岳菁鵬，張梟，馬凱, 秦妍，董旭柱

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；2.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710000；3.武漢大學(xué) 電氣與自動(dòng)化學(xué)院, 湖北 武漢430072)

近年來(lái)，化石燃料消耗引起的全球環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，可再生能源得到了廣泛的應(yīng)用，以在滿足全球能源需求同時(shí)實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好和可持續(xù)發(fā)展[1-2]。分布式可再生能源相對(duì)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)不可控的電源，如果直接接入電網(wǎng)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成一定的負(fù)面影響。為了協(xié)調(diào)分布式可再生能源與電網(wǎng)之間的矛盾，提出了微電網(wǎng)的概念，并且其應(yīng)用受到了越來(lái)越多的關(guān)注[3-4]。儲(chǔ)能作為微電網(wǎng)中的必要元件，在其運(yùn)行管理中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，利用儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙向功率能力和靈活調(diào)節(jié)特性可以有效提高系統(tǒng)對(duì)分布式電源的接納能力，在電網(wǎng)輔助運(yùn)行方面具有不可替代的地位[5-7]。為了更加有效地實(shí)現(xiàn)其功能，儲(chǔ)能需要以電力電子變流器為接口連接至電網(wǎng)，二者共同組成儲(chǔ)能變流器。隨著儲(chǔ)能技術(shù)日益成熟、成本不斷降低，以及未來(lái)智能配電網(wǎng)的發(fā)展，儲(chǔ)能變流器將擁有廣闊的應(yīng)用前景，針對(duì)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制策略的研究具有重要意義。

常用的儲(chǔ)能變流器分為單級(jí)式和兩級(jí)式2種，如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)能變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

單級(jí)式儲(chǔ)能變流器將儲(chǔ)能介質(zhì)與逆變器直接相連，而后連接至電網(wǎng)或負(fù)載；兩級(jí)式儲(chǔ)能變流器則在儲(chǔ)能介質(zhì)與逆變器之間加入了一級(jí)DC/DC變換器，從而使得儲(chǔ)能輸入電壓有更廣的選擇范圍，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)更為靈活的功率控制。變流器拓?fù)浒措娖綌?shù)進(jìn)行區(qū)分，一般可以分為兩電平拓?fù)?、三電平拓?fù)渑c多電平拓?fù)洹６嚯娖酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜度較高、控制難度大，所以應(yīng)用較少；兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但存在設(shè)備體積大、器件應(yīng)力大和損耗大等問(wèn)題；三電平拓?fù)渚哂休敵鲋C波含量低、器件開(kāi)關(guān)損耗低效率高、設(shè)備體積小等優(yōu)點(diǎn)，在中高壓大功率逆變器的領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，更具實(shí)用價(jià)值[8-10]。因此，本文對(duì)基于三電平拓?fù)涞膬杉?jí)式儲(chǔ)能變流器進(jìn)行控制策略研究。

