一種雙向儲能變流器并網控制策略研究

摘要：介紹了一種雙向儲能變流器(PCS)主電路拓撲結構。針對變流器并網電流諧波問題，提出一種基于復合控制技術的電流諧波抑制策略。由于受到電網諧波及調制的影響，雙向儲能變流器的并網電流中含有一定諧波，降低了裝置輸出電能質量。采用結合比例積分(PI)和重復控制的復合控制策略，能有效抑制雙向PCS并網電流的諧波含量，并保證了系統雙向控制的動態響應速度。在此基礎上，研制了一臺100 kW雙向PCS樣機。實驗結果驗證了所提變流器并網控制方法的有效性和可行性。
關鍵詞：儲能變流器；并網；諧波抑制

1 引言
大容量電池儲能系統具有消峰填谷、平抑新能源發電出力波動、提供應急電源等功能，是智能電網建設和微網運行的重要發展方向。雙向PCS是實現直流儲能電池與交流電網之間雙向能量傳遞的關鍵設備，其控制性能決定著整個儲能系統的可靠性、控制精度和輸出電能質量等重要指標。但受電網電壓擾動及調制等因素影響，PCS并網電流中會含有大量諧波，導致系統諧波含量指標欠佳。此處對PCS中雙向并網電流諧波抑制問題進行研究，給出采用PI控制和重復控制并聯的復合控制算法，使系統的雙向控制精度和輸出電能質量都得到較大提高。最后通過實驗驗證了所提方法的有效性。

2 主電路與建模
2．1 主電路拓撲
圖1示出一種雙級式PCS主電路拓撲結構。

前級為DC／DC直流變換器，采用半橋式雙向Buck-Boost電路將電池電壓升壓至直流母線電壓，根據直流側電流／功率指令的閉環控制實現直流功率的雙向傳遞；后級為DC／AC逆變整流器，采用三相全橋電路和LCL濾波器將直流母線電壓逆變為三相交流電網電壓，其中濾波電感Lg可設計為隔離變壓器漏感，以減小裝置體積。由于LCL濾波器在諧振頻率以上以60 dB／dec斜率衰減，故可很好地抑制并網電流中的高頻諧波。后級變流器采用電壓外環、電流內環的雙閉環控制方式。電壓外環控制器通過穩定直流母線電壓產生參考電流信號，再通過電流內環控制器實現交流側有功和無功調節，以提高系統的動態性能并實現限流保護。前級變換器負責調節PCS直流側充放電電流，僅通過直流母線與后級并網變流器相連。為減小直流電流紋波，前級DC／DC變換器可采用多重化載波移相方法進行多組并聯。由于系統穩態下前級變換器對PCS并網電流波形質量的影響較小，故此處不對DC／DC控制作詳細分析。
2．2 并網變流器分析
為便于分析，將后級并網側變流器模型從三相靜止a，b，c坐標系變換到兩相同步旋轉d，q坐標系，得到其數學模型為：

式中：Rf，Rg為Lf，Lg附加電阻；us為電網電壓；ω為電網電壓角頻率。