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。