智能一體化電站變流裝置逆變控制策略

解大， 賈玉健， 顧羽潔， 艾芊， 金之儉， 顧潔

(上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海200240)

0 引言

電動汽車以其污染小、噪聲低、能源效率高和能源來源多元化等優(yōu)點備受青睞，成為現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展的方向之一［1-4］。目前，電動汽車在許多重要技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)取得了突破性的進展，接近實用化階段。然而其大規(guī)模商業(yè)化推廣仍面臨技術(shù)、經(jīng)濟等方面的諸多瓶頸。

電源(儲能)技術(shù)是長期以來制約電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素［5］?，F(xiàn)有電池的能量密度仍然較低、電池組成本高昂，以鋰離子電池為例，2009年美國的電池成本為每千瓦時1000美元［6］，2010年國內(nèi)電池成本約為每千瓦時6000人民幣［7］。業(yè)內(nèi)普遍樂觀認為鋰離子電池成本在5年內(nèi)有望降低50%，但是對于用戶而言購置和維護電池組的成本仍然難以接受。

興建和升級配套的能源供給設(shè)施是制約電動汽車推廣的另外一個關(guān)鍵因素?，F(xiàn)有科技條件下，同等效能的充電站占用的面積相當于加油站面積的5倍，數(shù)量眾多的充電站還不可避免地涉及電網(wǎng)峰谷差、諧波治理等問題［3，8］，所以電動汽車一旦得到大規(guī)模推廣應(yīng)用，必將對電力系統(tǒng)提出更高的要求，尤其是僅針對工業(yè)和民用用途的現(xiàn)有城市配電網(wǎng)絡(luò)需要進行新一輪大規(guī)模改造。

文獻［9］探討了電動汽車的充電方式和運營模式，文獻［10］介紹了國內(nèi)外充電設(shè)施的發(fā)展現(xiàn)狀。目前國內(nèi)外已經(jīng)建成的電動汽車充電設(shè)施主要為充電樁、充電站或更換站，而建設(shè)單一的充電站、更換站受到土地資源稀缺、電池成本高、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重復、電網(wǎng)運行要求高等因素的制約，應(yīng)用推廣面臨較多困難。

“智能充放儲一體化”電站將電動汽車充放電、更換站與電池儲能電站功能融合進行設(shè)計和研究，是一種良好的電動汽車能源供給設(shè)施解決方案。本文簡述一體化站的結(jié)構(gòu)、功能，就其關(guān)鍵的多用途變流裝置展開深入研究，對變流裝置放電控制策略進行詳細的介紹，并在PSCAD中對拓撲結(jié)構(gòu)和控制算法進行仿真。

1 電動汽車智能充放儲一體化站的設(shè)計方案

充放儲一體化站能夠分別實現(xiàn)充電站、更換站、儲能站的功能，滿足電動汽車能源供給，提高電池利用效率，并且能夠?qū)δ茈姵匾约肮β?、能量進行優(yōu)化控制，與電網(wǎng)負荷進行協(xié)調(diào)與互動，為電網(wǎng)提供增值服務(wù)，從而實現(xiàn)多方共贏。

充放儲一體化站結(jié)構(gòu)如圖1所示。充放儲一體化站主要由4部分構(gòu)成，分別是調(diào)度中心、多用途變流裝置、電池充換系統(tǒng)、梯次電池利用系統(tǒng)。一體化站分別與電動汽車和電網(wǎng)進行能量與信息的交換，實現(xiàn)其功能。

1)調(diào)度中心

調(diào)度中心是充放儲一體化電站的信息處理、監(jiān)視和控制的中心機構(gòu)。它根據(jù)和預計的變化進行判斷、決策和指揮。調(diào)度中心與汽車、電站、電網(wǎng)并無能量上的流動，而只有信息交換。它需要采集當前車輛運行信息，電網(wǎng)調(diào)度信息和一體化站運行狀況等當前信息和預計變化，做出決策后對一體化站進行控制。

