储能逆变器的控制方法研究

发布时间：2016-05-09 06:47

第 1 章  绪   论

1.1  课题背景
电网的稳定运行是保障人民日常生活和经济快速发展的重要基础。然而随着国民经济水平和生活水平的不断提高，供电需求不断增大，电网负荷日益加重，因此而发生的停电故障也时常发生。2005 年 5 月，俄罗斯莫斯科地区电网因用电负荷大幅增长导致线路相继跳闸，从而引起其大部分地区及附近城市发生大规模停电事故，近 400 万人的生活在此期间受到影响。同时，自然灾害也会引起电网的运行故障，2008 年 1 月 10 日，我国南方地区就遇到了 50 年以来最大的冰雪灾害[1]，暴雪和冻雨导致了输电线路大规模断线和倒塌，造成供电系统中断，，使人民的生活陷入困境。因此，提高电网的稳定性和安全性对于保证人们的日常生活具有十分重要的意义。 此外，随着社会的不断发展，全球资源紧缺以及环境污染等问题也逐渐引起人们的普遍关注。根据文献[2]可知，2014 年世界的能源结构在不断改进，水电和其他再生能源发电在世界一次能源消费量中占有 6.8%和 2.5%的份额，创下了历史新高，但人们主要使用的还是以石油，煤炭，天然气等为主的常规能源。这些常规能源的储量不仅有限，他们的使用还会使环境污染问题日益严重。传统电网主要以火力发电为主，煤炭的燃烧会产生二氧化碳和二氧化硫气体，大量的二氧化碳气体导致全球气候变暖问题日益严重，同时二氧化硫的排放更是会造成酸雨的形成。我国目前酸雨区面积已达到国土总面积的 40%，成为世界第三大酸雨区[3]，酸雨的形成导致了许多生态问题，如土壤贫瘠化，加速深林衰亡等。 因此，为解决传统电力系统出现的上述问题，微电网（Micro-Grid）近年来越来越受到人们的重视。它是相对于传统大电网的一个概念，也是一种新型的网络结构，可以将多种分布式电源、可再生能源、负荷以及储能系统有效地组织起来，供电安全性及可靠性较好[4,5]。同时，微电网系统采用储能技术后，可以作为电力系统的缓冲器和平衡器，解决了电力供需不平衡的矛盾。因此，国外对微电网技术进行了广泛的研究[6]，如欧美等西方国家以及日本。我国也同样大力支持微电网事业，积极开展微电网的研究工作并取得了一定的成果，为实现能源和经济社会的可持续发展进行不懈的努力。 
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1.2  课题研究的目的和意义
为实现能源的可持续发展，提高可再生能源的利用率，在微网中总是希望能够实现太阳能光伏发电，风力发电等可再生能源的灵活接入。然而，由于可再生能源输出的间歇性及随机性特点，它们的大量接入会对系统的电能质量及电网稳定性等诸多方面产生影响[7]。储能系统中加入管理系统后，可以更为有效地促进可再生能源的利用。为了实现电网与储能系统之间的有效连接，完成对储能系统的充放电过程，储能逆变器应运而生。储能逆变器管控的储能系统既可以担任负荷，吸收微网中的剩余电能，也可以作为组网电源给电网供电，在一定程度上抑制可再生能源的波动性以及不确定性，实现电网安全平稳可靠地运行[8]。根据国家对分布式发电和微电网建设的要求，储能逆变器具有对电网提供有功、无功支撑，稳定电网电压和频率，同时配合多种储能设备接入电网进行充放电等作用。
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第 2 章  储能逆变器工作原理及模型

本章主要讲述储能逆变器能量双向流动的基本原理、两种工作状态下的拓扑结构及数学模型建立，  SVPWM 调制方法，以及电路中滤波电感及直流侧电容的参数选则，为后续控制策略的研究奠定基础。 

2.1  储能逆变器的能量双向流动原理
储能逆变器是微电网和外部电网的出入口，它专为实现能量的双向流动而设计。当电网能量充足时，储能逆变器使电能从交流电网侧流入直流储能侧；当电网供电紧张时，它又将储能设备的能量逆变到电网，因此，储能逆变器是微电网系统实现“削峰填谷，调剂余缺”的关键。通过适当的控制，我们可以使其工作在四象限的任意一种状态。下面本文将对储能逆变器能量双向流动的原理进行分析，并给出系统的期望工作状态。具体运行情情况及分析如下[33]： （1）当电压矢量端点在 A~B 点之间时，储能逆变器工作在储能状态，电网向系统输送有功及感性无功功率。当在 A 点运行时，电网只输送感性无功功率。 （2）当电压矢量端点在 B~C 点之间时，储能逆变器工作在储能状态，电网向系统输送有功及容性无功功率。当在 B 点运行时，电网只输送有功功率。 （3）当电压矢量端点在 C~D 点之间时，储能逆变器工作在逆变状态，系统向电网输送有功及容性无功功率。当在 C 点运行时，只向电网输送容性无功功率。（4）当电压矢量端点在 D~A 点之间时，储能逆变器工作在逆变状态，系统向电网输送有功及感性无功功率。当在 D 点运行时，向电网输送有功功率。 根据以上分析，我们可以通过控制网侧电流来实现对储能逆变器工作在任意状态的控制。在三相储能逆变器的控制中，我们希望系统能够工作在 B 点和D 点，电网和储能逆变系统之间只传输有功功率，即在储能工作状态下，网侧电压矢量与电流矢量方向相同，在逆变工作状态下，网侧电压矢量与电流矢量方向相反。  
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2.2 储能逆变器的拓扑结构

