朱觀煒，譚偉璞，閆 濤，渠展展，劉志波

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192)

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基于RT-LAB的儲能系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行控制策略研究

朱觀煒1，譚偉璞1，閆 濤2，渠展展2，劉志波1

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192)

0 引 言

微電網(wǎng)可運(yùn)行在離網(wǎng)模式和并網(wǎng)模式，后者有配網(wǎng)作為無窮大母線，控制較前者簡單。微網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，要求電壓和頻率穩(wěn)定。針對風(fēng)電和光伏的間歇性波動以及負(fù)載的頻繁投切，微網(wǎng)需要儲能系統(tǒng)平衡有功和無功功率。儲能系統(tǒng)傳統(tǒng)的控制策略采用V/f單環(huán)控制，文獻(xiàn)[1]提出了針對LC濾波型逆變器的傳統(tǒng)恒壓恒頻控制，采用輸出電壓單環(huán)控制方法，簡化了控制器和控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，但是電壓的諧波含量大，抗負(fù)載電流特性差；文獻(xiàn)[2]比較了閉環(huán)控制器設(shè)計(jì)，對于電流內(nèi)環(huán)，只需要使用比例控制器，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，消除靜差的任務(wù)可以由電壓外環(huán)的諧振控制器來實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[3-4]分析了儲能系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)采用LC濾波裝置能夠更好地濾除諧波、穩(wěn)定電壓。基于上述情況，本文首先基于RT-LAB搭建了儲能系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)平臺。在傳統(tǒng)的V/f單環(huán)控制基礎(chǔ)上，對比分析了電感電流內(nèi)環(huán)和電容電流內(nèi)環(huán)兩種雙環(huán)控制方法，改進(jìn)了傳統(tǒng)的恒壓恒頻控制。在matlab/simulink環(huán)境下進(jìn)行了仿真，并且在RT-LAB平臺上進(jìn)行了半實(shí)物仿真驗(yàn)證。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了提出控制策略的有效性。

1 儲能系統(tǒng)RT-LAB實(shí)驗(yàn)平臺搭建

本文研究了儲能系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行控制策略。在基于RT-LAB的實(shí)驗(yàn)平臺中，鋰電池儲能、三相橋和負(fù)載等主電路部分利用仿真軟件實(shí)現(xiàn)，其控制部分利用儲能變流器的嵌入式控制器來實(shí)現(xiàn)。首先在RT-LAB仿真系統(tǒng)中搭建并運(yùn)行雙向變流器的主電路仿真模型，利用模擬量輸出調(diào)理卡將其變流器交流側(cè)和直流側(cè)的采樣電壓和電流線性轉(zhuǎn)變?yōu)?3V到3V的電平信號以供控制器采樣；然后將控制器所生成的六路PWM信號通過數(shù)字量輸入調(diào)理卡輸入到RT-LAB仿真目標(biāo)機(jī)中以控制模型中三相橋的6個(gè)IGBT管，以此來實(shí)現(xiàn)變流器的整流或逆變運(yùn)行。變流器半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的原理如圖1所示。

圖1 儲能系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行半實(shí)物仿真原理圖

圖1中，電池模型采用RT-LAB封裝的標(biāo)準(zhǔn)鋰電池模型，儲能系統(tǒng)采用三相橋電路以及LC濾波裝置。為了減小諧振對系統(tǒng)的影響，在并聯(lián)電容中串入阻尼電阻，這樣可以起到尖峰抑制的作用[5-7]，負(fù)載模型采用恒功率阻感負(fù)載。

儲能變流器嵌入式控制器的程序流程如圖2所示，首先自發(fā)產(chǎn)生50Hz變化的頻率，其外環(huán)控制部分通過上位機(jī)下發(fā)的電壓信號，利用定電壓控制經(jīng)坐標(biāo)變化后得到電壓d、q軸的參考值，通過PI調(diào)節(jié)整定有功電流和無功電流的期望值，最后再經(jīng)過電流內(nèi)環(huán)得到控制量，輸入SVPWM環(huán)節(jié)產(chǎn)生六路PWM脈沖[8-9]。儲能系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行的程序控制框圖如圖2所示。

