分布式发电中的储能变换器暂态电流控制研究

能源互联网最大程度地促进了不同类型的一、二次能源互联、互通和互补，灵活地支持各种新能源、分布式能源的大规模接入，实现用电设备的即插即用，储能技术和多能源控制技术是能源互联网建设的关键技术之一［1-3］。文献［4］通过模拟不同的负荷扰动研究了利用大规模储能电源取代发电厂进行调频的控制效果；文献［5］总结了交直流混合配电系统中的交直流互联变换器控制、交流子网内部协调控制、直流子网内部协调控制以及交直流网络间的协调控制策略；对于含有储能的分布式电源系统故障则从等效负荷的配电网模型、时空关联特性解析与建模，以及孤岛控制等方面进行了研究［6-9］。

对储能变换器方面的研究主要集中在了硬件设计和控制方法2个方面，DC/DC变换器是实现系统离网和直流支撑的重要组成部分。直流微电网的稳定性问题文献［10］中进行了研究，而文献［11］则通过跟踪微分器对暂态条件下系统不平衡功率进行跟踪，并将跟踪信号引入储能单元的控制环节，使储能单元能够直接对系统的不平衡功率进行调节，以改善其对直流母线电压波动的抑制效果；文献［12］分析了Z源型DC/DC变换器的PWM控制问题；文献［13］建立了直流微电网大信号数学模型，并根据李雅普诺夫稳定判据提出了小扰动时直流微电网稳定性的判定条件。文献［14］建立了Boost-Buck电路的状态空间方程，并设计了双并联双向Boost-Buck电路的闭环控制策略，通过仿真验证了对电压的控制性能；文献［15］建立了双向直流变换器的系统模型，并构造系统的李雅普诺夫函数进行切换控制律的分析。另外，根据控制器选择的不同，文献［16］介绍基于PI控制器以及准PR控制器的控制策略，并进行了仿真分析。对于储能DC/DC变换器的控制以及组网和解列技术方面的研究主要围绕在系统容量、能量路由器等系统层面，文献［17］以装机容量、微网功率平衡、储能装置充放电平衡及深度等要求为约束条件，论证优化模型为线性规划，并选择LINGO软件求解，得出不同类型微网配置分布式发电和储能容量对应的控制策略；文献［18］将分布式电源的能源路由器划分为核心控制通信和能量传输部分，并构建直流交流双母线动态互动的方式来实现供电的高效和稳定。

以上研究并未重点讨论同一系统下的不同储能单元的暂态电流和母线电压特点以及储能变换器自身的并网/解列问题，针对以上问题，本文着眼分布式发电系统中同时包括多种规格的电池、超级电容等储能单元，以及多台DC/DC变换器的应用工况，由于储能单元和DC/DC变换器在自身特性、容量，以及输电线路等多方面的差异，导致系统容易出现母线震荡和稳定性降低等问题，本文以负载电流瞬时值和并网点的母线电压暂态变量为参考，提出了双向DC/DC变换器的暂态电流补偿控制，并对共母线组网的多台储能DC/DC变换器按照母线趋势进行设备自动组网和解列，避免直流微电网系统失稳。最后搭建了含有超级电容器组、锂电池组、DC/DC变换器的直流微电网实验平台，实验结果验证了理论和分析的正确性。

1 储能变换器电流补偿控制

储能DC/DC变换器能够实现能量的双向流动，通过控制开关器件的占空比实现电压和电流的控制。本文选用非隔离型双向DC/DC变换器，其拓扑结构如图1所示。其中Q1和Q2选用全控开关器件IGBT，并且Q1和Q2驱动信号互补；D1和D2为反并联二极管器件；RG1和CG1构成G1管的吸收电路；RG2和CG2构成G2管的吸收电路；C1和C2是直流侧滤波电容；L是功率电感。该拓扑结构简单，效率较高，同时扩展后易于构成多重的复合拓扑结构。

图1 拓扑结构
Fig.1 Topological construction

根据双向工作原理可以实现以下3种工作模式：①能量由 U1流向U2；②能量由 U2流向U1；③能量交替工作。负载电流波形如图2所示。

图2 负载电流波形
Fig.2 Current waveforms of load

对于共母线的直流微电网而言，储能DC/DC变换器直流侧电容暂态表征如下：

式中：C1，C2和Cp分别为变换器1，变换器2和变换器p的直流侧电容；Udc1(k)，Udc1(k-1)，Udc2(m)，Udc2(m-1)，UdcP(n)，UdcP(n-1)为直流电压k，m和n时刻的值；k，m和n分别为变换器1，2和p的开关时刻；T1，T2和Tp分别为变换器1，2和p的开关周期；ΔI1，ΔI2和ΔIP分别为变换器1，2和p的直流母线电流变化量。由式（1）可得：

可以根据ΔI1，ΔI2和ΔIP的变化情况判断对母线冲击的大小，并作为电流补偿量直接作用于电流控制。假设以U2为控制目标，其瞬时电流补偿控制如图3所示，采用电压/电流双闭环控制系统，其中为变换器直流侧并联电容带来的暂态电流变化量，取反后与电流参考值相加作为电流控制器输入；为功率器件占空比，该补偿方案引入了直流侧电容参与控制环节，通过双向DC/DC变换器降低并网点变换器动作带来的冲击，同时也实现了对电流环的快速跟踪和响应。

图3 瞬时电流补偿控制
Fig.3 Transient current compensation control

不同工作模式下的占空比分析：工作模式①时，U2/U1=DQ1；工作模式②时，工作模式③时，由于，当占空比保持不变时，则根据U1和U2的大小实现能量的双向流动，并且为零电压开通提供给了条件。