2)多用途變流裝置

多用途變流裝置是連接電網(wǎng)和一體化站的能量通道，它通過數(shù)組整流/逆變電路與直流變換電路實現(xiàn)電網(wǎng)交流電與站內(nèi)直流電之間的相互轉(zhuǎn)換。

3)電池充換系統(tǒng)

電池更換系統(tǒng)是一體化站對電動汽車用戶的服務(wù)窗口。它可以實現(xiàn)對電動汽車的常規(guī)充電、快速充電、更換電池組充電等多種能量供給方式。

4)梯次電池利用系統(tǒng)

梯次電池利用系統(tǒng)是退役電池的再利用場所。它可以開發(fā)電池的剩余使用價值，為一體化站和電網(wǎng)提供負荷調(diào)整、備用、無功支持等輔助服務(wù)。

圖1 充放儲一體化站總體結(jié)構(gòu)Fig.1 General layout of integrative station

2 多用途變流裝置結(jié)構(gòu)與工況

多用途變流裝置是連接電網(wǎng)和一體化站的能量通道，也是一體化站內(nèi)子系統(tǒng)間配合連接的橋梁。充放儲一體化站的多用途變流裝置不僅要分別實現(xiàn)電網(wǎng)到充換系統(tǒng)和梯次系統(tǒng)的相互獨立的能量流動，還要實現(xiàn)梯次系統(tǒng)與充換系統(tǒng)的能量的單向流動。經(jīng)過反復的仿真和論證，采用圖2所示的多用途變流裝置設(shè)計方案。

本方案采用兩組多套并聯(lián)的PWM變換器作為DC/AC變流器，之后經(jīng)過一系列串聯(lián)的 Buck-Boost產(chǎn)生合適的充電電壓接入電池更換系統(tǒng)和梯次利用系統(tǒng)。電池更換系統(tǒng)中的充電電壓要低于梯次電池利用系統(tǒng)中的充電電壓，使得梯次電池利用系統(tǒng)在必要的時候能量向電池更換系統(tǒng)單向傳輸，而不會反向流動，兩者之間通過Boost電路相連。

圖2 多用途變流裝置設(shè)計方案Fig.2 Design proposal for muliti-purpose converter system

根據(jù)電網(wǎng)、車輛調(diào)度需要，一體化站要考慮車輛、電網(wǎng)、電池、充放電效率等多個目標之間的相互協(xié)調(diào)。多目標之間有層次之分，如正常情況以保證車輛運行為主，儲能調(diào)節(jié)為輔，而在電網(wǎng)緊急情況下則以支撐電網(wǎng)為主，只保留最小的供車輛用的電池配置。其不同情況下的運行狀態(tài)有4種:

1)充電狀態(tài)

在這種狀態(tài)下，兩組PWM變換器均工作在整流狀態(tài)，Boost電路斷開。能量從交流電網(wǎng)經(jīng)PWM1和PWM2分別流入電池更換系統(tǒng)和梯次電池利用系統(tǒng)，站內(nèi)的標準電池和梯次電池獲得合適的充電電壓和電流，得以高效充電。

2)換電狀態(tài)

此時，PWM1、2均不工作，Boost電路工作。能量從梯次電池利用系統(tǒng)流向電池更換系統(tǒng)。電池更換系統(tǒng)中的能量除留有小部分備用外，其余全部用來滿足車輛換取需求

3)半放電狀態(tài)

PWM1不工作，PWM2工作在逆變狀態(tài)，Boost電路斷開。電池更換系統(tǒng)中的能量除留有小部分備用外，其余全部用來滿足車輛換取需求。而梯次電池利用系統(tǒng)則工作在放電狀態(tài)，能量通過PWM2流入電網(wǎng)支持電網(wǎng)負荷高峰。

4)放電狀態(tài)

