電網(wǎng)電壓不平衡下儲能變流器的控制策略

歐名勇，王逸超，劉文軍，夏向陽，陳凌彬，冷陽，鄭楚玉

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司經(jīng)濟技術研究院，湖南 長沙 410004；2.規(guī)?；姵貎δ軕眉夹g湖南省工程研究中心，湖南 長沙 410004；3.長沙理工大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410114)

0 引言

為實現(xiàn)“雙碳”目標，新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)[1-2]，其出力缺陷給電網(wǎng)帶來了新的挑戰(zhàn)。而儲能作為解決新能源出力缺陷的有效手段，近年來得到迅速發(fā)展[3-5]。但是，發(fā)生電網(wǎng)電壓不平衡時，會造成電網(wǎng)側功率波動、儲能變流器(power conversion system，PCS)輸出電流波形畸變嚴重且峰值過大和直流側電壓波動等不利影響[6-7]。隨著電力系統(tǒng)的電力電子化，可以通過選擇適應復雜工況的控制策略來實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的可靠安全并網(wǎng)[8-10]。

變流器應對電網(wǎng)電壓不平衡常用控制可歸納為控制輸出電流平衡，抑制電網(wǎng)側有功功率波動以及抑制電網(wǎng)側無功功率波動。文獻[11]提出了一種新型虛擬同步發(fā)電機控制方法，在不改變虛擬同步發(fā)電機控制結構的同時還能對電網(wǎng)側功率波動和輸出電流峰值進行協(xié)同控制。文獻[12]提出了一種不需要鎖相環(huán)、脈寬調(diào)制和電壓正負序分離的模型預測電流控制策略，簡化了控制結構。文獻[13]在αβ坐標系的模型上，采用比例多諧振調(diào)節(jié)器抑制了電流的諧波分量，跟蹤了電流的基波分量，提高并網(wǎng)變流器在不平衡電網(wǎng)下的控制性能。文獻[14]通過比例諧振調(diào)節(jié)器控制指令電流中的諧波分量大小來抑制電網(wǎng)側功率波動與電流畸變程度，實現(xiàn)了功率與電流的協(xié)同優(yōu)化控制。文獻[15]提出了一種直接功率控制，通過矢量比例積分諧振器對功率補償項進行控制，實現(xiàn)了電網(wǎng)側功率無波動或輸出電流平衡。文獻[16]提出一種不需要鎖相環(huán)的負序電壓控制策略，可以對電網(wǎng)側有功功率、電網(wǎng)側無功功率和輸出電流進行協(xié)調(diào)控制。現(xiàn)有文獻針對電網(wǎng)電壓不平衡下的控制主要是對變流器交流側進行控制，但儲能系統(tǒng)在并網(wǎng)過程中既要向電網(wǎng)穩(wěn)定輸送有功功率又要保證直流側電池系統(tǒng)的安全。為了保障儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓不平衡期間安全運行，PCS控制策略還有待進一步研究。

本文提出了一種直流側電壓與電網(wǎng)側有功功率協(xié)調(diào)控制策略。首先分析了電網(wǎng)電壓不平衡下PCS的數(shù)學模型和運行特性；然后分析了變流器常用控制策略對PCS運行特性的影響，在此基礎上得到了所提控制策略的指令電流；最后通過仿真實驗驗證了該策略的有效性。

1 電網(wǎng)電壓不平衡下PCS的數(shù)學模型

圖1為儲能系統(tǒng)并網(wǎng)拓撲結構，它能實現(xiàn)儲能系統(tǒng)可靠并網(wǎng)和功率雙向流動。其中，Udc為直流側電壓，C0為直流側電容，ui(i=a,b,c)為PCS輸出側的三相電壓，L1為PCS側濾波電感，C為濾波電容，L2為網(wǎng)側濾波電感，R為電網(wǎng)側線路電阻，L3為電網(wǎng)側線路電感，i1i為PCS側電流，ici為濾波電容電流，uci為濾波電容電壓，i2i為電網(wǎng)電流，ei為電網(wǎng)電壓。

