向变流器能量双向流动，又满足储能系统与电网之间动态匹配以及功率调节和状态切换，各方面性能优异，在实际应用上具有理论指导意义和推广价值。关键词：储能双向变流器、清洁能源、微电网、分布式发电1、引言本文阐述了储能双向变流器是应用在储能环节，是风光储分布式发电微电网系统的核心关键设备。储能双向变流器以双向逆变为基本特点，具有削峰填谷、应急电源、无功补偿、电能质量控制等功能且适合智能电网建设的并网变流器。该设备能有效调控智能电网中的电力资源，很好地平衡昼夜及不同季节的用电差异，保障电网安全；能够在并网系统、孤岛系统和混合系统等不同的场合下应用，适用于各种需要动态储能的应用场合，电能富余时将电能存储，电能不足时将存储的电能逆变后向电网输出，同时在微网中起到主电源作用，稳定微电网中的电压和频率。双向储能变流器是储能技术运用的主要前提和实现电网互动化管理的有效手段。2、工作原理储能双向变流器主要由控制单元、直流单元、双向变流单元、连接电抗器和变压器等组成。控制单元根据能量管理系统控制指令，通过DSP产生一系列空间矢量脉冲调制信号（SVPWM），驱动双向变流单元工作，使储能系统并网时具有较高动-稳态充放电控制性能；作为微网主电源运行时，提供稳定的电压和频率；采用功率环、电压环和电流环的三环控制策略，保证P-Q控制和V-F控制两种控制方式之间的快速平滑切换。储能变流器既满足能量双向流动，又满足储能系统与电网之间动态匹配以及功率调节和能量转换。变流器主电路拓扑结构采用如下图2-1设计方案：图2-1储能双向变流器的电路拓扑图3、控制方案3.1、控制需求储能双向变流器最常见的工作方式就是分时作为直流储能单元的充电器或放电器，这两种情况下的控制目标分别为对电池阵列的充电电流、等效负载侧电压。根据分布式发电和微网建设的需要，储能变流器除具有冲放电功能，还具有对电网提供无功支撑的功能。3.2、并网功率控制系统采用双环控制，其外环为直流电压控制环，内环为交流电流控制环。电流内环作用是用于提高系统的动态性能和实现限流保护，电压外环的作用是保证直流侧电压的稳定性。直流输出电压给定信号和实际直流电压比较后的误差信号送入PI调节器，PI调节器的输出即为主电路交流输入参考电流的幅值，比较得到电流误差后，对电流误差进行PI调节，用以减缓电流在动态过程中的突变。然后再与输入电压的空间矢量进行比较控制，最后通过SVPWM调制算法，即可生成相应6路驱动脉冲控制三相整流桥IGBT的通断。储能双向变流器并网运行时，系统内分布式电源、负荷与储能系统通过公共连接点并网运行，参与外界电网能量交换工作。微电网内部有众多分布式电源采用电力电子接口，将分布式电源发出的不稳定电能转换成与电网电压/频率一致的交流电。系统并网时对电力电子接口的要求是：控制输出功率跟踪给定，一方面要求功率控制响应速度要快，另一方面要求输出的电流谐波小，满足电网的电能质量要求。同时，微电网的控制与管理与主电网差异较大，微电网在并网运行时，由于微电网内部分布式电源出力对主网的贡献微乎其微，微电网的频率由主电网锁定，运行控制主要集中于电压控制。因此微电网内分布式电源并网运行时对采用PQ控制模式，对其有功出力和无功出力进行分别控制，在实现分布式电源稳定并网运行的基础上，满足系统调度和能量优化的要求。

图3-1PWM整流器控制框图3.2、并/离网运行控制微电网从并网模式切换到离网运行模式，可以采用无缝切换和短时有缝切换两种方案。无缝切换是保证微网在两种运行模式间平稳过渡的关键技术。当检测到微网发生孤岛效应，或根据情况需要微网独立运行时，应迅速断开与公共电网的连接，转入独立运行模式。当在这两者之间转换的过程中，需要采用相应的运行控制，以保证平稳切换和过渡。无缝切换供电可靠性高，在外部电网故障时，仍可以维持微电网内负荷不断电，但对微电网控制要求较高。4、实验验证4.1、同期并网过程下图4–1为100kW储能变流器离网运行模式下带40kW负载运行，首先收到同期并网命令，开始进入同期并网控制状态，随后满足同期条件后，同期成功，可以做到无缝切换。注：图中上面三个波形为交流侧电压，下面三个波形为变流器交流侧电流。图4–2100kW储能变流器主动离网过程4.2、主动离网过程下图4–2为100kW储能变流器并网运行模式下以40kW放电运行，30kW负载由电网接入运行。首先储能双向变流器接收到主动离网命令，开始进入主动离网控制状态，可以做到主动离网无缝切换。注:图中上面三个波形为交流侧电压，下面三个波形为变流器交流侧电流。4.3、被动离网过程下图4–3为100kW储能变流器并网运行模式下以80kW放电运行，负载由光伏20kW、5kW电机、35kW电阻负载组成，初始情况下负载并接电网运行。首先在储能双向变流器自动检测到主电网故障，开始进入被动离网控制状态，切换过程电压无明显突变，可以做到主动离网无缝切换。注:图中上面蓝色波形为微电网系统交流侧A相电压，下面黄色波形为储能变流器交流侧A相电流。图4–3并网80kW被动离网带负载（光伏20kW、5kW电机、35kW电阻负载）5、结论储能双向变流器是构建微电网的必要组成部分。经试验证明，采用了上述控制技术的储能双向变流器具有较好的运行性能。在微电网并网运行模式中，储能系统保证微电网的功率自平衡；在微电网离网运行模式中，储能系统保证微电网供电可靠性，平抑系统扰动、维持系统的电压/频率稳定、维持发电/负荷动态平衡；在离网和并网模式切换过程中，是实现平滑切换的关键技术，在微电网紧急控制过程中，储能系统保证系统安全、高效、可靠的运行。参考文献[1]陶以彬,杨波,陈彬,等.并/离网双模式储能变流器的研制[J].电力电子技术,2012,46(5):47-49.[2]梁才浩,段献忠.分布式发电及其对电力系统的影响,电力系统自动化,2001,25(12):53-56.[3]王成山，肖朝霞，王守相.微网综合控制与分析[J].电力系统自动化，2008，32(7)：98—103.[4]王成山,李鹏.分布式发电、微网与智能配电网的发展与挑战[J].电力系统自动化,2010,34（2）:10-14.[5]XiaofengWang,NoelN.Schulz,ScottNeumann.CIMExtensiontoElectricalDistributionandCIMXMLfortheIEEERadialTestFee-ders[J].IEEETRANSCATIONONPOWERSYSTEMS,2003,18（3）:1021-1028.[6]刘海璇，吴福保，