當電網(wǎng)發(fā)生緊急情況時，一體化站的首要目標應(yīng)是支撐電網(wǎng)盡快恢復運行。為此，除電池更換系統(tǒng)中保留極少數(shù)能量供短期換電需求外，站內(nèi)所有電池進行大電流放電向電網(wǎng)提供功率。此時，PWM1、2均工作在逆變狀態(tài)，Boost電路斷開，Vch和Vtc為適合各自電池組高效放電的電壓。另外，當站內(nèi)儲能富余，而電網(wǎng)負荷緊張時，一體化站也可在高峰時放電運行，發(fā)揮削峰作用。

當充放儲一體化電站日常運行時，它根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度和車輛調(diào)度的信息，不斷調(diào)整自己的運行狀態(tài)，通過不同的組合，使電池更換系統(tǒng)和梯次電池利用系統(tǒng)相互配合、支持，充分發(fā)揮儲能電池的使用價值，實現(xiàn)經(jīng)濟利益和輔助服務(wù)效益。

3 放電工況的控制策略

變流裝置處于放電工況時，多臺三相變流器工作逆變并聯(lián)狀態(tài)?？傮w來講，逆變器并聯(lián)系統(tǒng)必須具備如下特征［11］:各模塊輸出電壓的幅值、頻率和相位分別對應(yīng)相同;模塊之間的負載電流均分;可靈活地增減并聯(lián)模塊的數(shù)目;各模塊的熱插拔。充放儲一體化站無論是充電站還是儲能站都是由多個變流器并聯(lián)運行，可以擴充系統(tǒng)容量或提高系統(tǒng)冗余度。具體到本模型中，討論兩臺變流器并聯(lián)的控制方法。

3.1 并聯(lián)系統(tǒng)的工作原理及環(huán)流特性

逆變交流系統(tǒng)的并聯(lián)要比直流的并聯(lián)運行復雜得多，要求各個逆變電源模塊輸出電壓的幅值、頻率和相位一致，達到并聯(lián)系統(tǒng)最理想狀態(tài)。但是，在系統(tǒng)中，由于硬件的差異和負載的變化等原因，各逆變器輸出電壓的瞬時值往往不能完全相等。這樣，就會存在一定的電壓差異，從而引起逆變器之間電流不能均分，產(chǎn)生環(huán)流。環(huán)流對于各逆變器的功率器件和輸出濾波器都有破壞作用。因而，在逆變器并聯(lián)運行系統(tǒng)中，必須對逆變器的輸出電壓進行控制，以消除逆變器之間的環(huán)流，實現(xiàn)均流。

下面就兩個逆變器并聯(lián)運行進行分析，其并聯(lián)模型如圖3所示。IH表示電流環(huán)流。圖3中，U1=U1∠φ1，U2=U2∠φ2，U=U∠0°，X1、X2為線路阻抗，在一般的并聯(lián)控制方法中，都近似認為逆變系統(tǒng)各組成部分參數(shù)相差不大，所以取:X1=X2=X。

圖3 并聯(lián)系統(tǒng)逆變等效模型圖Fig.3 Equivalent model for inverter parallel system

逆變器1的輸出電流為

逆變器2的輸出電流為

環(huán)流為

將I0=I1+I2代入式(1)和式(2)得

由式(4)和式(5)可以得到輸出電流包含負載電流分量和環(huán)流分量。負載電流分量總是均分的，但環(huán)流分量的存在是兩個逆變電源輸出的電流不同，因而可知環(huán)流可以用來表征逆變系統(tǒng)的電流均分度。由式(3)可知，當U1和U2相位相同而幅值不相等時，輸出電壓高的逆變模塊其環(huán)流分量是感性的，輸出電壓低的模塊其環(huán)流分量是容性的;當U1和U2幅值相等而相位不同時，相位超前的逆變模塊其環(huán)流分量為正的有功分量，相位滯后的環(huán)流分量為負的有功分量;當U1和U2相位、幅值都不相同時，環(huán)流分量中既有有功分量，又有無功分量。環(huán)流的相位及幅值由ΔU和逆變器等效輸出阻抗決定，與公共負載大小無關(guān)。環(huán)流的大小和相位形成了各逆變模塊之間的功率差異，承擔較大輸出功率的逆變器有可能因輸出功率超過額定功率而燒毀，或加速老化，從而縮短整個并聯(lián)系統(tǒng)的使用壽命，這樣就起不到并聯(lián)冗余、提高可靠性的功能了。因而，必須對環(huán)流加以控制。

