一種雙向儲(chǔ)能變流器并網(wǎng)控制策略研究

盧勝利，鞠文耀，賈中璐

(南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京210039)

　　摘要：介紹了一種雙向儲(chǔ)能變流器(PCS)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。針對(duì)變流器并網(wǎng)電流諧波問題，提出一種基于復(fù)合控制技術(shù)的電流諧波抑制策略。由于受到電網(wǎng)諧波及調(diào)制的影響，雙向儲(chǔ)能變流器的并網(wǎng)電流中含有一定諧波，降低了裝置輸出電能質(zhì)量。采用結(jié)合比例積分(PI)和重復(fù)控制的復(fù)合控制策略，能有效抑制雙向PCS并網(wǎng)電流的諧波含量，并保證了系統(tǒng)雙向控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。在此基礎(chǔ)上，研制了一臺(tái)100kW雙向PCS樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提變流器并網(wǎng)控制方法的有效性和可行性。

　　1引言

　　大容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有消峰填谷、平抑新能源發(fā)電出力波動(dòng)、提供應(yīng)急電源等功能。是智能電網(wǎng)建設(shè)和微網(wǎng)運(yùn)行的重要發(fā)展方向。雙向PCS是實(shí)現(xiàn)直流儲(chǔ)能電池與交流電網(wǎng)之間雙向能量傳遞的關(guān)鍵設(shè)備，其控制性能決定著整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性、控制精度和輸出電能質(zhì)量等重要指標(biāo)。但受電網(wǎng)電壓擾動(dòng)及調(diào)制等因素影響，PCS并網(wǎng)電流中會(huì)含有大量諧波.導(dǎo)致系統(tǒng)諧波含量指標(biāo)欠佳。此處對(duì)PCS中雙向并網(wǎng)電流諧波抑制問題進(jìn)行研究。給出采用PI控制和重復(fù)控制并聯(lián)的復(fù)合控制算法。使系統(tǒng)的雙向控制精度和輸出電能質(zhì)量都得到較大提高。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性。

　　2主電路與建模

　　2.1主電路拓?fù)?/p>

　　圖1示出一種雙級(jí)式PCS主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　前級(jí)為DC／DC直流變換器.采用半橋式雙向Buck—Boost電路將電池電壓升壓至直流母線電壓。根據(jù)直流側(cè)電流／功率指令的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)直流功率的雙向傳遞；后級(jí)為DC／AC逆變整流器。采用三相全橋電路和LCL濾波器將直流母線電壓逆變?yōu)槿嘟涣麟娋W(wǎng)電壓，其中濾波電感可設(shè)計(jì)為隔離變壓器漏感，以減小裝置體積。由于LCL濾波器在諧振頻率以上以60dB／dec斜率衰減，故可很好地抑制并網(wǎng)電流中的高頻諧波。后級(jí)變流器采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式。電壓外環(huán)控制器通過穩(wěn)定直流母線電壓產(chǎn)生參考電流信號(hào).再通過電流內(nèi)環(huán)控制器實(shí)現(xiàn)交流側(cè)有功和無功調(diào)節(jié)。以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能并實(shí)現(xiàn)限流保護(hù)。前級(jí)變換器負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)PCS直流側(cè)充放電電流。僅通過直流母線與后級(jí)并網(wǎng)變流器相連。為減小直流電流紋波，前級(jí)DC／DC變換器可采用多重化載波移相方法進(jìn)行多組并聯(lián)。由于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)下前級(jí)變換器對(duì)PCS并網(wǎng)電流波形質(zhì)量的影響較小，故此處不對(duì)DC／DC控制作詳細(xì)分析。

　　2.2并網(wǎng)變流器分析

　　當(dāng)Q=1時(shí)，系統(tǒng)開環(huán)增益為無窮大，容易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定.所以通常Q取小于1但接近于1的一個(gè)常數(shù)。使控制器對(duì)周期性重復(fù)的擾動(dòng)信號(hào)具有較高增益；補(bǔ)償環(huán)節(jié)Js(z)用來校正控制對(duì)象的幅頻特性，使其在中低頻段的增益近似為零，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，一般選擇串聯(lián)校正環(huán)節(jié)和二階低通濾波器組合；k為相位超前環(huán)節(jié)，用來補(bǔ)償改造后控制對(duì)象在中低頻段的相位滯后；K為重復(fù)控制器增益，K越小，系統(tǒng)穩(wěn)定性越好，但其收斂速度變慢且穩(wěn)態(tài)誤差增大，一般在保持系統(tǒng)穩(wěn)定性前提下，Kr應(yīng)盡可能接近1。

　　由于存在周期性延遲環(huán)節(jié)，重復(fù)控制的控制作用要滯后一個(gè)周期才產(chǎn)生，當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)大擾動(dòng)時(shí)，重復(fù)控制器輸出不能立即變化，導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

　　3.2復(fù)合控制設(shè)計(jì)

　　并網(wǎng)變流器最常用的控制方法是基于電網(wǎng)電壓定向的PI控制。但由于實(shí)際電網(wǎng)電壓中含有豐富的諧波成分，尤其以工頻諧波為主。而基于LCL濾波器的變流器系統(tǒng)在這個(gè)頻率范圍內(nèi)的開環(huán)增益較低，因此PI控制在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下無法提供足夠的低次諧波抑制能力。

　　根據(jù)PI控制和重復(fù)控制各自的優(yōu)缺點(diǎn)。這里設(shè)計(jì)采用PI控制和重復(fù)控制并聯(lián)的電流環(huán)復(fù)合控制器來對(duì)PCS并網(wǎng)側(cè)諧波電流進(jìn)行抑制。圖3示出復(fù)合控制框圖。

　　復(fù)合控制器結(jié)合了PI控制器動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和重復(fù)控制器穩(wěn)態(tài)精度高的優(yōu)點(diǎn)。在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)跟蹤誤差小，主要由重復(fù)控制器根據(jù)歷史誤差累加調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出：當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)突變，重復(fù)控制器由于周期性延時(shí)不產(chǎn)生作用，但PI控制器立即作用使跟蹤誤差迅速減小，一個(gè)周期后重復(fù)控制器產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。隨著跟蹤誤差減小，PI控制作用逐漸減弱，直至系統(tǒng)重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)。因此，復(fù)合控制器在具有較好動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的諧波抑制能力。由圖3可得PCS并網(wǎng)輸出電流與參考電流的閉環(huán)傳遞函數(shù)表達(dá)式為：

　　5結(jié)論

　　分析了雙向儲(chǔ)能變流器的主電路和數(shù)學(xué)模型.針對(duì)由于電網(wǎng)擾動(dòng)及調(diào)制等原因引起并網(wǎng)電流的諧波問題，設(shè)計(jì)了采用比例積分和重復(fù)控制并聯(lián)的復(fù)合控制器，在理論分析基礎(chǔ)上，研制了一臺(tái)100kW雙向儲(chǔ)能變流器樣機(jī).并對(duì)比分析了傳統(tǒng)比例積分控制與復(fù)合控制下樣機(jī)并網(wǎng)電流實(shí)測(cè)波形.實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提控制方法能有效抑制雙向儲(chǔ)能變流器并網(wǎng)電流諧波，能滿足雙向控制要求，具有較高實(shí)用價(jià)值。