储能逆变器的控制策略研究

储能逆变器的控制策略研究

杜学平

（青岛科技大学自动化与电子工程学院山东青岛266199）

摘要：目前我国经济发展十分快速，电力行业越来越普遍，随着分布式电源不断接入电网和微电网系统的发展，微电网对系统的运行稳定性及供电可靠性都提出了一定的要求。储能系统应运而生，储能系统可以存储过剩的电能，在发电能力较弱时再放出电能给负载供电，实现削峰填谷，完美解决新能源间歇性发电的问题。储能系统在微电网中发挥着非常重要的作用，而储能逆变器又是储能系统中的核心部分，因此储能逆变器的控制策略研究是非常有实用价值的。

关键词：储能；逆变器；控制策略；研究

1系统结构和基本原理

图1系统结构简图

以电池为介质的储能系统主要由电池及其管理系统（风能、太阳能的储能系统）和能量转换系统（ＰＣＳ）两个部分组成（如图1所示）。电池通过ＰＣＳ与电网交换能量（或离网负载），根据实际需要储存或释放能量。作为电池与大电网之间接口的ＰＣＳ，实际上是大功率的电力电子变流器，此处ＰＣＳ特指储能逆变器（储能变流器）。

常见的储能逆变器分为单级型和多级型两种主要形式。单级型储能变流器的拓扑仅由一个ＡＣ／ＤＣ环节构成，其优点是结构简单、控制方法简便，逆变器损耗低，能量转换效率高。但是存在以下缺点：1）一个AC-DC不可以充分多路输出；2）电池电压的工作范围不能灵活控制；3）电池电压固定不能灵活分配。由于以上确定我们选择两多级型，我们选择两级，增加一级隔离DC-DC的控制，该级控制可以根据功率灵活的扩展DC-DC通道的数量和输出电压的大小（如图2所示）。

1.1AC-DC部分介绍：

AC-DC部分拓扑采用三电平，其中开关频率为20K，功率器件为：初步选定英飞凌的DF100R07W1H5FP_B3的IGBT模组。此部分效率可达到98%。在大功率PWM变流装置中，常采用三点式电路，这种电路也称为中点钳位型（NeutralPointClamped）电路（如图3所示）。与两点式PWM相比，三点式PWM调制主要有以下优点，一是对于同样的基波与谐波要求而言，开关频率可以低得多，从而能够大幅度减少开关损耗；二是主功率器件断开时所承受的电压仅为直流侧电压的一半，因此这种电路应用在高电压大容量的产品上特别合适。在控制策略方面，在传统的PWM整流器双闭环控制的基础上，采用内模控制代替电流内环PI调节器，以提高系统的鲁棒性能、跟踪性能和动态响应能力。

图2两级PCS框图图3AC-DC主原理图

1.2DC-DC部分介绍：

DCDC部分拓扑采用CLLC准谐振开关技术，开关频率100K或者是更高频率，功率器件采用单管MOS并联组成（并联数量根据功率确定，具体原理框图见图4）。功率器件为：初步选定英飞凌的IRFP4668P6F。此部分效率可达到90%以上。隔离DC/DC部分采用CLLC谐振软开关技术，它应用谐振的原理，使开关器件中的电流（或电压）按照正弦或标准正弦规律变化。当电流通过零点时，使器件关断（或电压为零时，器件打开），从而减少开关损耗。它不仅可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题并且还能解决二极管反向恢复问题，对于由于硬开关引起的EMI等问题也有很好的改善。这种拓扑结构，电路结构简单，工作效率高，并在输入电压和负载变化范围很宽的情况下依旧具有良好的电压调节特性，不仅可以在原边实现开关管ZVS，还可以使副边整流管实ZCS，且原副边管子的电压应力较低。

图4DC-DC原理框图

2、几种必要的控制模式

2.1并网模式到孤岛模式：

储能逆变器并网模式到离网模式的切换分为两种主动切换和被动切换。主动切换指人为的把储能逆变器离网；被动切换指因电网故障或者电压过低等原因，储能逆变器受到不良影响，把储能逆变器切离电网ＰＷ。主动切换情况下，电网电压幅值和频率等指标正常，此时模式切换策略较为简单，只需要提供一个与电网电压相同的量作为离网模式下储能逆变器控制策略的参考值，在断开开关的同时控制方式切换为ＶＦ，电压外环给定值为电网电压幅值和频率。被动切换情况下，电网电压幅值和频率等指标可能不正常，此时的控制策略需参考离网模式到并网模式的无缝切换策略。

2.2离网控制

ＰＣＳ离网运行时，逆变器将作为主电源，目标是维持系统内部的电网电压和频率。当储能逆变器离网运行时，网侧变流器可等效为一个电压源，控制输出电压的幅值和频率，控制给定值取自系统的设定值，而输出电流由负载情况决定。当逆变器独立工作时需要使逆变器的输出电压能满足负载的电压要求，为此提出了一种基于电压电流双环控制策略，通过建立其两相同步旋转坐标系下的数学模型，利用电压外环实现对输出电压的稳定控制，内环电流实现对输出电流的控制。交流侧仍采用双闭环控制，外环为交流电压环，维持输出交流电压的稳定；内环采用交流电流环，保证系统的动态性能。在电压环中加入了逆变器输出电流作为前馈，可以提高逆变器的动态性能和抗干扰能力。该控制方式增加了一个电感电流内环控制，使得系统的带宽增大，反应速度加快，系统抗干扰能力强，调节时间短，谐波含量小，同时有效地限制负载电流，起保护作用，更具优越性。

其次，对于储能逆变器来说交流侧有功和无功的控制也是极其重要的。

结语

储能在可再生能源微网中具有重要的作用，可以作为组网电源的一部分，实现微网的组网和稳定控制，也是微电网实现与外部大电网平滑切换的重要环节。深入分析了储能逆变器在微网中并网运行、离网运行实际的控制策略，以及在两种模式平滑切换过程中的作用。储能控制器能够可靠实现微网的离网和并网运行控制，有效改善了可再生能源发电输出功率间歇性和随机性等不足，确保微网的稳定运行和供电可靠性。

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