非理想电网下储能变流器下垂控制分析

张修睿，郭权利

（沈阳工程学院，辽宁沈阳，110136）

0 引言

在电力行业发展的过程中，新能源、智能电网、电动汽车较之过去得到了显著发展，储能技术的市场需求占比逐渐增加。储能技术的使用可有效解决新能源发电在环境和天气方面所面临的不稳定问题，它用“削峰填谷”的方式平衡了电网中的能量。储能变流器在储能系统中起着接口的作用，目的是实现能量在系统中的转换，在储能介质控制和整体设备控制方面承担了重要作用。同时，它也在储能系统运行方面扮演了主要角色，它的性能优良直接关系到系统运行的好坏。在工业规模提升的同时，促进了精密仪器市场应用范围的扩大。电能质量的好坏时刻影响着元件仪器的使用寿命，电力系统中发生频率最高的电能质量问题是电压暂降，因此寻找应对电压暂降的有效方法，越来越成为学者们关注的重点。以DC/DC级联型储能变流器拓扑结构为研究基础，为达到有效独立控制各个电池模块的目的，采用将DC/DC级联型拓扑的输入侧与独立电池组连接的手法，输出经过DC/AC环节实现交流并网[1]。

1 级联型储能变流系统的拓扑结构

对于电能设置而言，在大部分情况下是很难储存的。就之前而言，在生产电力的同时兼顾发电、输电和用电等，为了平衡电能供给，调度一直作为电能供应保障最有利的手段。在社会繁荣发展的同时，电网建设格局稳步上升，为了适应时代发展的步伐，满足微电网的本质条件是新能源发电输出功率要遵守的条件之一，就储能方面而言，关键就是如何去运用它的调峰作用。

储能变流器的拓扑结构分为单级型和双级型，就单级型而言，这种结构能量调节的灵活度差，系统输出的电压波形也不稳定，均流特性也需多推敲提高。从拓扑结构角度来说，单级型与多级型相比，多级型储能变流器的拓部结构多了一个DC/DC环节。为了扩大蓄电池组的工作电压范围，可以采用多级型储能变流器，它可以用DC/DC变换器把直流电转换为更大的电压，接着传给pwm变流器，进行逆变后输入电网。下面是级联型储能变流器的拓扑结构(如图1所示)。

图1 级联型储能变流器的拓扑结构

这种拓扑结构的优点有如下几点：首先，使用范围扩大了，它更适用于多组电池投入的工作场合，通过独立控制DC/DC环节来达到调节多组电池充放电参数的目的，而且它们之间互为独立、个不影响。再者，因为工作电压范围的提高，所以扩大了电池组的使用范围。最后，电池组投入和切换的灵活性有了显著攀升，推动了电池储能系统容量配置合理性的发展，方便了人们在运行时的操作和进行后期有效管理[2]。

2 DC/DC 环节的拓扑结构

2.1 隔离型DC/DC的拓扑结构

传统的双向DC/DC换流器目光聚集于改进双向隔离型DC/DC 换流器拓扑结构及其控制策略。双向隔离型 DC/DC 变换器大部分由桥式、反激式、正激式、推挽式等结构组合而成，它们有各自的适用领域，彼此之间的特性也不尽相同。为了实现电网与电池系统或分布式电源之间的电气隔离，可以采用隔离型DC/DC变换器，它依靠自身的高频或低频变压器来达到升压和隔离的目的，这样一来，安全性也有很大提高，因为避免产生了对地漏电流。一般来说，低频变压器使用时会有造价较高、体积较大、噪音较大等缺点，高频变压器使用时其性能会干扰DC/DC环节，致使综合技术指标判断不准。

2.2 非隔离型DC/DC的拓扑结构

非隔离型DC/DC换流器因其本身具有拓扑结构简单、元件少、可靠性高等优点，所以显著提高了整个系统的运行效率，最大的优势表现在其没有工频或高频变压器环节。非隔离型DC/DC变换器主要有半桥式、全桥式和Buck-Boost 级联型等三种拓扑结构（如图2示）[3]。半桥式双向DC/DC变换器的运行电流方向没有规定，为正为负都可以，因其具有极性一致的输出电压与输入电压。其优势是电路简单，涉及元件数量较少；不足之处是对电池侧的电压有严格要求，一般工作在较高电压下，而且电压利用率低，总体来说，效率也比较低。