储能逆变器主要是由滤波电路，功率开关管组成的桥式电路，直流侧电源和负载组成。其电路拓扑结构的分类方式很多：按桥式电路结构可将其分为半桥电路和全桥电路；按 PWM 电平的调制方式可将其分为两电平、三电平以及多电平电路。但最常用的分类方法则是根据直流侧储能形式将其分为电压型和电流型储能逆变器。电流型储能逆变器最大的特点是采用电感进行能量的存储，而电压型储能逆变器最大的特点则是采用母线电容进行储能。相比于电容储能，电感的寄生电阻损耗较大，因此其储能效率相对较低。同时，电压型储能逆变器并联的大电容能够较好地抑制直流电压的波动，因此本文采用图 2-3 所示的电压型的拓扑结构。

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第 3 章  储能逆变器控制结构及 PI 控制策略 ........ 17 
3.1  控制目标 ....... 17 
3.2  储能逆变器控制结构 ...... 18 
3.2.1  逆变状态下的单环控制结构 ...... 18 
3.2.2  储能状态下的双环控制结构 ...... 19 
3.3  PI 控制策略 ......... 19 
3.3.1  储能逆变状态下控制方程 .... 19 
3.3.2  PI 控制器参数设计 .........21 
3.4  仿真模型搭建 ..... 24 
3.5  本章小结 ....... 29 
第 4 章  无源与自抗扰复合控制策略 ......... 30 
4.1  基于 EL 模型的无源控制器设计 ....... 30
4.2  电压外环的自抗扰控制器设计 ......... 41 
4.3  控制器综合比较 ........ 46 
4.3.1  逆变工作状态下仿真比较及分析 .... 46 
4.3.2  储能工作状态下仿真比较及分析 .... 46 
4.4  本章小结 ....... 49  

第 4 章  无源与自抗扰复合控制策略

自储能逆变器开始研究以来，其控制方法也在不断发展和完善，每种控制方法都有各自的特点及适用场合。然而，单独一种的控制方法很难解决和实现实际系统中的多个问题和目标，因此我们可以结合不同控制方法的特点及所要解决的问题，通过采用复合控制策略来得到满意的控制效果。为改善储能逆变系统中电流及电压的控制效果，本文主要将无源控制（PBC）与自抗扰控制（ADRC）相结合，将其分别应用到内环电流及外环电压的控制器中。下面，本章将对无源控制器及自抗扰控制器的设计进行分析。

4.1  基于 EL 模型的无源控制器设计
系统中的各个物理量的变化都能够反应能量的变化，如系统中流过电感器的电流体现系统磁场能，电容器两端电压的变化体现系统电场能的变化。由此可知，通过控制系统的能量便可以控制系统的物理量，使其满足要求。无源控制的本质就是能量的控制，对系统进行无源控制器设计的模型一般分为三种：一是将系统写成仿射非线性形式，二是转换成欧拉-拉格朗日（EL）模型形式，三是写成哈密顿系统形式。由于本文中储能逆变器模型可以直接方便地转换为EL 模型的形式，通过基于 EL 模型的方法进行分析可以简化控制器设计，因此本文采用 EL 模型进行无源控制器的设计。本节首先将储能逆变器模型转换为EL 模型，验证系统的无源性，然后完成无源控制器的设计。
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结   论

能源及环境问题引起人们对微电网的研究，从而推动了储能逆变系统的发展，使得储能逆变器近年来得到了广泛学者的关注和研究。本课题从储能逆变器在逆变及储能两种工作状态下需要满足的综合控制目标及实际问题考虑，对其内部电流及电压环控制器的控制策略进行研究。通过分析传统 PI 控制器存在的一些问题，本文将无源控制及自抗扰控制策略应用到储能逆变器的控制中，提高了系统的鲁棒性能及抗干扰能力，改善了控制系统的综合性能。 
（1）建立了储能逆变器在储能和逆变两种工作状态下的数学模型，实现了系统中采用的 SVPWM 调制算法，同时对储能逆变系统中滤波电感及直流侧电容的参数进行选取。 
（2）根据储能逆变器的控制目标确立了系统在逆变和储能两种工作状态下的控制器结构。分析了传统 PI 控制的方法及原理，完成控制方程的建立以及控制参数的整定工作。在 Matlab/Simulink 仿真环境下建立了两种状态下的系统模型及 PI 控制器模型，完成了 PI 控制在两种工作状态下的仿真验证，并对此方法存在的一些问题进行了总结。 
（3）针对 PI 控制下电流谐波相对较大的问题，对储能逆变系统电流环采用无源控制策略，完成了储能逆变器的 EL 模型以及无源控制方程的建立，通过仿真验证了无源控制的有效性以及对回路电阻变化的鲁棒性。针对储能工作状态下 PI 双环控制策略及无源控制策略对电压控制存在的问题，进一步加入自抗扰外环电压控制，改善了系统性能。完成了电压外环自抗扰控制器的设计以及控制参数的整定工作。 
（4）对逆变及储能两种工作状态下的控制方法进行了比较总结。在逆变工作状态下，比较分析了无源控制方法以及传统 PI 控制方法策略；在储能工作状态下，比较分析了无源与自抗扰(PBC-ADR)复合控制策略，无源与 PI 复合控制(PBC-PI)  传统 PI 双环控制。通过比较结果表现出的性能特点，验证了本文采用的方法的有效性和优越性。 
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参考文献(略) 

本文编号：43107