一种双向储能变流器并网控制策略研究

卢胜利，鞠文耀，贾中璐

(南京电子技术研究所，江苏南京210039)

　　摘要：介绍了一种双向储能变流器(PCS)主电路拓扑结构。针对变流器并网电流谐波问题，提出一种基于复合控制技术的电流谐波抑制策略。由于受到电网谐波及调制的影响，双向储能变流器的并网电流中含有一定谐波，降低了装置输出电能质量。采用结合比例积分(PI)和重复控制的复合控制策略，能有效抑制双向PCS并网电流的谐波含量，并保证了系统双向控制的动态响应速度。在此基础上，研制了一台100kW双向PCS样机。实验结果验证了所提变流器并网控制方法的有效性和可行性。

　　1引言

　　大容量电池储能系统具有消峰填谷、平抑新能源发电出力波动、提供应急电源等功能。是智能电网建设和微网运行的重要发展方向。双向PCS是实现直流储能电池与交流电网之间双向能量传递的关键设备，其控制性能决定着整个储能系统的可靠性、控制精度和输出电能质量等重要指标。但受电网电压扰动及调制等因素影响，PCS并网电流中会含有大量谐波.导致系统谐波含量指标欠佳。此处对PCS中双向并网电流谐波抑制问题进行研究。给出采用PI控制和重复控制并联的复合控制算法。使系统的双向控制精度和输出电能质量都得到较大提高。最后通过实验验证了所提方法的有效性。

　　2主电路与建模

　　2.1主电路拓扑

　　图1示出一种双级式PCS主电路拓扑结构。

　　前级为DC／DC直流变换器.采用半桥式双向Buck—Boost电路将电池电压升压至直流母线电压。根据直流侧电流／功率指令的闭环控制实现直流功率的双向传递；后级为DC／AC逆变整流器。采用三相全桥电路和LCL滤波器将直流母线电压逆变为三相交流电网电压，其中滤波电感可设计为隔离变压器漏感，以减小装置体积。由于LCL滤波器在谐振频率以上以60dB／dec斜率衰减，故可很好地抑制并网电流中的高频谐波。后级变流器采用电压外环、电流内环的双闭环控制方式。电压外环控制器通过稳定直流母线电压产生参考电流信号.再通过电流内环控制器实现交流侧有功和无功调节。以提高系统的动态性能并实现限流保护。前级变换器负责调节PCS直流侧充放电电流。仅通过直流母线与后级并网变流器相连。为减小直流电流纹波，前级DC／DC变换器可采用多重化载波移相方法进行多组并联。由于系统稳态下前级变换器对PCS并网电流波形质量的影响较小，故此处不对DC／DC控制作详细分析。

　　2.2并网变流器分析

　　当Q=1时，系统开环增益为无穷大，容易造成系统不稳定.所以通常Q取小于1但接近于1的一个常数。使控制器对周期性重复的扰动信号具有较高增益；补偿环节Js(z)用来校正控制对象的幅频特性，使其在中低频段的增益近似为零，以提高系统稳定性，一般选择串联校正环节和二阶低通滤波器组合；k为相位超前环节，用来补偿改造后控制对象在中低频段的相位滞后；K为重复控制器增益，K越小，系统稳定性越好，但其收敛速度变慢且稳态误差增大，一般在保持系统稳定性前提下，Kr应尽可能接近1。

　　由于存在周期性延迟环节，重复控制的控制作用要滞后一个周期才产生，当负载出现大扰动时，重复控制器输出不能立即变化，导致系统动态性能难以达到设计要求。

　　3.2复合控制设计

　　并网变流器最常用的控制方法是基于电网电压定向的PI控制。但由于实际电网电压中含有丰富的谐波成分，尤其以工频谐波为主。而基于LCL滤波器的变流器系统在这个频率范围内的开环增益较低，因此PI控制在保证系统稳定性的前提下无法提供足够的低次谐波抑制能力。

　　根据PI控制和重复控制各自的优缺点。这里设计采用PI控制和重复控制并联的电流环复合控制器来对PCS并网侧谐波电流进行抑制。图3示出复合控制框图。

　　复合控制器结合了PI控制器动态响应快和重复控制器稳态精度高的优点。在系统稳态时，系统跟踪误差小，主要由重复控制器根据历史误差累加调节系统输出：当负载出现突变，重复控制器由于周期性延时不产生作用，但PI控制器立即作用使跟踪误差迅速减小，一个周期后重复控制器产生调节作用。随着跟踪误差减小，PI控制作用逐渐减弱，直至系统重新达到稳态。因此，复合控制器在具有较好动态响应特性的同时，提高了系统的谐波抑制能力。由图3可得PCS并网输出电流与参考电流的闭环传递函数表达式为：

　　5结论

　　分析了双向储能变流器的主电路和数学模型.针对由于电网扰动及调制等原因引起并网电流的谐波问题，设计了采用比例积分和重复控制并联的复合控制器，在理论分析基础上，研制了一台100kW双向储能变流器样机.并对比分析了传统比例积分控制与复合控制下样机并网电流实测波形.实验结果验证了所提控制方法能有效抑制双向储能变流器并网电流谐波，能满足双向控制要求，具有较高实用价值。