針對(duì)上述問(wèn)題，文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]提出中點(diǎn)鉗位型(neutral point clamped, NPC)三電平逆變器的控制策略，對(duì)NPC逆變器的工作過(guò)程與中點(diǎn)電壓平衡控制策略做了詳細(xì)說(shuō)明，但是其控制策略針對(duì)的是單級(jí)式拓?fù)?，無(wú)法實(shí)現(xiàn)寬輸入電壓范圍的儲(chǔ)能變流器應(yīng)用。文獻(xiàn)[13]提出一種以T型三電平三相半橋?yàn)橥負(fù)洌㈦x網(wǎng)工作模式為一體的電池儲(chǔ)能變流器，闡述了變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理，分析了系統(tǒng)在2種工作模式下不同的控制方式，并研制了樣機(jī)，但也是單級(jí)拓?fù)?，無(wú)法實(shí)現(xiàn)寬輸入電壓范圍。文獻(xiàn)[14]提出一種兩級(jí)式儲(chǔ)能變流器的控制策略，對(duì)直流母線穩(wěn)壓策略進(jìn)行建模與分析；文獻(xiàn)[15]提出一種基于虛擬同步機(jī)(virtual synchronous generator, VSG)控制策略的兩級(jí)式儲(chǔ)能變流器的研制方法；文獻(xiàn)[16]詳細(xì)研究了兩級(jí)式儲(chǔ)能變流器的工作原理、數(shù)學(xué)模型、裝置研制等方面，提出相應(yīng)的控制策略并研制樣機(jī)；文獻(xiàn)[17]針對(duì)兩級(jí)式儲(chǔ)能變流器的數(shù)學(xué)模型、多機(jī)控制等方面進(jìn)行詳細(xì)研究，提出多機(jī)并聯(lián)的控制策略；但是以上4者的DC/DC部分均為兩電平buck-boost結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[18]對(duì)多種三電平DC/DC變換器拓?fù)溥M(jìn)行對(duì)比介紹，對(duì)三電平DC/DC的工程應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比分析，但是沒(méi)有對(duì)三電平的具體控制策略進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[19]提出一種交錯(cuò)并聯(lián)的三電平DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制策略，詳細(xì)分析該拓?fù)鋮^(qū)別于傳統(tǒng)兩電平DC/DC變換器的電感電流紋波特性，并推導(dǎo)出紋波峰峰值解析表達(dá)式。但是其針對(duì)的僅僅是單獨(dú)使用DC/DC的應(yīng)用場(chǎng)景，與儲(chǔ)能變流器的應(yīng)用不盡相同。文獻(xiàn)[20]提出一種基于三電平拓?fù)涞膬杉?jí)式儲(chǔ)能變流器控制策略，采用三電平boost電路與T型逆變器級(jí)聯(lián)而成，對(duì)各級(jí)變流器的工作過(guò)程進(jìn)行建模分析，設(shè)計(jì)合理的控制算法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，但只能實(shí)現(xiàn)功率的單向流動(dòng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能與電網(wǎng)間功率的雙向流動(dòng)，仍有提升空間。

本文設(shè)計(jì)一種DC/DC與DC/AC均采用三電平拓?fù)涞膬杉?jí)式儲(chǔ)能變流器，前級(jí)為三電平buck-boost變換器，后級(jí)為NPC逆變器，二者通過(guò)直流母線電容級(jí)聯(lián)?；谠撏?fù)浣Y(jié)構(gòu)，首先對(duì)三電平DC/DC與三電平DC/AC的工作過(guò)程進(jìn)行分析；接著提出相應(yīng)的控制策略，以實(shí)現(xiàn)直流母線電容的穩(wěn)壓以及儲(chǔ)能與電網(wǎng)間功率的雙向流動(dòng)，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)中的無(wú)功負(fù)荷進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，以提高電網(wǎng)輸出功率因數(shù)；最后，利用MATLAB/ Simulink 工具箱搭建仿真模型，驗(yàn)證本文所提控制策略的正確性與可行性。

1 三電平-兩級(jí)式儲(chǔ)能變流器拓?fù)?/h2>

基于三電平拓?fù)涞膬杉?jí)式儲(chǔ)能變流器系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，以最常見(jiàn)的儲(chǔ)能電池作為輸入，圖2中：ibat為采樣的電池輸出電流；Udc為直流母線電壓；iL為L(zhǎng)CL第一個(gè)濾波電感的電流；uc為濾波電容電壓；ig為電網(wǎng)輸出電流；iload為負(fù)載電流。圖中DC/DC部分為三電平buck-boost電路，DC/AC部分為NPC逆變電路。

圖2 三電平-兩級(jí)式儲(chǔ)能變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由圖2可知，儲(chǔ)能電池與DC/DC相連，DC/DC輸出端通過(guò)直流母線電容Cp1和Cp2接入到DC/AC輸入端，DC/AC輸出連接LCL濾波電路，以上各部分共同組成了兩級(jí)式儲(chǔ)能變流器。儲(chǔ)能變流器最終與電網(wǎng)及負(fù)載相連。NPC逆變電路技術(shù)較為成熟，因此對(duì)其工作過(guò)程與原理不再贅述[5-7]。下面對(duì)三電平DC/DC的工作過(guò)程進(jìn)行分析。

