并網(wǎng)型儲能系統(tǒng)充放電仿真分析

徐新泉，徐立亮，胡仁祥，張　毅，王明慧，趙亞楠

(國網(wǎng)吐魯番供電公司，新疆 吐魯番　838000)

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并網(wǎng)型儲能系統(tǒng)充放電仿真分析

徐新泉，徐立亮，胡仁祥，張毅，王明慧，趙亞楠

(國網(wǎng)吐魯番供電公司，新疆 吐魯番838000)

摘要：儲能系統(tǒng)被廣泛應用于風電、光伏等間歇性新能源發(fā)電中平抑出力波動。針對新能源系統(tǒng)充放電對儲能系統(tǒng)控制單元穩(wěn)定運行的要求，搭建了一種基于DC/AC變換器和雙向半橋DC/DC變換器的控制系統(tǒng)。首先采用狀態(tài)空間法建立了儲能系統(tǒng)充放電控制的數(shù)學模型，然后基于此數(shù)學模型，詳細分析了該控制器的工作原理及電流閉環(huán)反饋的控制方法，最后在Matlab仿真系統(tǒng)中驗證了理論分析的正確性。

關鍵詞：儲能系統(tǒng)；閉環(huán)反饋控制；狀態(tài)空間法

Abstract：Energy storage systems are widely used in power generation by the intermittent new energy sources such as wind power, photovoltaic etc to smooth the output fluctuations. Aiming at the requirements for stable operation of control unit in energy storage system by the charging and discharging of new energy system, the control system based on DC/AC converter and two-way half bridge DC/DC converter is proposed. The mathematical model to control charging and discharging of energy storage is established with state space method. And then the working principle of the controller and the control method of current closed-loop feedback are analyzed in detail based on the proposed mathematical model. Finally, the correctness of the theoretical analysis is verified in Matlab simulation.

Key words：energy storage system; closed-loop feedback control; state space method

0引言

隨著電力電子技術的飛速發(fā)展以及風電等間歇性能源大力并網(wǎng)的需求，儲能系統(tǒng)以其較強的靈活性等優(yōu)點逐漸被應用到電力系統(tǒng)中。隨著儲能技術的不斷成熟，大規(guī)模的風電、光伏等清潔能源完成了友好并網(wǎng)。目前儲能系統(tǒng)主要可以通過以下兩種方式接入電網(wǎng)中：1)直接通過雙向AC/DC變換器接入電網(wǎng)；2)通過AC/DC和雙向DC/DC兩級變換器接入電網(wǎng)[1-2]。文獻[3-5]采用狀態(tài)空間平均法建立了超導儲能系統(tǒng)用斬波器充放電的數(shù)學模型，并搭建了試驗系統(tǒng)，但沒有考慮充放電時交流側功率因數(shù)的變化，在實際運用中有一定的局限性。下面將結合充放電時交流側功率因數(shù)的變化情況，進行儲能系統(tǒng)的充放電控制研究。

儲能系統(tǒng)通過能量轉換系統(tǒng)(power conversion system,PCS)接入到配電網(wǎng)中，PCS可以實現(xiàn)電網(wǎng)與儲能系統(tǒng)之間的能量轉換，從而可以達到儲能系統(tǒng)充放電的目的。下面對能量轉換系統(tǒng)進行了研究，分析了基于儲能系統(tǒng)的斬波器充、放電的基本工作原理，建立了斬波器的數(shù)學模型，并設計了電流閉環(huán)控制策略。

1儲能系統(tǒng)拓撲結構圖

將儲能系統(tǒng)和PCS通過組合可以控制儲能系統(tǒng)的充放電。該控制系統(tǒng)由變流器和兩相限斬波器組成。儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)結構圖如圖1所示[4]，圖中Ua、Ub、Uc分別是電網(wǎng)三相電壓，VSC由交替導通的6個橋臂管構成，斬波器由2個IGBT管構成。

