储能逆变器的控制策略研究蔚飞

储能逆变器的控制策略研究蔚飞

蔚飞王彪

天津瑞能电气有限公司天津300385

摘要：随着各种储能装置不断地改良，响应速度越来越快，循环寿命越来越长，容量越来越大，储能系统在电力领域发挥着越来越重要的作用。微电网的进一步发展离不开储能系统的发展，储能逆变器是储能系统的核心部分，它是储能装置和微电网交流母线间的桥梁。储能逆变器的研究对储能系统乃至微电网的发展具有重要的意义。

关键词：储能逆变器：控制策略

引言

传统的煤炭、石油以及天然气等能源促进社会发生了翻天覆地的变化，但是也带来了巨大的污染问题和温室效应，同时传统能源具有不可再生的特点。能源问题成为全世界发展共同的难题，寻找新的可再生且清洁的能源成为全世界共同的目标。人类正处在一个必须改变能源结构的关键点上。随着用电量的不断增加和传统电网越来越不适应社会发展需要，使新能源的分布式发电系统得以迅速发展。但是无论光伏发电、风力发电还是潮汐发电，它们都存在一个致命的缺点：它们发电具有间歇性。光伏发电只能白天发电，晚上无法发电；风力发电也只有在有风时才能发电。上述几种发电方式受天气影响较大，具有不可预见性。这种发电的间歇性无法对负载持续安全的供电，严重影响用电安全性。

1发展趋势

光伏发电电价的下调逼迫逆变器生产厂家必须降低成本。因此逆变器技术上进行革新是企业必须面对的问题。提高开关频率、采用新型的功率开关器件等是最有效的方法。开关频率的提高使得功率开关器件体积变小，同时效率提高，在提高效率的同时还能节省制作器件的材料，达到降低成本的目的。此外，在电价下调的大环境中，光伏发电系统将从过去的并网发电向“光伏+储能”的结构发展。向储能逆变器研究方向发展，研发具有并网、储能、离网多种功能的储能逆变器已经成为了重要的发展趋势。

2微电网及储能逆变器的控制策略

2.1主从控制

微电网孤岛运行时，微电网中只有一个逆变器作为主逆变器采用钾控制方式，其余的作为从逆变器采用PQ控制方式。主逆变器负责为微电网提供电压幅值和频率支撑。当微电网需要并网运行时，要调节主逆变器的电压幅值和频率以达到与电网的相同，闭合并网开关的同时也要切换主逆变器的控制策略‘主从控制的优点在于控制策略相对简单，控制参数较少易于设计。其缺点在于冗余性差，微电网并离网切换时需要变换控制方式，电压、电流冲击较大。

2.2对等控制

对等控制指微电网中各逆变器没有主从关系，所有逆变器处于相同的地位，他们公共支撑微电网的电压幅值和频率。对等控制的优点在于各逆变器间无需通信，即插即用，冗余性较好且并离网切换时无需变换控制策略、缺点在于控制策略复杂，控制参数多难以设计。

2.3分层控制

分层控制的提出主要是为了适应微电网灵活多变的控制方式以及微电网的分布式特性，各逆变单元都有一个控制器，各个单元运行模式取决于微电网调度网。

3储能逆变器层面的控制策略

3.1恒功率控制（PQ控制）

恒功率控制指直接控制逆变器输出的有功功率和无功功率，由于这种控制方式不直接控制电压幅值和频率，因此无法保证电压幅值和频率的稳定性，这个特性决定了其一般只用于并网逆变器和主从控制中的从逆变器控制中，其电压幅值和频率支撑由电网提供。

3.2恒压恒频控制（VF控制）

恒压恒频控制直接控制逆变器输出电压的幅值和频率，这种控制方式可以稳定电压幅值和频率，并且它们与电网的电压幅值和频率一般不相同，因此这种控制方式不适合并网逆变器，其只适合离网逆变器的控制问。

3.3下垂控制（Droop控制）

下垂控制就是选择与传统发电机相似的下垂特性曲线作为逆变器的控制方式，即分别通过P一f下垂控制和Q一v下垂控制来获取稳定的频率和电压，下垂控制用于多逆变器并联场合更具有优势。但是也并不是有功功率与电压频率成正比，无功功率与电压幅值成正比的关系一直成立，这一关系仅当逆变器输出阻抗呈纯感性时才成立。当逆变器输出阻抗呈纯阻性时，有功功率与电压幅值成正比，无功功率与电压频率成正比hl。当逆变器输出阻抗皇阻感特性时，有功功率和无功功率之间存在藕合关系。

3.4虚拟同步电机控制（VSG控制）

虚拟同步电机控制是在下垂控制的基础上做出进一步的改进，主要体现在为了抑制系统频率的快速波动，增加系统稳定性，在控制环节中加入了虚拟惯量环节。

3.5SPWM控制技术

SPWM全称是正弦波脉冲宽度调制，面积等效原理是其重要的理论基础，它通过不断调节占空比，从而不断调节脉冲宽度，改变输出量，其中脉冲宽度按照正弦规律变化。SPWM有单极性调制和双极性调制两种方式。本文所研究的电路拓扑是三相桥式电路，一般情况下均是采用双极性调制。而单相桥式电路既可以采用单极性调制也可以采用双极性调制。SPWM是一种原理相对简单且使用较广泛的调制方法，它的开关频率是固定的。它能够消除一些谐波，改善波形质量。SPWM调制方式的控制原理是通过对每个周期内的输出脉冲个数以及每个脉冲的宽度进行调节，以此来达到逆变器输出电压和频率的调节。

结语

本文选取电压源三相桥式拓扑结构作为储能逆变器的主电路，并在此基础上对储能逆变器的控制策略展开研究与分析，并搭建仿真平台和实验平台验证。本文的主要工作如以下：1.选择了储能逆变器的拓扑结构，建立储能逆变器在三相静止坐标系、两相静止坐标系和两相正交旋转坐标系下的数学模型，并简要分析了控制器的设计、SPWM原理和单坐标系锁相环；2.介绍了微电网主从控制策略中的恒功率和恒压恒频控制策略，首先分析了恒功率控制和恒压恒频控制的基本原理、然后分别搭建仿真模型。最后提出一种新型的并离网无缝切换控制策略，详细分析了其原理并搭建仿真进行验证。3.介绍了微电网对等控制策略中的下垂控制策略，首先分析下垂控制的基本原理及特性，然后分别分析了基于下垂控制的储能逆变器在离网、并网和并离网切换时的工作状态，最后搭建仿真模型进一步分析验证。4‘搭建了储能逆变器的实验平台，根据设计指标选择了相应的硬件电路及参数，给出了各部分软件设计流程图，最后详细的分析了实验结果。

参考文献：

[1]苏毅，杭乃善，康海云等.基于储能设备探讨不同时段等微增率准则在机组负荷优化分配中的应用团.电网与清洁能源，2014，30（6）55-61.

[2]聂宇，徐清.储能技术在现代配电网中的应用田.科技创新导报，2011，10（6）：90-92.