如圖2所示，與傳統(tǒng)兩電平雙向DC/DC 變換器不同的是，三電平雙向DC/DC 變換器由兩組開(kāi)關(guān)管組成。上半部分Sa01與Sa02為一組，交替導(dǎo)通；下半部分Sa03與Sa04為一組，交替導(dǎo)通。上下2組開(kāi)關(guān)管之間采用移相控制，即相位相差恒定角度。各開(kāi)關(guān)管主要波形如圖3所示。

圖3 三電平DC/DC各開(kāi)關(guān)管主要波形

圖3中：d1和d2分別為開(kāi)關(guān)管Sa01和Sa03的占空比；Ts為開(kāi)關(guān)周期；a為驅(qū)動(dòng)信號(hào)相差的角度，左側(cè)為占空比小于0.5的工況，右側(cè)為大于0.5的工況。為了使得輸出電壓電流紋波最小，2組開(kāi)關(guān)管之間相位差常取0.5TS，即二者調(diào)制的載波相差半個(gè)開(kāi)關(guān)周期。

由圖3可得，開(kāi)關(guān)管占空比大于和小于0.5時(shí)系統(tǒng)的工作狀態(tài)有差異，下面先對(duì)升壓(boost)工作過(guò)程進(jìn)行分析。根據(jù)2組開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)斷狀態(tài)組合，電路可以分為如圖4所示的4種工作狀態(tài)。

圖4 三電平DC/DC變換器boost工作狀態(tài)

a)工作狀態(tài)1：開(kāi)關(guān)管Sa01、Sa03導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管Sa02、Sa04關(guān)斷。輸入電源Uin通過(guò)電感L、Sa01、Sa03構(gòu)成的回路為負(fù)載提供能量。

b)工作狀態(tài)2：開(kāi)關(guān)管Sa01、Sa04導(dǎo)通，Sa02、Sa03關(guān)斷。輸入電源Uin通過(guò)電感L、Sa01、Sa04構(gòu)成的回路為負(fù)載提供能量，C12單獨(dú)為負(fù)載供能。

c)工作狀態(tài)3：開(kāi)關(guān)管Sa02、Sa03導(dǎo)通，Sa01、Sa04關(guān)斷。輸入電源Uin通過(guò)電感L、Sa02、Sa03構(gòu)成的回路為負(fù)載提供能量，C11單獨(dú)為負(fù)載供能。

d)工作狀態(tài)4：開(kāi)關(guān)管Sa02、Sa04導(dǎo)通， Sa01、Sa03關(guān)斷，電感儲(chǔ)能，電容C11、C12向負(fù)載提供能量。

當(dāng)占空比小于0.5時(shí)，工作狀態(tài)包括2、3、4，沒(méi)有1；當(dāng)占空比大于0.5時(shí)，工作狀態(tài)包括1、2、3，沒(méi)有4。當(dāng)占空比小于0.5時(shí)，根據(jù)1個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感兩端電壓伏秒平衡可得

(Uin-Uc1)d1+(Uin-Uc2)d2+Uin(1-d1-d2)=0.

(1)

化簡(jiǎn)得

Uin=d1Uc1+d2Uc2.

(2)

當(dāng)占空比大于0.5時(shí)，同理，根據(jù)1個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感兩端電壓伏秒平衡仍然可以得出式(2)。即在占空比大于或者小于0.5時(shí)，變換器具有相同的輸入輸出關(guān)系。若輸出電容均分輸出電壓，也即Uc1=Uc2=Uout/2，且d1=d2=d，則有

(3)

接下來(lái)對(duì)降壓(buck)工作過(guò)程進(jìn)行分析，同理可得如圖5所示的4種工作狀態(tài)。

圖5 三電平DC/DC變換器buck工作狀態(tài)

a)工作狀態(tài)1：開(kāi)關(guān)管Sa01、Sa03導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管Sa02、Sa04關(guān)斷。輸入電源Uin通過(guò)電感L、Sa01、Sa03構(gòu)成的回路為負(fù)載提供能量。

b)工作狀態(tài)2：開(kāi)關(guān)管Sa01、Sa04導(dǎo)通，Sa02、Sa03關(guān)斷。電感L以及Sa04構(gòu)成的回路為負(fù)載提供能量，C21單獨(dú)為負(fù)載供能。

