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基于分布式电源接入的储能变流器中点电位控制方法

2024-11-26 84 上传者：管理员

摘要：以提升储能变流器的输出电压质量，研究基于分布式电源接入的储能变流器中点电位控制方法。构建分布式电源接入的储能变流器的数学模型，利用帕克变换矩阵，将储能变流器输出的三相瞬时值信号变换至dq两相同步旋转坐标系下。采用内外环结合的方式，设计平衡控制器。选取PID控制算法作为平衡控制器的内、外环控制算法，分别控制储能变流器的电流与电压，生成最终的储能变流器中点电位控制指令。利用正弦脉宽调制技术，依据控制指令驱动储能变流器功率器件的开关，实现储能变流器的中点电位控制。实验结果表明，采用该方法控制储能变流器的中点电位，直流侧电压与设定值差值仅为2 V，直流侧电流未出现明显的波动。

关键词：
PID控制
中点电位
储能变流器
分布式电源
平衡控制器
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电力系统中能源结构不断调整，分布式电源在电力系统中的地位日益提升[1]。分布式电源，如太阳能光伏、风能等，因其清洁、可再生的特性，被广泛应用于电力系统的发电侧。储能变流器是连接分布式电源与电网的关键设备，将分布式电源产生的电能转换为供电网应用的电能[2-4]，还承担着稳定电网电压、平衡电网功率波动等重要任务。储能变流器运行过程中，中点电位的波动可能导致设备损坏、电网电压波动等问题。中点电位的稳定性对于保证整个系统的可靠运行至关重要。由于分布式电源接入带来的复杂性和不确定性[5-6]，传统的中点电位控制方法往往难以适应这种多变的环境。研究基于分布式电源接入的储能变流器中点电位控制方法，对于提高电力系统的稳定性、优化能源结构、促进可再生能源的利用具有重要意义。

近年来众多研究学者针对储能变流器控制进行研究。文献[7]针对储能变流器的离网并联控制进行研究，该方法采用离网并联控制策略，不需要额外的互联线来连接各储能变流器，降低了系统的复杂性。虽然该策略不需要互联线连接各储能变流器，但仍然需要可靠的通信系统，实现模块间的信息交换和协调控制；文献[8]研究储能变流器的惯性提升方法，但是该方法对系统的动态特性较为敏感，储能变流器的惯性响应变化，会对系统的动态特性产生显著影响；文献[9]将有源阻尼控制方法应用于储能变流器中，通过储能系统的主动参与，增强系统的稳定性，减少次/超同步振荡的发生。但是该方法过于依赖储能系统的参与，实现对电力系统振荡的抑制。如果储能系统出现故障或容量不足，将影响储能变流器的控制效果。

针对以上方法在储能变流器控制中存在的问题，研究基于分布式电源接入的储能变流器中点电位控制方法，以期通过储能变流器中点电位的高效控制，为可再生能源的利用作出一定的贡献。

1、储能变流器中点电位控制方法

1.1 分布式电源接入的储能变流器数学模型构建

为了构建分布式电源接入的储能变流器数学模型，针对储能变流器所在电力系统的主电路，提出如下假设：

(1）利用三相平衡的纯正弦波电动势[10]，作为接入分布式电源的电力系统的主电路的电动势。

(2）选取线性电感作为电力系统的交流侧的滤波电感L，不考虑滤波电感饱和的情况[11]。

(3）设置理想开关与变流器的功率开关损耗电阻串联，等效于功率开关管。

储能变流器是连接电池组与电网侧的重要设备。为了模拟蓄电池组的充放电动态特性[12]，通过串联内电阻R与可控电压源E，模拟储能变流器运行时，蓄电池充放电的动态特性。蓄电池的内阻R具有时变特性，其表达式如下：

式中：R0与SOC分别表示满电荷时，蓄电池的初始值以及蓄电池的剩余容量。

选取电压型三相桥式电路，作为接入分布式电源的电力系统的储能变流器[13]。定义储能变流器的开关函数Sk如下：

式中：Vk与Vk′均为等效的理想开关。

利用基尔霍夫定律，确定配电网的零电位后，构建储能变流器的相关方程组如下：

式中：L与R=R1+R2分别表示电网侧滤波电感以及等效损耗电阻；Ik与Ek分别表示电网侧电流以及电动势；k=a,b,c;Udc与IL分别表示直流侧电压以及电流；UN表示N点电位；C表示电容。

由于接入分布式电源的电力系统属于三相平衡系统，其电流与电动势存在如下的表达式：

综合式（6）与式（7），可得分布式电源接入储能变流器的N点电位表达式如下：

通过式（8）可以看出，当储能变流器的数学模型位于三相静止坐标中时，储能变流器属于时变的交流分量[14]，影响储能变流器的中点电位控制性能。为了简化储能变流器的中点电位控制方法，将分布式电源接入储能变流器的三相瞬时值信号[15]，利用帕克变换矩阵变换至dq两相同步旋转坐标系下，可得表达式如下：