圖2 程序控制框圖

2 儲能系統(tǒng)改進(jìn)控制策略

儲能系統(tǒng)在離網(wǎng)運(yùn)行模式下，負(fù)載側(cè)要求電壓和頻率穩(wěn)定。傳統(tǒng)的電壓單環(huán)控制方式抗負(fù)載電流擾動性能較差，負(fù)載電流中的諧波分量容易造成輸出電壓的諧振[4]。在傳統(tǒng)的V/f單環(huán)控制基礎(chǔ)上，對比分析了電感電流內(nèi)環(huán)和電容電流內(nèi)環(huán)兩種雙環(huán)控制方法，改進(jìn)了傳統(tǒng)的恒壓恒頻控制。電壓外環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，因?yàn)殡娏鲀?nèi)環(huán)主要用于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能，穩(wěn)態(tài)誤差不會影響外環(huán)的精度[4]，所以電流內(nèi)環(huán)采用比例環(huán)節(jié)。兩種控制方式的控制框圖如圖3所示。

圖3 兩種控制方式控制框圖

圖4 簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

其中Kpwm為橋路PWM等效增益，取值為1，τ為考慮PWM控制小慣性特性時(shí)的參數(shù)，一般取0.5倍開關(guān)周期，即τ=0.5Ts，Ts為系統(tǒng)的開關(guān)周期，iod為儲能系統(tǒng)的負(fù)載電流d軸分量，由圖4進(jìn)行傳遞函數(shù)的推導(dǎo)，根據(jù)梅遜公式分別推導(dǎo)在參考給定值和負(fù)載電流擾動下的閉環(huán)傳遞函數(shù)，由線性系統(tǒng)的疊加原理，得到微網(wǎng)穩(wěn)定控制器輸出電壓的表達(dá)式如下。

電容電壓外環(huán)電感電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制：

(1)

電容電壓外環(huán)電容電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制：

(2)

上述表達(dá)式由兩部分組成，由式(1)、(2)輸出電壓表達(dá)式的前半部分可知，采用電感電流和電容電流做內(nèi)環(huán)控制時(shí)，系統(tǒng)的電壓指令跟蹤能力是一樣的，上述表達(dá)式后半部分可表示為系統(tǒng)抗負(fù)荷電流擾動的能力，因?yàn)槠涫窃谪?fù)載電流擾動下推導(dǎo)的閉環(huán)傳遞函數(shù)，表示負(fù)載電流擾動對控制系統(tǒng)的影響[2]，定義為Ucd/Iod。圖5為采用3種控制方法的Ucd/Iod的幅頻特性。

圖5 3種控制方式幅頻特性

圖5中，在低頻段，采用電容電流內(nèi)環(huán)控制的控制策略幅頻特性數(shù)值小，因而具有良好的抗負(fù)載電流擾動性能，能更有效地抑制負(fù)載電流對輸出電壓的影響，在中頻段單環(huán)控制的抗負(fù)載電流擾動特性較差，在高頻段，負(fù)載電流擾動性能相同。從以上分析可知，采用電容電壓外環(huán)電容電流內(nèi)環(huán)控制的方案具有更好的抗負(fù)載電流擾動特性，使電壓穩(wěn)定在允許的范圍內(nèi)。

3 仿 真

在matlab/simulink下搭建了容量為150kVA的儲能系統(tǒng)，在并聯(lián)電容上串入電阻，具體的參數(shù)如表1所示。

表1 儲能系統(tǒng)參數(shù)

仿真過程如下：在t=0 s時(shí)，儲能系統(tǒng)啟動，建立微網(wǎng)的電壓和頻率；在t=0.5 s時(shí)，投入Pload=50kW的負(fù)荷，仿真結(jié)果如圖6。