c)工作狀態(tài)3：開(kāi)關(guān)管Sa02、Sa03導(dǎo)通，Sa01、Sa04關(guān)斷。電感L、Sa02構(gòu)成的回路為負(fù)載提供能量，C22單獨(dú)為負(fù)載供能。

d)工作狀態(tài)4：開(kāi)關(guān)管Sa02、Sa04導(dǎo)通， Sa01、Sa03關(guān)斷，電感向負(fù)載提供能量。

輸入輸出電壓關(guān)系推導(dǎo)過(guò)程與boost類似，不再贅述。

由此可知，三電平雙向DC/DC變換器與兩電平具有相同的輸入輸出電壓關(guān)系，但根據(jù)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作狀態(tài)可知，三電平拓?fù)渲虚_(kāi)關(guān)管只承受了兩電平中一半的應(yīng)力，損耗更小，且多電平工作模式使得輸出電壓電流諧波小，更具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。這也是本文所提出的三電平儲(chǔ)能變流器的優(yōu)勢(shì)所在。

2 儲(chǔ)能變流器控制策略設(shè)計(jì)

第1章對(duì)基于三電平的兩級(jí)式儲(chǔ)能變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作過(guò)程進(jìn)行了介紹，本章將設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制策略。兩級(jí)式儲(chǔ)能變流器的控制策略分別針對(duì)前級(jí)DC/DC變換器及后級(jí)DC/AC變換器，通過(guò)合理地設(shè)計(jì)控制策略，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池與電網(wǎng)間功率的雙向流動(dòng)、對(duì)電網(wǎng)無(wú)功負(fù)荷的無(wú)功補(bǔ)償、直流母線電壓的穩(wěn)定以及三電平分壓電容中點(diǎn)電壓的平衡。

2.1 前級(jí)DC/DC控制策略設(shè)計(jì)

如前所述，前級(jí)DC/DC為雙向三電平buck-boost電路，用于拓寬儲(chǔ)能變壓器的輸入電壓范圍，同時(shí)控制儲(chǔ)能電池功率的雙向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)充放電功能。其控制框圖如圖6所示，圖中：Pref為儲(chǔ)能電池功率給定值，正值代表放電，負(fù)值代表充電；ubat為儲(chǔ)能電池電壓；ibat為采樣的電池輸出電流。

圖6 前級(jí)DC/DC控制框圖

前級(jí)DC/DC控制策略采用電流單環(huán)控制，傳統(tǒng)的PI控制器用于控制儲(chǔ)能電池輸出電流跟隨給定值，實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)。如前所述，三電平DC/DC上下兩組開(kāi)關(guān)管控制信號(hào)之間相差半個(gè)開(kāi)關(guān)周期，即調(diào)制部分的PWM1與PWM2的載波相差180°，分別用于控制Sa01、Sa02與Sa03、Sa04。

當(dāng)Pref為正值時(shí)，DC/DC工作在boost狀態(tài)，儲(chǔ)能電池恒流放電，功率由儲(chǔ)能流向電網(wǎng)，此時(shí)PWM脈沖信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管Sa02和Sa03工作， Sa01與Sa04處于閉鎖狀態(tài)，僅與之并聯(lián)的二極管起續(xù)流作用。當(dāng)Pref為負(fù)值時(shí)，DC/DC工作在buck狀態(tài)，儲(chǔ)能電池恒流充電，功率由電網(wǎng)流向儲(chǔ)能，此時(shí)PWM脈沖信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管Sa01和Sa04工作，Sa02與Sa03處于閉鎖狀態(tài)，僅與之并聯(lián)的二極管起續(xù)流作用。

2.2 后級(jí)DC/AC控制策略設(shè)計(jì)

后級(jí)DC/AC為NPC逆變電路，用于穩(wěn)定直流母線電壓以及控制儲(chǔ)能變流器輸出無(wú)功功率。由于傳統(tǒng)的PI控制器對(duì)交流量控制存在靜態(tài)誤差，因此需要對(duì)三相量進(jìn)行dq變換之后在dq坐標(biāo)系下進(jìn)行控制，從而獲得更好的控制效果。其控制框圖如圖7所示，圖中udcref為udc的參考值。