1.1DC/AC變流器

在儲能系統(tǒng)中DC/AC變流器采用三相電壓型PWM模型，其拓撲結構如圖2所示。通過PWM在逆變與整流兩種工作狀態(tài)之間的切換實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的充放電。當變流器工作在逆變狀態(tài)時，儲能系統(tǒng)向電網(wǎng)提供能量；變流器工作于整流狀態(tài)時，儲能系統(tǒng)從電網(wǎng)吸收能量。對于DC/AC變流器采用外環(huán)電壓內環(huán)電流的雙閉環(huán)控制模式，外環(huán)電壓控制環(huán)主要用于直流電壓的控制，內環(huán)電流環(huán)對電流變化值進行快速的跟蹤控制[5]。

圖1　儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)結構圖

圖2　AC/DC變換器圖

根據(jù)電路學原理可以推導出VSR在三相靜止坐標系下的數(shù)學模型，通過坐標轉換的原理可以等效出VSR在dq坐標下變流器的數(shù)學模型，這樣省去了考慮頻率變化的麻煩。dq坐標下變流器的數(shù)學模型可以用式(1)表示：

(1)

式中：Ud、Uq是電網(wǎng)電動勢的d、q軸分量;Vd、Vq是三相VSR交流側電壓的d、q軸分量。

從式(1)可以看出，d、q分量之間并沒有解耦，為了便于控制器模型的搭建，此處采用前饋解耦的控制方法使得d、q分量之間達到解耦的目的。當電流環(huán)節(jié)采用PI調節(jié)器之后，Vd、Vq解耦之后的關系式可以用式(2)表示[6]：

(2)

經(jīng)過式(2)可以看出，d、q分量之間達到了解耦控制，由式(2)可以得到電流內環(huán)的控制策略如圖3所示。

圖3　電流內環(huán)解耦控制圖

1.2斬波電路

當斬波器對儲能系統(tǒng)進行充放電時，PWM變流器控制直流環(huán)節(jié)的電容電壓處于穩(wěn)定運行狀態(tài)[7-8]。當VT7導通，VT8關斷時，斬波器處于Buck狀態(tài)對儲能系統(tǒng)充電；當VT7關斷，VT8導通時，斬波器處于Boost狀態(tài)對儲能系統(tǒng)開始放電。

充電狀態(tài)時的數(shù)學模型如式(3)所示：

(3)

放電狀態(tài)時的數(shù)學模型如式圖(4)所示：

(4)

DC/DC變換部分采用雙向DC/DC變換器，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的充放電。當儲能系統(tǒng)電量不足時，通過控制DC/DC變換器使得系統(tǒng)處于充電運行狀態(tài)。在充電狀態(tài)時，DC/DC變換器中VT7和D8構成回路，變換器處于Buck運行狀態(tài)；放電狀態(tài)時，DC/DC變換器中VT8和D7構成回路，變換器處于Boost運行狀態(tài)。在變流器工作的過程中，通過PWM控制IGBT的觸發(fā)信號可以調節(jié)變換過程中的電流與電壓，使其達到系統(tǒng)所需值。斬波電路的控制系統(tǒng)如圖4所示[9-10]，圖中，PWM開關頻率為2 000 Hz，PI控制器的參數(shù)為：Kp=0.16；Ki=9.35。

圖4　斬波電路控制圖

在儲能系統(tǒng)的充放電過程中，采用電流閉環(huán)的控制模式。通過電流給定值與反饋值的差值經(jīng)過PI控制器計算斬波器的占空比，利用電流反饋值控制VT7和VT8交替導通，從而控制儲能系統(tǒng)的充放電。

2仿真驗證

為了驗證變換器設計的準確性，在Matlab軟件中搭建了儲能系統(tǒng)的充放電仿真模型，網(wǎng)測電壓為380 V,電路頻率取為50 Hz。為了簡化模型的搭建，儲能系統(tǒng)采用電壓源與電阻的串聯(lián)體代替。圖5是儲能系統(tǒng)充放電的仿真模型圖。