图2 非隔离型双向DC/DC变换器

全桥式双向 DC/DC 变换器对工作条件要求没那么苛刻，可工作在任意电压电流极性下，整个象限内都可运行。半桥式DC/DC变换器和全桥式DC/DC变换器的主要区别是，后者的开关元件数目更多，有更为复杂的控制回路 。在相同的工作条件下，全桥式DC/DC变换器的工作电压更低，损耗较少。在IGBT功率器件应用率大幅提高的环境下，全桥式拓扑结构应用较之过去得到了更多的发展，绝大部分与高频大功率双向DC/DC变换器适配。工作在正向或反向条件下的Buck-Boost级联型双向 DC/DC 变换器，它拥有相同极性的输出电压和输入电压，因此可转换升压或装换降压。应用级联型双向 DC/DC变换器时，需搭配直流电压源模块，且都是独立的，但其有控制简单、模块化实现度高的优点。由于目前单个电力电子器件的电流定额远不能满足大功率DC/DC变换器的要求，多重化DC/DC变换器成为非隔离型DC/DC的重要研究和发展方向[4]。

3 改进型串联下垂控制

在不忽略下垂电流在电流大小和功率平衡效果方面的制约，确定研究对象为I-P下垂法，提出一种改良的串联型下垂控制方法：

上式中，I*是电流基准值，计算方式基于上级功率指令得到，为下垂参考电流，P、P、P分别为模块一、12av二的功率及既有平均功率。一般情况下，m取值比较小，当P1≈P2≈Pav时，模块功率平衡效果会有很大提升，在闭环稳定的情况下，若iref≈IΔ（IΔ为工作电流），则电流理论值等于输出电流实际值。当m值增大，给定电流大小不变，均压效果只会随着各模块输出电流与给定平均电压之差的减小而变得越好，如此可见，模块均压效果不受给定工作电流的限制。

为了解决输出电流下降引发的影响，本文引入了一种发生在组串控制器内的改进补偿方法，如图3所示，通过闭环控制输出电流和给定电流，为了补偿输出电流，PI控制器可输出补偿量Icom，再将Icom补偿到各模块的给定电流上。

图3 下垂电流补偿控制框图

通过以上分析，得出经过电流补偿后的下垂控制表达式为：

通常变流器输出电流有纹波出现，且选择的通信方式一般传输速度较低，在数值选择上补偿电流闭环PI参数偏小，在速度调节方面不会过快。

4 仿真实验

本文通过simulink模块搭建了级联型储能变流器仿真模型，对改良后的下垂控制策略进行仿真实验，具体指功率指令不变条件下的母线电压突变动态响应仿真。仿真直流母线电压设置为300V，假设系统额定电压突变为330V，当变流器工作状态为放电情况时，Pav=375W，I′=9.09A，如图 4所示，母线电压突变的同时，模块放电功率只有小幅下降，随后保持不变；输出电流有迅速突变减小，而后保持不变；下垂控制电流突变减小再增大，而后逐渐减小。

图4 放电运行状态波形

如图5所示，当变流器工作状态为充电情况时， 模块充电功率随着母线电压的突变而下降后有小幅攀升，但一直低于之前的功率；输出电流缓慢减小而后趋于稳定；下垂控制电流突然下降而后减小趋于稳定。上述所见波形变化情况与前文分析一致。

图5 充电运行状态波形

5 结论

为了消除模块化独立控制器测量误差引起的严重电压不规则现象，本文基于变换器并联下垂控制原理，提出了一种解决偏差问题的优化下垂控制方法，推导了模块电压和功率的不对称情况，分析了串联控制的动态响应和误差状态。通过在simulink搭建模型仿真验证了理论分析的正确性。