圖7 后級(jí)DC/AC控制框圖

圖7中：ug為電網(wǎng)電壓；PLL為鎖相環(huán)；wt為鎖相得電網(wǎng)相位作為dq變換參考相位；iL為逆變側(cè)濾波電感電流；Udc為直流母線電壓；下標(biāo)d和q分別代表d軸分量和q軸分量，下同。

由圖7可知，后級(jí)DC/AC的控制環(huán)分為d軸和q軸兩部分。d軸采用電壓電流雙環(huán)控制，用于穩(wěn)定直流母線電壓。電壓外環(huán)反饋值為直流母線電壓，控制其跟隨給定值；電壓外環(huán)的輸出作為電流內(nèi)環(huán)的給定值，平衡逆變器兩側(cè)的功率流動(dòng)。q軸采用電流單環(huán)控制，用于控制逆變器輸出負(fù)載所需的無(wú)功電流，實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償，其指令值的計(jì)算方法推導(dǎo)如下。

根據(jù)瞬時(shí)功率理論，dq坐標(biāo)系下負(fù)載功率計(jì)算式為：

(4)

由式(4)知，q軸電流iq代表負(fù)載所需補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流值。根據(jù)基爾霍夫電流定理，取圖2所示箭頭方向?yàn)殡娏髡较?，可?/p>

iload=iinv+ig.

(5)

式中：iinv為逆變器輸出電流；ig為電網(wǎng)輸出電流。轉(zhuǎn)換到dq坐標(biāo)系下為

iload_d+iload_q=iinv_d+iinv_q+igd+igq.

(6)

由式(6)知，控制逆變器輸出q軸電流iinv_q等于負(fù)載所需的q軸電流iload_q，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載無(wú)功功率的補(bǔ)償，保證電網(wǎng)輸出中的q軸分量igq為0，提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量。因此q軸指令值為負(fù)載電流q軸分量，如圖7所示。

2.3 中點(diǎn)電壓平衡控制策略

三電平變流器直流側(cè)存在上下2個(gè)分壓電容，如果不加以控制，上下2個(gè)電容間的電壓差會(huì)逐漸增大，形成中點(diǎn)電壓不平衡，最終導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。本節(jié)將對(duì)中點(diǎn)電壓偏差進(jìn)行建模分析，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)中點(diǎn)電壓平衡控制策略。

NPC逆變器三相工作模式相似，因此取A相進(jìn)行分析，如圖8所示。

圖8 NPC逆變器A相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及電流示意圖

設(shè)上主開(kāi)關(guān)管Sa1占空比為d1，下主開(kāi)關(guān)管Sa4占空比為d4。則圖8中上半部分電流i1、下半部分電流i2以及總電流i之間與占空比之間的關(guān)系為

i1=-d1i,i2=d4i.

(7)

由于三相工作過(guò)程一致，可得：

(8)

式中：u1為上方電容Cp1兩端的電壓；u2為下方電容Cp2兩端的電壓；d1和d2的下標(biāo)abc分別代表ABC三相的上下主管占空比。實(shí)際應(yīng)用中，兩電容的容值大小相等，均為C，則將式(8)兩式相加得

(9)

式中ma、mb、mc為調(diào)制度，ma=d1a-d4a，類似得到mb、mc。將式(8)兩式相減即可得上下電容壓差與占空比間的關(guān)系，即

(10)

其中

|mx|=d1x+d4x,(x=a,b,c).

(11)

式(10)即為中點(diǎn)電壓偏差方程，由此可得，為控制上下電壓差，則需要在式(10)右側(cè)疊加直流偏移量。本文采用在調(diào)制波上疊加直流分量的方法進(jìn)行中點(diǎn)平衡控制，其控制框圖如圖9所示，圖9中Pabc為圖7控制框圖中dq軸控制環(huán)后生成的三相調(diào)制波。

圖9 中點(diǎn)電壓平衡控制框圖

3 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證所提出的基于三電平拓?fù)涞膬杉?jí)式儲(chǔ)能變流器控制策略的正確性與可行性，搭建基于MATLAB/Simulink的仿真模型。