圖6 儲能系統(tǒng)負(fù)載側(cè)輸出電壓比較

圖6為儲能系統(tǒng)負(fù)載側(cè)輸出電壓的標(biāo)幺值，采用電容電流和電感電流內(nèi)環(huán)控制時(shí)輸出電壓d軸分量(d軸與三相電壓合成矢量重合，代表輸出電壓的幅值)在負(fù)載投入時(shí)發(fā)生相同幅值的電壓跌落，但是采用電感電流內(nèi)環(huán)控制時(shí)，電壓恢復(fù)到額定值時(shí)間較長；當(dāng)采用電容電流內(nèi)環(huán)控制策略時(shí)，儲能系統(tǒng)在微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)能快速啟動，建立電壓和頻率，在負(fù)載投切過程中，能夠更快地恢復(fù)電壓到額定值。

4 RT-LAB平臺仿真實(shí)驗(yàn)

在RT-LAB實(shí)驗(yàn)平臺上，儲能系統(tǒng)容量為100kVA,采用改進(jìn)后的V/f控制。在t=0s時(shí)儲能系統(tǒng)啟動，在t=15s時(shí)投入P=40kW的負(fù)荷;在t=15.5s時(shí)再投入P=40kW的負(fù)荷，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8所示。由圖7可知，儲能系統(tǒng)輸出電流在負(fù)載未投入時(shí)存在一定的電容電流。在負(fù)載投入后迅速提供負(fù)載所需的電流；圖8為電壓波形，在負(fù)載投入的過程中，輸出電壓保持穩(wěn)定。

圖7 負(fù)載投切過程儲能系統(tǒng)輸出電流

圖8 負(fù)載投切過程儲能系統(tǒng)輸出電壓

5 結(jié)束語

微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，通過儲能系統(tǒng)建立穩(wěn)定的電壓和頻率。本文分析比較了采用電感電流內(nèi)環(huán)和電容電流內(nèi)環(huán)控制，改進(jìn)了傳統(tǒng)的V/f控制，采用電容電流內(nèi)環(huán)控制，該控制策略有更好的抗負(fù)載電流擾動特性。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該控制策略的有效性。

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(責(zé)任編輯：楊秋霞)

Islanded Operation Control Strategy for Battery Energy Storage System Based on RT-LAB

ZHU Guanwei1，TAN Weipu1, YAN Tao2，QU Zhanzhan2，LIU Zhibo1

(1.School of Electrical & Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206,China;2.Electric Power Research Institute, Beijing 100192,China)

微網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，要求電壓和頻率穩(wěn)定。針對風(fēng)電和光伏的間歇性波動以及負(fù)載的頻繁投切特性，微網(wǎng)需要儲能系統(tǒng)平衡有功和無功功率。本文首先基于RT-LAB搭建了儲能系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)平臺，然后在傳統(tǒng)的V/f單環(huán)控制基礎(chǔ)上，對比分析了電感電流內(nèi)環(huán)和電容電流內(nèi)環(huán)兩種雙環(huán)控制方法，改進(jìn)了傳統(tǒng)的恒壓恒頻控制，該控制策略有更好的抗負(fù)載電流擾動特性。最后在matlab/simulink環(huán)境下進(jìn)行了仿真，并且在RT-LAB平臺上進(jìn)行了半實(shí)物仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明了提出控制策略的有效性。

微網(wǎng)；離網(wǎng)運(yùn)行；儲能系統(tǒng)；恒壓恒頻；半實(shí)物仿真

It is required a stable voltage and frequency for microgrid during islanded operation. As to such characteristics as intermittent fluctuations of wind generation and PV and the frequently switching of load, the battery energy storage system (BESS) should balance active and reactive power for microgrid. In this paper, experiment platform of islanded battery microgrid is built based on the RT - LAB, and the difference between the inductance current inner loop and the capacitive current inner loop is compared based on the traditional V/f control to improve traditional constant voltage constant frequency control, which has better anti-disturbance features of load current. In the end, the simulation model is established under matlab/simulink, and hardware-in-the-loop simulation is verified on the RT-LAB platform. The simulation experimental results verify the effectiveness of the proposed control strategy.

microgrid;island operation; BESS; V/f; RT-LAB

1007-2322(2016)06-0033-04

A

TM619

2015-10-13

朱觀煒(1992—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姵貎δ芟到y(tǒng)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用，E-mail: zhuguanwei_wayne@163.com；譚偉璞(1964—)，男，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制等，E-mail：tanweipu@ncepu.edu.cn。