圖5　儲能系統(tǒng)充放電模型

圖6　充電時網(wǎng)測功率因數(shù)圖

圖7　負載變化時直流母線電壓波形

圖8　儲能系統(tǒng)放電時直流母線電壓波形

圖9　儲能系統(tǒng)充電時直流母線電壓波形

圖10　負載恒定時交流側電流波形

圖11　負載變化時交流側電流波形

圖6是儲能系統(tǒng)充電時整流器側電流、電壓波形，可見二者相位基本一致，滿足網(wǎng)側功率因數(shù)為1的要求，并網(wǎng)電流達到了快速跟蹤電壓變化的效果，且電流正弦度較好。圖7是儲能系統(tǒng)放電過程中負載發(fā)生時，直流母線電壓波動圖。從圖7可以看出充放電模型可以穩(wěn)定直流母線電壓的穩(wěn)定性，從而可以實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的正常充放電。圖8是儲能系統(tǒng)處于放電狀態(tài)時的直流母線電壓波形圖，從圖8可以看出放電電壓可以很快達到直流母線電壓690 V，并且可以穩(wěn)定在此值，電壓波動范圍小，從而提高了儲能系統(tǒng)的使用壽命。圖9是儲能系統(tǒng)處于充電狀態(tài)時的直流母線電壓波形圖，從充電波形圖可以看出，儲能系統(tǒng)可以通過雙向DC/DC變換器快速充電，在瞬間就可以達到其充電電壓，且電壓波動范圍較小，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。圖10是負載恒定時交流側電流數(shù)值變化波形， 圖11是負載變化時交流側電流變化波形圖，由圖11可以看出，在負荷發(fā)生波動時，交流側的電流值也會發(fā)生響應的變化。

3結論

提出了基于能量轉換系統(tǒng)的儲能系統(tǒng)充放電控制策略，分析了DC/AC變流器、直流斬波電路的基本原理，并建立了其數(shù)學模型及提出了電流閉環(huán)反饋控制方法。仿真結果表明：能量轉換系統(tǒng)可以實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的充放電，保證充放電實現(xiàn)了單位功率因數(shù)運行，網(wǎng)側電流正弦化。從充放電電壓波形圖可以看出：儲能系統(tǒng)充放電響應速度很快，且超調量較小，從而證明了充放電控制策略具有較好的動態(tài)性能，為儲能系統(tǒng)充放電提供了穩(wěn)定、可靠的電源。

參考文獻

[1]張耀, 陳息坤, 楊勝. 鋰電池化成雙向AC/DC變換器研究[J]. 電工電能新技術, 2014(8):32-37.

[2]劉月賢, 王天鈺, 楊亞宇,等. 電動汽車充放電系統(tǒng)建模與仿真[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2014,42 (13):70-76.

[3]楊斌, 諸嘉慧, 郭云崢,等. 高溫超導磁儲能用斬波器仿真及試驗[J]. 電力自動化設備, 2010, 30(12):51-54.

[4]李輝, 季海婷, 付博,等. 含DC/DC變換器全釩液流電池儲能系統(tǒng)安全充放電策略[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2013,37(24):7-11.

[5]李武峰, 羅小英, 邊孝成,等. 電動汽車蓄電池充放電裝置研究[J]. 電力電子技術, 2013, 47(8):89-91.

[6]張興，張崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京：機械工業(yè)出版社2012.

[7]李永東.現(xiàn)代電力電子學——原理及應用[M].北京：電子工業(yè)出版社2011.

[8]王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].北京:機械工業(yè)出版社，2009.

[9]高雪松, 張相軍. 基于超級電容的雙向DC-DC變換器軟開關控制分析[J]. 電氣傳動, 2013(s1):82-86.

[10]郭熠. 電動汽車雙向DC/DC變換器的研究[D].天津：天津大學, 2004.

中圖分類號：TM614

文獻標志碼：A

文章編號：1003-6954(2016)02-0084-04

作者簡介：

徐立亮(1990)，碩士研究生，從事電網(wǎng)運行工作。

(收稿日期：2015-11-09)