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    摘要：為了提高電網穩定性及安全性，緩解由傳統電力系統發電引起的資源短缺和環境問題，微電網系統因其配置靈活及便于操作等特點近年來得到了廣泛學者的關注和研究。其中，儲能逆變器是微電網系統中重要的能量轉換裝置，也是其實現“削峰填谷，調劑余缺”的關鍵，而儲能逆變器的核心關鍵技術是其內部采用的控制策略，這將直接影響系統電能的質量和對電壓電流的控制效果，本文針對儲能逆變器在兩種工作狀態下的工作原理及特點，提出兩種工作狀態下的控制結構及控制方法。當系統工作在逆變狀態下時，為簡化分析，本文采取電流單環控制結構，控制電流使其滿足系統要求；當系統工作在儲能工作狀態下時，采用電壓電流雙環控制結構，本文在Matlab/Simulink仿真環境下搭建系統及各控制器模型。仿真結果表明，采用的控制策略對負載擾動具有良好的抗干擾能力。

1引言

    為實現能源的可持續發展，提高可再生能源的利用率，在微網中總是希望能夠實現太陽能光伏發電，風力發電等可再生能源的靈活接入。然而，由于可再生能源輸出的間歇性及隨機性特點，它們的大量接入會對系統的電能質量及電網穩定性等諸多方面產生影響。儲能系統中加入管理系統后，可以更為有效地促進可再生能源的利用。為了實現電網與儲能系統之間的有效連接，完成對儲能系統的充放電過程，儲能逆變器應運而生。儲能逆變器管控的儲能系統既可以擔任負荷，吸收微網中的剩余電能，也可以作為組網電源給電網供電，在一定程度上抑制可再生能源的波動性以及不確定性，實現電網安全平穩可靠地運行。根據國家對分布式發電和微電網建設的要求，儲能逆變器具有對電網提供有功、無功支撐，穩定電網電壓和頻率，同時配合多種儲能設備接入電網進行充放電等作用。

2儲能逆變器工作原理及模型

2.1儲能逆變器的能量雙向流動原理

    為主要說明電路的矢量關系，此處忽略電路電阻以簡化分析。圖1為儲能逆變器的模型電路，主要由電網電動勢e，網側電感L，儲能逆變橋式電路，負載電阻RL及直流側電動勢eL組成。其中交流側電壓和電流為v、i。直流側電壓電流為Vdc，Idc。

    當不考慮橋式電路的開關管損耗時，由系統兩側功率守恒關系可得：

iv=idc Vdc            （1）

    由式（1）可以看出，我們可以通過對儲能逆變器直流側電流參數的控制來控制其交流側參數，也可以通過控制交流側參數改變直流量。

    假設交流側電流及電感電壓矢量分別表示為L和VL，則可得VL=ωLI，并且電流滯后電壓90°。若電網電動勢矢量用E表示，儲能逆變器交流側的電壓用V表示，則根據基爾霍夫電壓定律，系統交流側的電壓關系可以表示成E=V+VL=V+ωLI，其模值大小關系為 。假設 | I | 不變，則 | VL | =ωL| I |也不變。假設電網電動勢E為定值，則系統電壓矢量V在空間的運動軌跡為圓形，并且半徑值 | VL | 為。為直觀表示其關系，圖2繪制出V的端點在以下A、B、C、D四個工作點的關系圖。

    具體運行情情況及分析如下：

    （1）當電壓矢量端點在A~B點之間時，儲能逆變器工作在儲能狀態，電網向系統輸送有功及感性無功功率。當在A點運行時，電網只輸送感性無功功率。

    （2）當電壓矢量端點在B~C點之間時，儲能逆變器工作在儲能狀態，電網向系統輸送有功及容性無功功率。當在B點運行時，電網只輸送有功功率。

    （3）當電壓矢量端點在C~D點之間時，儲能逆變器工作在逆變狀態，系統向電網輸送有功及容性無功功率。當在C點運行時，只向電網輸送容性無功功率。

    （4）當電壓矢量端點在D~A點之間時，儲能逆變器工作在逆變狀態，系統向電網輸送有功及感性無功功率。當在D點運行時，向電網輸送有功功率。根據以上分析，我們可以通過控制網側電流來實現對儲能逆變器工作在任意狀態的控制。在三相儲能逆變器的控制中，我們希望系統能夠工作在B點和D點，電網和儲能逆變系統之間只傳輸有功功率，即在儲能工作狀態下，網側電壓矢量與電流矢量方向相同，在逆變工作狀態下，網側電壓矢量與電流矢量方向相反。

2.2儲能逆變器的拓撲結構

    電壓型儲能逆變器并聯的大電容能夠較好地抑制直流電壓的波動，因此本文采用圖3所示的電壓型的拓撲結構。

2.2.1主回路結構

    單級式主回路拓撲如圖4所示，儲能介質通過一級DC/AC變換環節及隔離變壓器接入電網；為實現低端口電壓及寬電壓范圍儲能介質的接入和最大利用率。

    為便于大規模儲能元件的分散接入，采用多分支設計。其中單級式為多組獨立的DC/AC支路，在網側并聯通過隔離變壓器接入電網；

    應用多分支變流器時，儲能單元可以分組接入，變流器將分別監測和控制每組儲能介質狀態，根據管理系統或預設數據對每支路進行分別控制，有效提高了儲能系統可靠性，避免大規模電池組并聯所導致的環流及容量不均衡，可以有效提高儲能介質利用率和壽命。

