独立光伏系统的储能变换器并联控制研究

摘要：大容量储能系统是解决独立光伏系统输出随机性、间歇性对供电质量和可靠性影响的有效途径。但由于受开关器件电应力和成本限制，单台储能变换器通常难以满足大容量储能需求，模块化并联技术是实现大规模储能的有效方法。这里针对两台用于独立光伏系统的储能变换器，提出并采用一种适用于大容量储能装置的分散逻辑并联策略，分析了其基本原理并设计了相关的重要控制参数。实验结果验证了此策略正确、可行。
关键词：变换器；独立光伏系统；并联运行

1 引言
由于易受到气候、环境等外界因素影响，光伏发电系统输出功率具有较强随机性和间歇性，对于独立型光伏发电系统会造成供电不稳定甚至断电故障，严重影响光伏系统供电质量及供电可靠性。故需采用大容量储能系统在紧急或灾变情况下为关键负荷或系统恢复提供电源支撑。
作为储能介质与公共耦合点的接口，储能变换器是整个系统不可缺少的重要环节，其核心组成部分为功率调节系统(Power Conditioning System，简称PCS)，但由于受开关器件容量和成本限制，单台储能变换器容量难以满足大规模储能需求，模块化并联技术是实现大规模储能变换的有效方法。这里重点研究独立光伏发电系统中多台PCS储能变换器的并联运行控制方案，提出并采用一种适用于大容量场合的分散逻辑并联控制策略，该策略将并联控制分散到各模块单元中，模块单元不依赖其他模块而独立工作，相比其他控制策略，并联系统可靠性大大提高，且危险系数分散，更适用于大功率、大容量变换器并联场合。

2 储能装置系统结构
图1示出多台PCS装置模块化并联运行时电路结构图，采用基于双向DC／AC变换器交流输出侧并联，直流电池侧独立的单级式架构。

直流侧电源为蓄电池，Ldc，Cdc为电池侧电感、电容；交流侧为LC滤波器，rL为考虑电感L电阻、死区效应及开关管导通压降等阻尼因素的等效电阻，输出端接入三相隔离变压器，采用△／Y接法。
PCS储能装置可工作在以下两种模式：①并网断路器K闭合，电网与蓄电池间实现能量交换，可用于调节电能质量，抑制功率波动；②K断开，蓄电池向本地关键负载供电。系统并联并网运行时，各模块均工作在电流源型模式，控制策略也相对简单；这里主要关注用于独立光伏系统的离网型PCS储能装置并联控制策略。

3 储能装置并联均流控制策略
3．1 PCS装置并联均流策略原理
两台PCS装置并联可视为两台三相电压源型逆变器独立并联运行，系统等效电路如图2a所示，图2b为PCS装置并联运行时的输出电压矢量。

由于输出变压器等效阻抗(包括初、次级绕组漏感)的存在，故Xn>>Rn，系统输出阻抗呈感性，则有功功率Pn和无功功率Qn分别为：
Pn=uounsinφn／X，Qn=(uouncosφn-uo2)／X (1)
由于逆变器输出阻抗通常很小，输出电压幅值或相位的微小差异往往会导致模块间较大的环流。实际中，由于器件参数及控制参数存在差异，输出电压幅值和相位很难保证完全一致，而环流也随之产生；图2b中Un为n#(n=1，2)PCS装置输出电压矢量，φn为n#PCS输出电压与公共负载端输出电压uo间夹角，由矢量图可得：
unsinφn=uq，uncosφn=ud (2)
将式(2)代入式(1)，此时系统的输出Pn和Qn可表示为：Pn=uouq／X，Qn=(uoud-uo2)／X。
则两台逆变器输出有功和无功功率偏差为：
△P=P1-P2=uo△uq／X，△Q=Q1-Q2=uo△ud／X (3)
由式(3)可见，在同步旋转坐标下，可通过补偿电压q轴分量△uq来补偿输出有功偏差△P，通过补偿电压d轴分量△ud来补偿输出无功偏差△Q，从而实现输出功率均分。
图3为并联控制策略的控制框图，图中并联控制器主要由功率计算单元、功率控制单元及电压控制单元组成。

其中，功率计算单元检测本地输出的有功和无功功率，通过CAN通讯总线传送到其他并联模块中，与此同时本身也获取来自其他模块的功率信号，进行平均计算后确定模块的有功、无功基准；功率控制单元将系统的平均有功、无功指令与本地有功、无功功率比较后得出功率偏差△P，△Q，作为电压指令的补偿量调节自身输出电压，保证有功、无功功率均分；电压控制器采用同步旋转坐标系下电容电压外环、逆变侧电感电流内环的双环控制，对非线性负载扰动适应能力更强，输出电压谐波含量减小。
3．2 功率外环控制器设计
有功、无功闭环控制器设计需兼顾系统稳态、动态性能，闭环带宽要远小于d，q轴电压环带宽，否则会影响电压调节稳定性。预选取功率环带宽为10 rad·s-1。电压环传递函数为：

图3中的功率外环调节器均采用PI调节，无功误差补偿电压d轴指令，有功误差补偿电压q轴指令。由于功率环带宽远小于电压环带宽，故设计时可认为电压闭环传递函数为Gucl(s)=1；令调节器Gq(s)=kQ_p+skQ_i，输出作为d轴电压指令调节量，其PI控制参数为：kQ_p=5x10-5，kQ_i=10-2。图4为电压闭环、功率环频域特性，加入功率环后系统相角裕度PM=92．5°，截止频率ωc=9．9 rad·s-1，均满足设计要求；同理，可设计出有功闭环的控制参数为：kP_p=5×10-5，kP_j=10-2。