控制策略研究
杨刚，张涛，刘志超，刘树
（北京四方继保自动化股份有限公司，北京市海淀区 100084）
摘要：在由光伏，锂电池/超级电容器储能等分布式电源组成的微网系统中，变流器正常工作需要较高的直流电压，因此通过DC/DC模块升压后经DC/AC模块整流（逆变）的双极式变流器拓扑结构得到了广泛的应用。目前，由于双极式变流器拓扑结构以及控制系统复杂，存在着输出功率发生突变时DC/DC与DC/AC模块输出不协调等问题，会导致对直流母线电压产生较大的冲击或跌落，危害系统的稳定性，因此为了提高变流器DC/DC与DC/AC模块之间的协制，加强变流器系统的稳定性并提高动态响应速度，本文提出了一种基于电流前馈的新型控制算法，能有效解决上述双极式变流器存在的问题本文在通过PSCAD仿真平台验证提出的控制算法进行验证的基础上，搭建了30kVA双极式储能变流器实验平台对该算法进行了实现。实验结果表明，本文提出的前馈补偿方法能够有效的降低在直流侧功率进行转换时对直流母线电压进行的冲击，并在很大程度上提高了双极式变流器的动态响应速度。
关键词：PWM控制，储能变流器，双极式，电流前馈补偿
1 引言
近年来，由风电，光伏和蓄电池等储能系统等分布式电源组成的微网系统得到了广泛的关注和研究。对于基于蓄电池/超级电容器等储能变流器来说，由于通过蓄电池组/超级电容器接入变流器直流侧需要较高的逆变电压，所以带有DC/DC斩波电路和DC/AC整流/逆变电路的双极式储能变流器拓扑结构正得到较频繁的应用。然而，加入了DC/DC斩波电路使得对储能变流器协制的要求更加严格，其存在着当有功功率输出发生瞬时变化时，动态响应速度比较慢，直流母线电压会产生比较大的震荡，影响系统的稳定性等问题。因此，如何提高双极式系统的动态响应速度，并抑制功率突变时直流母线的震荡得到了比较广泛的关注。
储能双向变流器是微网系统中进行电网与分布式电源（如风力发电机，太阳能电池板以及储能电池组等）之间能量转换的重要节点。文献1-3提出了目前传统储能风电等变流器的基本控制算法，文献4给出了PWM控制算法以及SVPWM等基本知识的介绍，文献5对包含DC/AC与DC/DC模块的双极式储能双相变流器设计及控制策略研究做了一些尝试，文献6针对端口电压需求较低的超级电容器储能提出了一种基于互补型DC/DC模块控制的方法文献7和8给出了储能双向变流器运行过程中对各个模拟量进行补偿的一些方法。基于以上等各相关针对变流器控制的设计研究，本文提出了基于电流前馈补偿的双极式双向变流器控制的一种新的方法。
2 双极式储能变流器拓扑结构以及控制策略设计
（1）拓扑结构
图1所示为典型的双极式储能逆变器拓扑结构。其主回路由DC/DC模块与DC/AC模块组成。前级DC/DC模块为典型的Buck/Boost直流斩波变换器，低压侧接入蓄电池/超级电容器，高压侧接入直流母线，DC/AC模块为三相逆变与PWM整流变换器，其直流侧通过直流母线与DC/DC变换器相连，交流侧经由LCL滤波后接入三相微网系统。直流母线支撑电容并联在直流母线正负极之间。双极式储能变流器的直流侧可分为若干支路，每支路可分别光伏电池板，超级电容器，多种形式的蓄电池组等，经过DC/DC模块汇总后接入直流母线。
DC/DC
A
B
C
图 1 双极式储能变流器拓扑结构
（2）DC/DC控制策略
本系统DC/DC侧采用Buck/Boost双向变换器设计，其一段接入直流母线，另一端可接电压较低的蓄电池组，超级电容器，光伏电池组等直流电源，其设计有利于提高直流电源的利用率，在满足微网系统正常情况下减少直流电源模块串联入电路的数量已提高整个系统的效率。Array图 2 DC/DC模块示意图
单支路Buck/Boost变换器拓扑结构如图2所示。其中U1为直流端口电压，iL1为第一直流支路的电感电流，L1为第一支路直流电感值，R1为等效电阻值，d1和d2分别表示上，下桥臂IGBT开通时间，idc为直流电流，Cdc为直流母线支撑电容值，ic为电容电流，idcc为电容侧直流母线电流，Udc
为直流母线电压。根据基尔霍夫定律可知：
{
利用状态空间平均法，对式（1）进行进一步整理，可以建立DC/DC模块的状态方程：
{
对（2）状态方程进行拉普拉斯变换，并整理得到DC/DC模块控制的传递函数：（3）DC/AC模块控制策略
DC/AC模块主回路拓扑如图3所示：
图 3 DC/AC模块示意图
图3中，S表示三相IGBT的开关函数，为防止短路，各相IGBT上，下桥臂设计为自动互锁，即S=1时上管导通且下管关断，S=0时上管关断且下管导通，R，L分别为交流侧等效电阻电感。根据图3列写DC/AC模块的KVL与KCL方程，得出其在三相静止坐标系下的状态方程：