首先驗(yàn)證本文提出的三電平buck-boost拓?fù)湎噍^傳統(tǒng)兩電平拓?fù)涞膬?yōu)越性，在同等濾波參數(shù)下，當(dāng)電流指令值設(shè)為40 A時(shí)，電池恒流放電，2種拓?fù)湎码姵剌敵鲭娏鞑ㄐ畏謩e如圖10和圖11所示。

圖10 兩電平拓?fù)湎码姵剌敵鲭娏鞑ㄐ?恒流放電)

圖11 三電平拓?fù)湎码姵剌敵鲭娏鞑ㄐ?恒流放電)

由圖10和圖11可知，在同等濾波條件下，兩電平拓?fù)湎码姵剌敵鲭娏骷y波達(dá)到了近20 A，而三電平拓?fù)鋬H4 A，電流輸出紋波大大減小。因此，在同等的THD指標(biāo)下，三電平儲(chǔ)能變流器對(duì)濾波電路的要求比傳統(tǒng)兩電平儲(chǔ)能變流器的要求更低，濾波電感選取更小，從而可以大大減小設(shè)備體積，提高設(shè)備的功率密度，應(yīng)用價(jià)值更高。

當(dāng)電流指令值設(shè)為負(fù)值時(shí)，即可對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)行恒流充電，功率從電網(wǎng)流向儲(chǔ)能設(shè)備，如圖12所示。當(dāng)電流指令值為-40 A，由圖12可知，電網(wǎng)通過(guò)儲(chǔ)能變流器給儲(chǔ)能電池恒流充電，充電電流基本跟隨指令值，且充電電流紋波較小，有利于提高儲(chǔ)能電池的使用壽命。

圖12 三電平拓?fù)湎码姵剌敵鲭娏鞑ㄐ?恒流充電)

本文提出的儲(chǔ)能變流器控制策略還可以用于補(bǔ)償負(fù)載所需的無(wú)功功率，提高電網(wǎng)輸出功率因數(shù)。當(dāng)配電網(wǎng)存在無(wú)功負(fù)荷時(shí)，引入儲(chǔ)能變流器前后電網(wǎng)輸出電壓電流分別如圖13和圖14所示。當(dāng)配電網(wǎng)存在無(wú)功負(fù)荷時(shí)，電網(wǎng)輸出電壓電流存在相位差，即功率因數(shù)不為1；引入儲(chǔ)能變流器后，電網(wǎng)輸出電壓電流間幾乎無(wú)相位差，功率因數(shù)得到了顯著提高。

圖13 引入儲(chǔ)能變流器前電網(wǎng)輸出電壓、電流

圖14 引入儲(chǔ)能變流器后電網(wǎng)輸出電壓、電流

直流母線電壓穩(wěn)定以及分壓電容中點(diǎn)電壓平衡是儲(chǔ)能變流器工作的另一重要指標(biāo)，在引入本文所提中點(diǎn)電壓平衡控制策略前后，直流母線電容電壓波形分別如圖15和圖16所示。此時(shí)直流母線電壓指令值為900 V，上下電容電壓均為450 V，直流母線電壓被穩(wěn)定控制在了900 V。在引入中點(diǎn)平衡控制前，上下電容電壓差不斷增大，中點(diǎn)電壓失衡；在引入中點(diǎn)平衡控制后，上下電容電壓差一直在0附近小范圍波動(dòng)，中點(diǎn)電壓穩(wěn)定。

圖15 引入中點(diǎn)平衡控制前母線電容電壓

圖16 引入中點(diǎn)平衡控制后母線電容電壓

為了實(shí)現(xiàn)額定電壓下的逆變，直流母線電壓需要被控制在較高的值，仿真中為900 V，因此若采用單級(jí)式拓?fù)?，直流輸入電壓即為直流母線電壓，最低不能低于兩倍相電壓(625 V)，其輸入電壓范圍為625～900 V。而采用本文提出的兩級(jí)式拓?fù)鋾r(shí)，直流輸入電壓僅240 V，在boost電路的作用下，直流輸入電壓范圍為240～900 V，實(shí)現(xiàn)了寬直流輸入電壓范圍應(yīng)用。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證本文所提出的基于三電平拓?fù)涞膬杉?jí)式儲(chǔ)能變流器控制策略的可行性，基于所提出的理論方法研制儲(chǔ)能變流器樣機(jī)，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證控制策略，如圖17和圖18所示。儲(chǔ)能變流器部分關(guān)鍵參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 儲(chǔ)能變流器關(guān)鍵參數(shù)