3.2 逆變并聯(lián)系統(tǒng)的功率特性分析

由上文可知，有功功率和無功功率的分配不均是由環(huán)流引起的。所以實現(xiàn)有功功率和無功功率的自動均分，就是抑制環(huán)流。因而必須采取并聯(lián)控制技術(shù)實現(xiàn)有功功率和無功功率的自動均分，使輸出電壓的相位和幅值保持一致，從而確保逆變并聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

為了研究功率均分的三相逆變器并聯(lián)控制方法，我們首先需要分析逆變并聯(lián)系統(tǒng)的功率特性。分析基于圖3并聯(lián)系統(tǒng)逆變等效模型圖。

逆變器1的復功率為

輸出電流為

將式(6)帶入式(7)，可得到

由此可得到逆變器1輸出有功功率和無功功率為

逆變器的輸出電壓U1與電壓U0之間相位差很小，所以 sinφ1=φ1，cosφ1=1。令 U1=k1U0，則有功功率和無功功率為

由式(10)和式(11)可知，逆變模塊輸出的有功功率主要取決于功率角，而輸出的無功功率主要取決于輸出電壓幅值U1和U2，因此，可以用改變逆變器輸出電壓幅值來控制無功功率，改變相位差來控制有功功率。環(huán)流中的有功環(huán)流和無功環(huán)流都將得到抑制和消除。

3.3 基于功率均分的三相變流器的逆變運行控制

通過前文對逆變并聯(lián)系統(tǒng)功率特性的分析，本文將采用基于有功和無功功率均分的方法來實現(xiàn)三相逆變系統(tǒng)的并聯(lián)運行。

逆變模塊并聯(lián)控制系統(tǒng)工作時，先對該模塊的電壓、電流有效值、有功功率和無功功率進行瞬時采樣，然后計算出所有并聯(lián)逆變模塊的有功功率均值和無功功率均值。同時各逆變模塊各自發(fā)出一個50 Hz的工頻頻率信號，發(fā)送到同步母線上進行綜合，綜合后的信號即位同步基準頻率信號fr。各并聯(lián)模塊的有功功率和并聯(lián)模塊的有功功率均值的誤差信號經(jīng)過PI控制，PI調(diào)節(jié)器的輸出值與同步基準頻率fr相加，用以調(diào)整本模塊的頻率，也調(diào)整了本模塊電壓的相位。這樣就可以實現(xiàn)所有并聯(lián)逆變模塊輸出的有功功率相等。

同樣的，本模塊的無功功率與所有并聯(lián)模塊的無功功率均值的誤差信號，也經(jīng)過PI環(huán)節(jié)，并與基準電壓Ur相加，確定本模塊的電壓幅值，從而實現(xiàn)所有并聯(lián)逆變模塊輸出的無功功率相等。當兩個PI控制器輸出為0時，則完全由基準頻率fr和基準電壓Ur確定本模塊的輸出頻率和電壓幅值。系統(tǒng)并聯(lián)控制框圖如圖4所示。圖4中，P1、PN、Q1、QN為其他模塊的有功功率和無功功率，Pk、Qk為第K個模塊的有功功率和無功功率。

圖4 基于功率均分的三相變流器的逆變并聯(lián)運行控制框圖Fig.4 Operation control block diagram of converter in parallel based on power sharing