{
从DC/AC模块在三相静止坐标系下的数学模型中可以看出来，由于DC/AC模块的控制量为交流量，在控制系统中存在不稳定等缺点，为得到在dq0坐标系下该模块的控制模型，需要通过Park变换整理公式（4），得出两相旋转坐标系下的数学模型：
{
公式（5）中，S为在dq0坐标系下DC/AC模块的开关函数。通过上述分析，变流器各电气量实现了dq0坐标系下的解耦控制，通过该数学模型，可以得到该系统的控制器设计如图4所示，该控制器设计采用电压外环与电流内环相结合加入时滞观测电流输出分量的双比例积分控制策略，由DC/DC 模块实现输出直流电流与前馈电流分量的解耦控制，DC/AC模块控制直流母线电压以实现稳定控制保证系统性能能够稳定地达到期望的控制目标。当系统控制的各模拟量发生连续的非线性变化时，控制器通过两模块的协调规律性变化以减小系统参数变化与扰动发生时对系统输出各量的影响，提高系统的稳定性，加强系统两个控制模块之间的协调型以加快动态响应速度。其实质是一种非线性的鲁棒控制。
由图4可知，以DC/DC模块控制器实时观测系统输出电流
图 4 控制器系统示意图
3 实验分析
为验证本文提出的控制算法的可行性以及动态性能，本文搭建了基于英飞凌公司的
PM150CL1A120集成IPM模块的储能双向变流器实验平台，其直流侧单个功率支路容量为10KVA，共30KVA。该系统各相参数如表1所示。
表1 30KVA实验平台系统参数
由于直流母线为DC/DC与DC/AC两级模块的连接点，直流母线处的电气量为检验两级式系统协制效果的基本参考。本文实验中主要通过恒河公司生产的DL850数字录波仪进行电气量采集，观测了双极式储能系统带有功负载并网运行过程中，直流母线电压Udc在有功功率输出发生突变的情况下控制器对其的控制效果。
图 5 传统控制器控制下单支路有功功率输出由2kw放电突变至10kw放电时直流母线电压变化图5表示在传统控制器作用下，系统输出发生突变时直流母线电压的变化情况，由图可知，在传统双极式储能变流器控制中，系统环境发生突变时，两级控制器不能充分地协调配合，其电压畸变率达到了1.73%。同时，系统直流母线电压在发生突增后，由于控制系统对被控对象的内在参数与外部扰动的适应性不够敏感，存在着较长的动态响应时间，即输出功率发生突变后直流母线电压只能缓慢向目标值调节，由图5可以看出在本次试验观测时间500ms已经达到时，直流母线电压仍然没有完全恢复至直流母线电压期望值。
图6给出了在本文提出的协制策略作用下直流母线电压变化情况。实验数据表明，经过本文提出的控制策略改进作用下，前后两级控制配合的协调性得到提高，其电压畸变率由1.73%降低到0.34%，基本达到了功率突变在直流母线上的快速响应，提高了系统的稳定性。同时，由图可知，双极式系统的动态响应性能得到了显著提高，在50ms内能够完成功率突变的完整响应。
图 6 改进控制器控制下单支路有功功率输出由2kw放电突变至10kw放电时直流母线电压变化
4 结论
综上所述，本文针对目前应用较为广泛的双极式储能双向变流器提出了一种新型的控制策略，文章基于电流前馈补偿控制原理，首先简要介绍了传统双极式储能变流器的拓扑结构与控制策略，在此基础上，提出了电流前馈控制的数学模型并进行简要分析，最终根据上述控制原理搭建了30KVA储能双向变流器实验平台对提出的控制算法进行实验验证。实验结果表明，本文提出的控制算法可以有效抑制变流器功率输出发生突变时对整个系统产生的扰动，并在很大程度上提高了储能双向变流器DC/AC与DC/DC两个控制模块之间性能的协调性，加快储能变流器在系统环境突变的条件下的动态响应速度。实验结果表明本文提出的理论分析正确，其控制算法简单有效。
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作者简介：
杨刚（1986），男，通信作者，博士研究生，主要从事智能电网及新能源发电，直流输电等方向研究。Email：yanggang@sf-auto.com
张涛（1971），男，硕士，教授级高级工程师，主要从事电力系统继电保护，新能源接入及控制，柔性直流输电等方向研究。Email：zhangtao@sf-auto.com 刘志超（1975），男，硕士，高级工程师，主要从事电力系统继电保护，新能源发电及储能，柔性直流输电等方向研究。Email：yanggang@sf-auto.com 刘树（1981），男，硕士，工程师，主要从事智能电网及新能源发电，电力电子技术，柔性直流输电等方向研究。Email：liushu@sf-auto.com下载本文