圖17 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布局

圖18 儲(chǔ)能變流器局部

如前所述，當(dāng)電流指令設(shè)置為25 A時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備恒流放電，輸出電壓與輸出電流波形如圖19所示。

圖19 儲(chǔ)能恒流放電時(shí)電壓與電流波形

當(dāng)電流指令設(shè)置為-24 A時(shí)，電網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備恒流充電，輸出電壓與輸出電流波形如圖20所示。

圖20 儲(chǔ)能恒流充電時(shí)電壓與電流波形

由圖19與圖20知，儲(chǔ)能設(shè)備輸出電流可以精準(zhǔn)跟隨給定值，實(shí)現(xiàn)恒流放電與恒流充電，即實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能設(shè)備與電網(wǎng)間功率的雙向流動(dòng)。根據(jù)示波器所測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得電流紋波約為4%，隨著電流值的增大紋波值會(huì)進(jìn)一步減小，驗(yàn)證了本文所提出的三電平DC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

直流母線上下電容的電壓波形如圖21所示。

由圖21，直流母線總電壓為741 V，基本上跟隨了電壓指令值，且母線電壓穩(wěn)定。上下兩電容間電壓差為9 V，實(shí)現(xiàn)了中點(diǎn)電壓平衡。

圖21 直流母線電容電壓

令儲(chǔ)能變流器輸出純感性的無(wú)功功率以驗(yàn)證無(wú)功補(bǔ)償功能，即buck-boost電流給定值為0，逆變器q軸指令值為14 A(峰值)，此時(shí)儲(chǔ)能變流器輸出電壓電流波形如圖22所示。

圖22 輸出純無(wú)功時(shí)儲(chǔ)能變流器輸出電壓電流

由圖22知，無(wú)功電流峰值為13.78，較為精準(zhǔn)地跟隨了電流指令值，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償，有效提高配電網(wǎng)功率因數(shù)。由示波器所測(cè)數(shù)據(jù)，線電壓與線電流間相位差為120°，為線電壓帶來(lái)的30°相位差與純無(wú)功帶來(lái)的90°相位差之和，表征了輸出電流為純無(wú)功電流。

在圖22所示的情況下，給定buck-boost電流指令值為24 A，儲(chǔ)能變流器同時(shí)輸出有功功率與無(wú)功功率，其輸出電壓電流波形如圖23所示。由圖23知，儲(chǔ)能變流器能夠很好地實(shí)現(xiàn)同時(shí)出有功功率與無(wú)功功率，即滿足前文所述的功率雙向流動(dòng)與無(wú)功補(bǔ)償?shù)亩喙δ茏饔谩?/p>

圖23 同時(shí)輸出有功功率和無(wú)功功率時(shí)儲(chǔ)能變流器輸出電壓電流

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著新能源發(fā)電與微電網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，儲(chǔ)能成為微電網(wǎng)的重要支撐部分，因此，對(duì)于儲(chǔ)能變流器拓?fù)渑c控制策略的研究具有重要意義。本文提出了一種基于三電平拓?fù)涞膬杉?jí)式儲(chǔ)能變流器的控制策略，并研制了樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能設(shè)備與電網(wǎng)間有功功率與無(wú)功功率的雙向流動(dòng)。

本文的研究?jī)?nèi)容彌補(bǔ)了兩級(jí)式三電平儲(chǔ)能變流器方面的應(yīng)用空白，設(shè)計(jì)了前后級(jí)均采用三電平拓?fù)涞膬?chǔ)能變流器，并為該拓?fù)湓O(shè)計(jì)了協(xié)調(diào)控制策略，最終研制了工程可用的樣機(jī)。樣機(jī)具有電流紋波小、功率密度高、直流輸入電壓范圍寬的優(yōu)點(diǎn)。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證了所提出拓?fù)渑c控制策略的可行性與實(shí)用性。