一种双向储能变流器并网控制策略研究

摘要：介绍了一种双向储能变流器(PCS)主电路拓扑结构。针对变流器并网电流谐波问题，提出一种基于复合控制技术的电流谐波抑制策略。由于受到电网谐波及调制的影响，双向储能变流器的并网电流中含有一定谐波，降低了装置输出电能质量。采用结合比例积分(PI)和重复控制的复合控制策略，能有效抑制双向PCS并网电流的谐波含量，并保证了系统双向控制的动态响应速度。在此基础上，研制了一台100 kW双向PCS样机。实验结果验证了所提变流器并网控制方法的有效性和可行性。
关键词：储能变流器；并网；谐波抑制

1 引言
大容量电池储能系统具有消峰填谷、平抑新能源发电出力波动、提供应急电源等功能，是智能电网建设和微网运行的重要发展方向。双向PCS是实现直流储能电池与交流电网之间双向能量传递的关键设备，其控制性能决定着整个储能系统的可靠性、控制精度和输出电能质量等重要指标。但受电网电压扰动及调制等因素影响，PCS并网电流中会含有大量谐波，导致系统谐波含量指标欠佳。此处对PCS中双向并网电流谐波抑制问题进行研究，给出采用PI控制和重复控制并联的复合控制算法，使系统的双向控制精度和输出电能质量都得到较大提高。最后通过实验验证了所提方法的有效性。

2 主电路与建模
2．1 主电路拓扑
图1示出一种双级式PCS主电路拓扑结构。

前级为DC／DC直流变换器，采用半桥式双向Buck-Boost电路将电池电压升压至直流母线电压，根据直流侧电流／功率指令的闭环控制实现直流功率的双向传递；后级为DC／AC逆变整流器，采用三相全桥电路和LCL滤波器将直流母线电压逆变为三相交流电网电压，其中滤波电感Lg可设计为隔离变压器漏感，以减小装置体积。由于LCL滤波器在谐振频率以上以60 dB／dec斜率衰减，故可很好地抑制并网电流中的高频谐波。后级变流器采用电压外环、电流内环的双闭环控制方式。电压外环控制器通过稳定直流母线电压产生参考电流信号，再通过电流内环控制器实现交流侧有功和无功调节，以提高系统的动态性能并实现限流保护。前级变换器负责调节PCS直流侧充放电电流，仅通过直流母线与后级并网变流器相连。为减小直流电流纹波，前级DC／DC变换器可采用多重化载波移相方法进行多组并联。由于系统稳态下前级变换器对PCS并网电流波形质量的影响较小，故此处不对DC／DC控制作详细分析。
2．2 并网变流器分析
为便于分析，将后级并网侧变流器模型从三相静止a，b，c坐标系变换到两相同步旋转d，q坐标系，得到其数学模型为：

式中：Rf，Rg为Lf，Lg附加电阻；us为电网电压；ω为电网电压角频率。

图2示出三相DC／AC变流器在d，q坐标系下的数学模型结构框图。可见，d，q轴电流除受控制量ud，uq影响外，还与ωLf，ωLg，ωCf和us之间存在相互耦合关系，需进行解耦后对d，q轴电流分量分别进行控制。

3 并网电流控制方法
3．1 重复控制器参数
重复控制是一种基于内模原理的控制策略。其内模离散形式为：

式中：N为一个周期的采样次数；Q为重复控制器稳态精度，一般Q取为常数。
当Q=1时，系统开环增益为无穷大，容易造成系统不稳定，所以通常Q取小于1但接近于1的一个常数，使控制器对周期性重复的扰动信号具有较高增益；补偿环节S(z)用来校正控制对象的幅频特性，使其在中低频段的增益近似为零，以提高系统稳定性，一般选择串联校正环节和二阶低通滤波器组合；k为相位超前环节，用来补偿改造后控制对象在中低频段的相位滞后；Kr为重复控制器增益，Kr越小，系统稳定性越好，但其收敛速度变慢且稳态误差增大，一般在保持系统稳定性前提下，Kr应尽可能接近1。
由于存在周期性延迟环节，重复控制的控制作用要滞后一个周期才产生，当负载出现大扰动时，重复控制器输出不能立即变化，导致系统动态性能难以达到设计要求。
3．2 复合控制设计
并网变流器最常用的控制方法是基于电网电压定向的PI控制。但由于实际电网电压中含有丰富的谐波成分，尤其以工频谐波为主，而基于LCL滤波器的变流器系统在这个频率范围内的开环增益较低，因此PI控制在保证系统稳定性的前提下无法提供足够的低次谐波抑制能力。
根据PI控制和重复控制各自的优缺点，这里设计采用PI控制和重复控制并联的电流环复合控制器来对PCS并网侧谐波电流进行抑制。图3
示出复合控制框图。

复合控制器结合了PI控制器动态响应快和重复控制器稳态精度高的优点。在系统稳态时，系统跟踪误差小，主要由重复控制器根据历史误差累加调节系统输出；当负载出现突变，重复控制器由于周期性延时不产生作用，但PI控制器立即作用使