通過并聯(lián)控制可得到參考頻率fref和電壓幅值Uref，由此可以得到變流器并網(wǎng)參考電壓uref，與并網(wǎng)電壓反饋值uf相比較，獲得電壓誤差信號，經(jīng)過處理后得到電流的參考電流iref，然后與反饋電流if相比較，獲得電流誤差信號，把電流誤差信號處理之后可得到調(diào)制波信號，與三角波相比，獲得功率器件的驅(qū)動信號SPWM波。控制框圖如圖5所示。

圖5 變流器并聯(lián)系統(tǒng)控制框圖Fig.5 Control block diagram of converter in parallel

4 仿真結(jié)果

運用PSCAD對兩臺變流器組成的并聯(lián)系統(tǒng)進行仿真。直流側(cè)電壓為600 V，交流側(cè)輸出線電壓為380 V，頻率為50 Hz。采用上述控制策略，圖6是并聯(lián)后兩臺逆變器輸出電壓波形和環(huán)流波形。從圖中可以看出，環(huán)流基本為0，采用功率均分并聯(lián)控制方案可以很好地消除兩臺逆變器之間的環(huán)流，不影響逆變系統(tǒng)的并聯(lián)運行。

圖6 并聯(lián)后兩臺逆變器輸出電壓波形和環(huán)流波形Fig.6 Output voltage and circular current of two inverters in parallel

圖7是兩臺逆變器的輸出電流波形圖。從圖7中可以看出兩臺逆變器輸出的電流幅值、相位基本相同，基本達到均分負載的目的。需要說明的是，由于仿真時逆變器網(wǎng)側(cè)沒有經(jīng)過RLC濾波器，而是直接與電網(wǎng)相連，采用電流滯環(huán)控制策略，電流波形會有一定含量的諧波成分，可通過添加濾波器環(huán)節(jié)予以消除。

圖7 兩臺逆變器的輸出電流波形圖Fig.7 Output current of two inverters in parallel

圖8和圖9是t=0.2 s時，第二臺變流器加入并聯(lián)系統(tǒng)，兩臺變流器各自注入電網(wǎng)的有功功率和無功功率圖和總的注入電流的波形變化圖。

圖8 第二臺加入并聯(lián)系統(tǒng)中兩臺變流器輸出的有功功率和無功功率圖Fig.8 The output of active power and reactive power with the second converter added in the parallel system

圖9 第二臺變流器加入后并聯(lián)系統(tǒng)注入電網(wǎng)的電流波形圖Fig.9 The output current curve of the system with the second converter added in

由圖9可知，t=0.2 s時，加入第二臺變流器，系統(tǒng)能夠很快地調(diào)整使兩臺變流器輸出相同的有功和無功功率，避免因為輸出功率不均引起環(huán)流。同時電網(wǎng)側(cè)電流幅值比原先迅速增長一倍，相位和頻率不變。由此可知，變流器2并入系統(tǒng)后，輸出的電流的幅值、相位和頻率與變流器1的基本一致，這從側(cè)面證明了變流器之間的環(huán)流非常小，基本不影響并聯(lián)系統(tǒng)的正常工作。仿真結(jié)果充分顯示了功率均分并聯(lián)控制方案在動態(tài)和穩(wěn)態(tài)情況下具有比較高的可靠性，能夠較好地抑制環(huán)流，從而證明了此方案的可行性。

5 結(jié)論

本文圍繞電動汽車能量供給設(shè)施設(shè)計與建設(shè)，著重就其關(guān)鍵的變流裝置展開了研究，取得了以下成果:

1)根據(jù)已有的電動汽車智能充放儲一體化站的設(shè)計理念，設(shè)計了符合能量流動與控制要求的多用途變流裝置拓撲結(jié)構(gòu);

2)針對變流裝置并聯(lián)逆變工作狀態(tài)，詳細推導與分析了并聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)流特性和功率特性，提出了基于功率均分的并聯(lián)逆變器控制算法;

3)在PSCAD平臺中，建立了多用途變流裝置模型，實現(xiàn)了前述控制算法，大量仿真波形表明，本文提出的變流裝置設(shè)計方案及控制算法可行、有效，可進一步用于一體化站設(shè)計研究。

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