圖1 儲能系統(tǒng)并網(wǎng)拓撲結構Fig.1 Grid connected topology of energy storage system

2 電網(wǎng)電壓不平衡下PCS運行特性

2.1 電網(wǎng)側功率波動

2.2 直流側電壓波動

3 電網(wǎng)電壓不平衡下PCS的控制

3.1 變流器常用控制策略

令式(6)中的負序電流為0，可求得控制輸出電流平衡的指令電流；令式(6)中的Pc2=Ps2=0，可求得抑制電網(wǎng)側有功功率波動的指令電流；令式(6)中的Qc2=Qs2=0，可求得抑制電網(wǎng)側無功功率波動的指令電流。通過參數(shù)k將上述3種控制策略的指令電流統(tǒng)一，可得到一種柔性控制策略[19]。為保證系統(tǒng)在單位功率因數(shù)下運行，系統(tǒng)給定的有功功率指令Pref、無功功率指令Qref分別為常數(shù)、0。由電壓定向原則，故。柔性控制策略的指令電流可表示為

式(16)通過在[–1,1]區(qū)間內(nèi)調(diào)整參數(shù)k[20]，可以切換控制目標。當k取–1時，系統(tǒng)切換成抑制電網(wǎng)側有功功率波動；當k取0時，系統(tǒng)切換成控制儲能變流器輸出電流平衡；當k取1時，系統(tǒng)切換成抑制電網(wǎng)側無功功率波動。當k的取值介于–1和0之間時，可以對電流的平衡度和電網(wǎng)側有功功率波動進行靈活控制；當k的取值介于0和1之間時，可以對電流的平衡度和電網(wǎng)側無功功率波動進行靈活控制。

3.1.1 柔性控制策略對電網(wǎng)側有功功率波動的影響

表1為系統(tǒng)仿真實驗參數(shù)[14]。

表1 PCS系統(tǒng)參數(shù)Table 1 The parameters of PCS system

由式(5)、式(6)和式(16)可得電網(wǎng)側有功功率二倍頻分量為

由式(18)可知，電網(wǎng)側有功功率二倍頻分量不僅與柔性控制策略的參數(shù)k有關，還跟系統(tǒng)傳輸?shù)挠泄β?、電網(wǎng)電壓不平衡度有關。由于電網(wǎng)側有功功率二倍頻分量的幅值不能很好地體現(xiàn)電網(wǎng)側有功功率相對波動的大小，故采用Pg2ω與Pref之比來衡量電網(wǎng)側有功功率波動的大小。電網(wǎng)側有功功率波動的相對值可表示為

給定參數(shù)k和電網(wǎng)電壓不平衡度 ε的變化范圍，其中，k∈[?1,1]， ε ∈[0,0.7]。圖2為電網(wǎng)側有功功率二倍頻波動隨不平衡度ε和參數(shù)k的變化趨勢。

圖2 電網(wǎng)側有功功率波動隨ε和k變化趨勢Fig.2 The relationship diagram of the active power fluctuation on the grid side as a function ofε andk

由圖2可知，當柔性控制策略參數(shù)k取–1時，能抑制電網(wǎng)側有功功率的波動；當參數(shù)k取值在(–1,1]內(nèi)，隨著電網(wǎng)電壓不平衡度逐漸增大或者參數(shù)k從–1增大到1時，電網(wǎng)側有功功率波動逐漸增大。

3.1.2 柔性控制策略對直流側電壓波動的影響

圖3為直流側電壓二倍頻波動隨不平衡度ε和參數(shù)k的變化趨勢。

圖3 直流側電壓波動隨ε和k變化趨勢Fig.3 The relationship between the DC side voltage fluctuation and the change ofε and k

由圖3可知，當電網(wǎng)電壓不平衡度比較小時，柔性控制策略的參數(shù)k取–1，可以控制直流側電壓波動達到最?。划旊娋W(wǎng)電壓不平衡度較大時，調(diào)整參數(shù)k從–1增大到1，直流側電壓波動先減小后增大?？刂浦绷鱾入妷翰▌幼钚〉膮?shù)k位于[–1,0]內(nèi)，電網(wǎng)電壓不平衡度越大，參數(shù)k越靠近0。

3.2 直流側電壓與電網(wǎng)側有功功率協(xié)調(diào)控制

4 仿真實驗驗證

為驗證本文提出的直流側電壓與電網(wǎng)側有功功率協(xié)調(diào)控制策略的有效性，在Matlab/Simulink中進行了仿真實驗驗證，系統(tǒng)的控制結構如圖4所示。PCS通過系統(tǒng)給定的有功功率指令Pref、無功功率指令Qref、參數(shù)λ計算電流內(nèi)環(huán)的指令電流。然后在電流內(nèi)環(huán)中得到電壓調(diào)制信號，經(jīng)正弦脈寬調(diào)制后作用于PCS內(nèi)部的開關管，控制通斷，實現(xiàn)與電網(wǎng)交換能量。系統(tǒng)仿真參數(shù)見表1。