式中：Ud、Uq与Id、Iq分别表示dq坐标系下的交流侧输出电压以及网侧电流；Ed、Eq为网侧电压。

1.2 基于平衡控制器的储能变流器中点电位控制方法

利用正弦脉宽调制技术，驱动储能变流器的功率器件的开关，实现储能变流器中点电位的控制。所设计的平衡控制器采用内外环结合的控制结构。利用控制器的外环控制器，控制储能变流器的电压，保障储能变流器的直流侧电压稳定性，提升储能变流器的运行稳定性。利用内环控制器，直接控制储能变流器的输出电流，提升电力系统的动态响应性能。通过合理设置平衡控制器的参数，保障储能变流器的中点电位控制。

1.3 储能变流器中点电位控制的PID控制算法

平衡控制器的内环控制器与外环控制器，采用PID控制器算法，进行储能变流器的电流与电压的调节。依据对称原则取样法，进行电流与电压信号的三角波调制，并对三角波调制结果移位处理，获取储能变流器的控制脉冲。

PID控制算法的控制表达式如下：

式中：d(t）表示储能变流器中点电位的控制变量；Kp、Ki、Kd分别表示比例、积分、微分控制系数；d(t）与d(t-1）、d(t-2）分别表示采样点为t、t-1、t-2时，储能变流器中点电位的控制偏差；Tz表示采样周期。

PID控制算法中，储能变流器中点电位的控制增量表达式如下：

平衡控制器利用PID控制算法进行储能变流器的电流与电压的控制，控制储能变流器的中点电位维持平衡状态。

2、实例分析

为了验证所研究的中点电位控制方法对储能变流器的控制性能，将该方法应用于某接入分布式电源的电力系统中。该电力系统接入了光伏发电设备、风力发电设备等分布式电源。接入分布式电源的电力系统的电压有效值为220 V，电网频率为50 Hz。实验采用NPC三电平变流器作为储能变流器。

采用本文方法对储能变流器进行中点电位控制，储能电池为充电模式与放电模式时，设置电流为5 A、6 A、7 A作为恒流控制指令。采用本文方法控制储能变流器的中点电位，控制结果如图1所示。实验结果可以看出，本文方法对接入分布式电源的电力系统进行中点电位控制时，电流的响应速度有明显的优势，储能变流器直流侧的电流未出现明显的波动，能够保持稳定的运行状态。

图1 不同模式时直流侧电流响应

采用本文方法对储能电流器进行中点电位控制，负载侧输出的三相电流纹波如图2所示。实验结果可以看出，在本文方法的中点电位控制方法下，所获取的储能变流器的电流输出波形对称性较高，且波形呈现明显的正弦趋势。

图2 交流侧电流波形图

为了验证本文方法对无功条件下储能变流器的中点电位控制性能，将电容器连接在储能变流器的两个直流侧。储能变流器直流侧的电压控制结果如图3所示。实验结果可以看出，本文方法能够保持较小的储能变流器直流侧电压波动，保障接入分布式电源的电力系统的稳定运行。

图3 直流侧电压控制结果

中点电位平衡问题指直流侧上下电容电压不相等的情况。采用本文方法控制储能变流器的中点电位，获取的接入分布式电源的电力系统的网线侧电压如图4所示。当储能变流器用于储能系统并接入三相交流电网时，电网的电容电压可能会影响储能变流器的运行状态，包括中点电位平衡情况。实验结果可以看出，采用本文方法能够保证中点电位平衡，输出的网线侧电压波形具有较高的质量，未发现明显的谐波信号。

图4 网线侧电压波形图

利用不平衡指令的响应时间评估储能变流器中点电位的平衡控制能力。接入分布式电源的电力系统运行过程中，储能变流器中点电位控制的不平衡度如图5所示。实验结果可以看出，本文方法能够保障储能变流器的可靠运行。采用本文方法对储能变流器进行中点电位控制，将储能变流器的电流与电压控制在理想范围内，实现中点电位的高效平衡。

图5 中点电位控制结果

3、结语

在分布式电源接入的电力系统中，储能变流器的中点电位稳定性直接影响到整个系统的电能质量和稳定运行。提出分布式电源接入的储能变流器中点电位控制方法，引入了平衡控制器，有效提高了中点电位的稳定性和控制性能。实验结果表明，该方法能够快速响应电源和负载的变化，保持中点电位在允许范围内波动，从而提高了储能变流器的性能和可靠性。该方法提高了电力系统的稳定性，适用于复杂的分布式电源接入环境中。

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