2 分布式组网拓扑与控制

2.1 分布式组网拓扑

分布式发电不同于常规的大电网，其组网多以风光储等相对较小容量的可再生能源发电形式接入电网。以多储能单元为例，分布式组网拓扑如图4所示，由于储能DC/DC变换器的容量和LC元件参数差异，以及线路电抗的影响，易诱发微电网内的系统谐振，所以必须加以控制。特别地，在离网情况下系统仅能靠自身储能单元实现母线电压稳定，谐振问题就更为突出。在并网情况下多台储能DC/DC变换器通过单DC/AC变换器实现与交流外网的连接，基本的配置原则或依据如下：

1）为保证系统稳态的安全裕量，系统功率如下配置，其中，PAC/DC为AC/DC转换功率：

式中：为公共耦合点储能变换器功率之和。

2）为保证系统动态安全，峰值电流和电压按照1.2倍考虑，即：

式中：ipeak和UDCpeak为对应的峰值电流和母线电压；in和Udc为实测电流和母线电压。

图4 分布式组网拓扑
Fig.4 Topology of distributed network

2.2 组网和解列控制

基于图4拓扑，本文设计的分布式变换器组网和解列控制流程图如图5所示。

图5 组网和解列控制
Fig.5 Control of network and disconnection

图5基本原理如下：1）以多台储能DC/DC变换器各自的负载电流瞬时特征为依据，以公共耦合点的母线电压暂态变量为参考，通过双向DC/DC变换器降低并网点变换器动作带来的冲击电流，实现直流母线电压和系统稳定；2）对于单台变换器动作后可能带来的系统失稳则通过以上电流和电压变化趋势进行设备自动解列；3）无需上位机控制器的集中控制，只需要在单台储能DC/DC变换器中嵌入电压电流设定阈值，并编写扰动自补偿控制的解列算法即可。此外，该阈值设定要小于DC/DC变换器硬件系统安全阈值。

3 实验设计与分析

3.1 实验设计

根据上述拓扑和控制方法，为验证多台储能变换器的工作特性，搭建了含有超级电容器组、锂电池组、DC/DC变换器和DC/AC变换器的直流微电网实验平台，实验方案拓扑如图6所示。

图6 实验方案拓扑
Fig.6 Topology of experiment scheme

储能单元参数为：超级电容单体额定电压48 V，超级电容单体容值83 F，电池单体额定电压3.2 V，电池单体充电静止电压3.65 V，超级电容模组工作电压220～400 V，电池模组工作电压220～295 V，电池最大持续放电电流40 A，电池最大持续充电电流40 A。变换器参数为：DC/DC变换器1功率30 kW，DC/DC变换器1工作电压100～500 V，DC/DC变换器2功率10 kW，DC/DC变换器2工作电压150～500 V，DC/AC变换器额定电流100A，DC/AC变换器直流工作电压300～700 V。实验测试中，超级电容器储能模组采用9组单体串联的形式，输出持续时间15 s；电池储能模组选用磷酸铁锂动力型电池，采用82个串联的型式；峰值放电电流120 A，持续时间5 s；超级电容器DC/DC变换器额定功率30 kW；电池模组DC/DC变换器额定功率10 kW；双向DC/AC变换器额定功率40 kW，用于将直流电转换为交流电实现并网运行与离网隔离，此处不区分并网/离网要求。

3.2 实验分析

经过实验测试，图7～图9分别为对超级电容器组和锂电池组进行的放电、充放电、失稳切除等波形，其中Udc为共母线直流母线电压，idc1为超级电容电流波形，idc2为电池组电流波形，并且电流正值为充电模式，电流负值为放电模式。

图7 放电波形
Fig.7 Waveforms of discharge

图8 充放电波形
Fig.8 Waveforms of charge and discharge

图9 失稳解列波形
Fig.9 Waveforms of unstable excision

图7中同时对DC/DC变换器1和DC/DC变换器2进行放电测试，可以看到放电电流快速跟踪给定，由于未做滤波处理，示波器图中暂态电流尖峰idc1达到了放电电流的10%～15%，而且对比idc1和idc2可以发现，相比电池，超级电容充电更为迅速；整个过程中母线电压稳定，未出现明显波动。为了验证连续的充放电暂态电流特性，图8中连续进行充放电测试，放电情况与充电情况下类似，可以看到充放电电流跟踪效果较好，暂态电流由于示波器未做滤波处理，idc1会出现一个较大的尖峰，此处判断为噪声，在连续充放电情况下，母线电压保持稳定。为了验证并网和解列的控制思路，通过调整线路和控制器参数，制造了设备投入后震荡的效果。图9中可以看到idc2投入后电流出现震荡，导致母线电压亦出现震荡，此时根据文中解列控制策略要求需要解列DC/DC变换器2，从图9中可以看到母线电压迅速恢复稳定，控制效果明显。该方法不需要增加集中控制器，仅通过增加必要的通讯线路即可实现。

4 结论

本文针对分布式储能DC/DC变换器应用中可能存在的系统震荡或失稳问题，以负载电流瞬时值变化和母线电压暂态变量为参考，提出了双向DC/DC变换器的电流补偿控制，并对共母线组网的多台储能DC/DC变换器按照母线趋势进行设备自动组网和解列，避免直流微电网系统失稳。最后通过实验证明了该方法的正确性和有效性，为新能源分布式发电特别是直流微电网控制提供了一个新的规划和设计思路。