圖4 電網(wǎng)電壓不平衡下系統(tǒng)的控制結構Fig.4 Control structure of system under unbalanced grid voltage

圖5為所提控制策略的仿真結果。仿真設置A相電壓跌落至50 v，電網(wǎng)電壓不平衡度為0.388，仿真總時長為 0.6 s，0.2 s 以前加權系數(shù)λ為0，此時能對直流側電壓波動進行完全抑制，但電網(wǎng)側有功功率會存在波動，波動幅值為3.8 kW，正好等于式 (23)的計算結果。0.2～0.5 s時加權系數(shù)λ從0變化到1，此時直流側電壓波動逐漸增大，電網(wǎng)側有功功率波動逐漸減小，表明本文所提控制策略能對直流側電壓與電網(wǎng)側有功功率協(xié)調(diào)控制。0.5～0.6 s時加權系數(shù)λ為1，此時能對電網(wǎng)側有功功率波動進行完全抑制，但直流側電壓存在波動，波動幅值為0.2 V。仿真結果驗證了控制策略的有效性。

圖5 仿真結果Fig.5 Simulation result

為驗證本文所提控制策略的優(yōu)越性，對柔性控制策略和文獻[14]中的功率波動抑制與電流平衡協(xié)調(diào)控制策略也進行了仿真。

圖6為仿真對比結果。由圖6可知，柔性控制策略的參數(shù)k取–1時能抑制電網(wǎng)側有功功率波動，隨著參數(shù)k從–1變化到1，電網(wǎng)側有功功率波動不斷增大；并且控制直流側電壓波動最小的柔性控制策略參數(shù)k位于區(qū)間[–1,0]內(nèi)。仿真結果驗證了3.1中理論分析結果。

圖6 仿真對比結果Fig.6 Simulation comparison results

圖6中，柔性控制策略的參數(shù)k取–0.76時，能控制直流側電壓波動幅值達到最小，此時的直流側電壓波動幅值和電網(wǎng)側有功功率波動幅值分別為0.16 V和2 kW。所提控制策略的加權系數(shù)λ取0.83時，能控制直流側電壓波動幅值為0.16 V，此時的電網(wǎng)側有功功率波動幅值為0.6 kW，比柔性控制策略下的電網(wǎng)側有功功率波動幅值低了1.4 kW。λ取0.49時，電網(wǎng)側有功功率波動幅值為2 kW，此時的直流側電壓波動幅值為0.09 V，比柔性控制策略下的直流側電壓波動幅值低0.07 V。由仿真對比結果可知，本文所提控制策略能更好地對直流側電壓與電網(wǎng)側有功功率進行協(xié)調(diào)控制。當系統(tǒng)傳輸?shù)墓β嗜萘扛蠡蛘唠妷旱涑潭雀髸r，本文所提控制策略的優(yōu)勢更加明顯。

圖7為文獻[14]中控制策略與本文所提控制策略的直流側電壓仿真對比結果。由圖7可知，文獻[14]中控制策略在控制過程中會給直流側電壓帶來更多的諧波波動分量，導致直流側設備的保護裝置需應對多種諧波。并且這些諧波波動幅值會隨著功率容量的增大或者電壓跌落程度的增大而增大，進而給直流側設備保護帶來更大困難。本文所提控制策略能將直流電壓波動幅值抑制到更小，并且只有二倍頻波動分量，有利于保護裝置針對性的保護直流側設備。

圖7 直流側電壓仿真對比結果Fig.7 Simulation comparison results of DC side voltage

5 結論

為減小電網(wǎng)電壓不平衡對儲能系統(tǒng)并網(wǎng)的影響，本文提出了一種直流側電壓與電網(wǎng)側有功功率協(xié)調(diào)控制策略，得出以下結論。

（1）變流器常用控制策略不能對直流側電壓波動進行完全抑制，只能將直流側電壓波動幅值抑制到最小值。并且在功率容量大或者電壓跌落程度大的工況下，直流側電壓波動幅值抑制效果不佳。

（2）所提控制策略通過考慮儲能變流器交流側濾波電感上吸收的有功功率波動，得到了抑制直流側電壓波動的指令電流，再利用加權思想實現(xiàn)了對直流側電壓與電網(wǎng)側有功功率的協(xié)調(diào)控制。

（3）所提控制策略相較于變流器常用控制，對直流側電壓與電網(wǎng)側有功功率的協(xié)調(diào)控制效果更好。需要注意的是，λ的選取要綜合考慮有功功率波動幅值和直流側電壓波動幅值等多重因素。