    主回路結構如圖5。電池組輸入經過直流EMC濾波器和開關，接入PCS直流母線，經三相橋式變換器，將直流電壓變換為高頻三相斬波電壓，通過LCL濾波器變成正弦交流電，再通過交流開關、交流EMC濾波器和交流斷路器后，送入內部交流母線。

3儲能逆變器控制結構及PI控制策略

    儲能逆變器的主要作用是完成三相電網與直流儲能裝置之間的能量流動與轉換，一般工作于逆變和儲能兩種狀態。在這兩種工作狀態下，我們主要是針對網側電流以及直流電壓進行控制。

3.1逆變狀態下的單環控制結構

    根據儲能逆變器在逆變工作狀態下的拓撲結構及此狀態下的控制目標，我們考慮直流側電壓是穩定的，因此只需要對系統電流進行控制。由于電網電流和電壓為三相正弦交流量，為方便控制，我們選擇在d-q旋轉坐標系下進行控制器的設計和分析工作。通常采用圖6所示的單環控制結構。為了實現對系統的單位功率控制要求，需要令q軸無功功率參考電流，并根據要求設定d軸有功功率的參考電流。電流控制器根據系統實際d、q軸電流值與參考電流值的偏差來產生對儲能逆變橋式電路的開關信號，最后使得系統電流達到設定值。

3.2儲能狀態下的雙環控制結構

    系統工作在儲能狀態下需要在滿足電流要求的同時，使直流側輸出電壓也保持穩定。因此我們采用電壓電流雙環控制結構，控制框圖如圖7所示。其中，電壓外環控制器實現對直流電壓的快速無穩態誤差跟蹤，同時產生d軸參考電流；電流內環控制器實現對d、q軸電流的跟蹤調節，最終達到控制系統的要求。

3.3PI控制策略

    PI控制由于其算法簡單，控制器參數容易整定的特點，成為了目前儲能逆變控制系統中被廣泛采用的控制方案。對于儲能逆變系統，當其工作在逆變狀態時，圖6中電流環控制器采用PI控制策略；當其工作在儲能狀態時，圖7中電壓電流控制器均采用PI控制策略，此時我們稱之為雙環PI控制。

3.3.1儲能逆變狀態下控制方程

    系統工作在逆變狀態下網側控制電壓，可以得到系統方程為：

    當系統工作在儲能狀態時，對電流控制分析與上述逆變狀態下的過程相同，此處不再重復。其中Ud，Uq，控制方程如下。

    系統工作在儲能狀態時，為使其電壓保持穩定，采用圖7所示的電壓電流雙環控制結構。直流側電壓經外環PI控制器調節后為d軸產生參考值i*d，控制器比例調節增益與積分增益分別為Kup，Kui設q軸參考電流i*d為0，則其控制方程如下：

    結合式（5）、（6），儲能狀態下PI電壓電流雙環控制結構圖如圖9所示。

3.3.2PI控制器參數設計

（1）電流內環參數設計

    由于d軸和q軸的控制對象相同，因此其控制器的結構和參數也相同。d軸電流其閉環框圖如10所示。若要求系統具有較快的動態響應速度，可以得到電流環控制器參數為：

（2）電壓外環參數設計

    對于三相逆變系統，當采用SVPWM調制時，其直流側電流idc可表示為：

4控制仿真

4.1逆變狀態下PI單環控制仿真

    逆變狀態下的控制系統進行參數設置，如表1所示。系統在逆變工作狀態下仿真圖如圖12所示。仿真后結果如圖13，圖14所示。

    系統d軸及q軸電流可以較快無誤差地收斂到設定值，具有較好的控制效果。

4.2儲能狀態下PI雙環控制仿真

    系統在儲能狀態下的控制系統參數設置如表2所示。儲能狀態下的系統主電路模型和PI雙環控制器模型如圖15所示。

    系統直流端的電壓波如圖16所示。

5結論

    能源及環境問題引起人們對微電網的研究，從而推動了儲能逆變系統的發展，使得儲能逆變器近年來得到了廣泛學者的關注和研究。本課題從儲能逆變器在逆變及儲能兩種工作狀態下需要滿足的綜合控制目標及實際問題考慮，對其內部電流及電壓環控制器的控制策略進行研究。建立了儲能逆變器在儲能和逆變兩種工作狀態下的數學模型，實現了系統中采用的SVPWM調制算法。根據儲能逆變器的控制目標確立了系統在逆變和儲能兩種工作狀態下的控制器結構。分析了PI控制的方法及原理，完成控制方程的建立以及控制參數的整定工作。在Matlab/Simulink仿真環境下完成了PI控制在兩種工作狀態下的仿真驗證。