经济型储能变换器及其在微电网中的应用

摘要：提出一种适用于微电网的经济型储能并网变换器拓扑，功率元件数目和功率等级要求进一步降低，且能兼顾储能电压较低的特点，并对其工作原理及定功率控制方法进行了介绍。建立了包含经济型储能变换器的微电网模型，并通过仿真证明了该变换器对微电网电压和频率稳定性的支撑作用，通过实验证明了该变换器定功率控制的有效性。
关键词：微电网；变换器；储能；定功率控制

1 引言
微电网作为全新的分布式能源组织形式，在智能电网建设中发挥着愈加重要的作用。然而微电网的容量相对较小，存在电能输出间歇和波动大、网络潮流复杂和稳定控制困难等问题。储能技术的发展为这些问题的解决提供了简单有效的途径。在此将探讨提出一种新型的经济型储能变换器拓扑，并对其实施定功率控制技术以支撑微电网电压和频率稳定。

2 储能变换器接入微电网拓扑
2．1 经济型储能变换器拓扑
传统的储能变换拓扑中其DC／AC逆变的实现多建立在传统三相六开关逆变拓扑基础上。在此基于隔离型拓扑结构提出了一种经济型储能变换器，其电路拓扑如图1所示。该变换器核心是三相四开关逆变器，其控制原理源于常规三相六开关逆变器。当三相六开关逆变器工作于三相三线制电路时，在任一瞬时，逆变器输出的三相相电压(相电流)之和均为零。只要控制任意两相变量，则第三相自然受控。因此，若将三相桥臂中的任一相开关器件换成电容，则该相输出必然受另两相钳制而自然受控。

为了获取优良的工作性能，三相四开关逆变拓扑的直流侧电压需高于接入点峰值电压，开关管承受的电压高于三相六开关拓扑；因此该拓扑适合工作于中低压场合，这恰与储能装置电压通常较低的特性吻合。还需保证在工作期间，任一瞬时逆变器输出三相相电压(相电流)耦合为零。综上要求，将原三相工频变压器配置成Y／Y升压变压器，可降低功率元件的开关应力，并提供三相电压(电流)同时耦合为零的条件。
由于减少了两个功率元件，降低了器件的电压等级，系统成本和开关损耗随之减小，配套驱动和散热模块成本也适当降低，因此具有较好的经济性；另外该拓扑还可用作三相六开关逆变器容错后的重构拓扑。
2．2 经济型储能变换器工作原理
首先从三相四开关逆变器模型分析其电流调节规律。对应图1可得三相四开关基本模型为：
Ldik／dt=ek-Rik-(ukN-uNO)，k=a，b，c (1)
式中：L为折算后的电感，L=Lfi+Lf2／n，n为变压器升压比；R为线路电阻。
定义开关函数Sa，Sb，当其为1时表示对应相上桥臂开通而下桥臂关断；为-1时表示下桥臂开通而上桥臂关断。设Udc为储能电压，N为直流母线中点，因三相三线制电路中，三相电压(电流)瞬时值之和均为零，可得：
uNO=Udc(Sa+Sb)／6 (2)
将其代入式(1)可得：

式中：p为微分算子。
由于逆变器中三相输出电流只有两相是独立的，只需对Sa，Sb进行准确调制，即可实现对三相输出电流的控制。

3 基于功率平衡的微电网稳定性控制
3．1 功率平衡的微电网稳定性仿真
功率平衡是微电网中电压和频率稳定的基础，微电网中的逆变器多采用“下垂控制”，即频率取决于有功，电压取决于无功，一旦系统中功率失衡，必将引起微电网电压和频率的失稳。储能的定功率控制可通过快速补偿维持微电网的稳定。
由上层能量管理系统产生的给定功率控制信号，作为三相四开关经济型逆变器的功率参考值，从而实施定功率控制。为验证该方法对微电网电压和频率的稳定作用，这里在Matlab／Simulink中建立了由微电源、储能和负荷组成的典型微电网，如图2所示。

分布式电源DG1采用V／F下垂控制，微电源DG2采用恒功率控制，DG3代表典型储能，采用定功率控制。DG2有功功率给定14．8 kW，无功功率67 kvar；负荷总有功功率43．1 kW，总无功功率4．51 kvar。微电网并网运行时，大电网可支撑微电网的电压和频率，因此仅考虑微电网独立运行时，蓄电池定功率储能系统对微电网稳定性的影响。

图3为储能不参与微电网功率调节的效果。当DG1，DG2作用于微电网时，假设1．5 s时负荷发生功率波动，△P=3．5 kW，△Q=2 kvar，3．5 s时波动消失。可见由于微电网功率失衡，内部频率由50 Hz跌至49．97 Hz，功率平衡后又恢复50 Hz，而负载扰动时，电压也从正常工作的220 V跌落到218 V。

图4为同等功率扰动发生时，投入定功率控制的储能DG3维持功率平衡的效果，可见，电网电压频率仅受较小扰动，随即恢复正常。
3．2 三相四开关储能定功率控制策略
为了实现控制过程中有功功率和无功功率的解耦控制，定功率控制在d，q坐标系下完成。外部功率环节用以计算有功和无功电流参考值，电流调节器包含解耦控制，经PI闭环调节得到电流idd，idq，再经d，q／a，b，c变换还原为三相电流值。对于三相四开关逆变器，只需a，b两相参考值即可完成控制。如图5所示。为了补偿直流母线中点电压不平衡的影响，引入电容电压差值前馈，修正后的电流参考值再与电源电流反馈构成闭环控制系统，生成所需PWM信号S1～S4。