智能一体化电站变流装置逆变控制策略

解大， 贾玉健， 顾羽洁， 艾芊， 金之俭， 顾洁

(上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200240)

0 引言

电动汽车以其污染小、噪声低、能源效率高和能源来源多元化等优点备受青睐，成为现代汽车工业发展的方向之一［1-4］。目前，电动汽车在许多重要技术领域已经取得了突破性的进展，接近实用化阶段。然而其大规模商业化推广仍面临技术、经济等方面的诸多瓶颈。

电源(储能)技术是长期以来制约电动汽车发展的关键因素［5］。现有电池的能量密度仍然较低、电池组成本高昂，以锂离子电池为例，2009年美国的电池成本为每千瓦时1000美元［6］，2010年国内电池成本约为每千瓦时6000人民币［7］。业内普遍乐观认为锂离子电池成本在5年内有望降低50%，但是对于用户而言购置和维护电池组的成本仍然难以接受。

兴建和升级配套的能源供给设施是制约电动汽车推广的另外一个关键因素。现有科技条件下，同等效能的充电站占用的面积相当于加油站面积的5倍，数量众多的充电站还不可避免地涉及电网峰谷差、谐波治理等问题［3，8］，所以电动汽车一旦得到大规模推广应用，必将对电力系统提出更高的要求，尤其是仅针对工业和民用用途的现有城市配电网络需要进行新一轮大规模改造。

文献［9］探讨了电动汽车的充电方式和运营模式，文献［10］介绍了国内外充电设施的发展现状。目前国内外已经建成的电动汽车充电设施主要为充电桩、充电站或更换站，而建设单一的充电站、更换站受到土地资源稀缺、电池成本高、基础设施建设重复、电网运行要求高等因素的制约，应用推广面临较多困难。

“智能充放储一体化”电站将电动汽车充放电、更换站与电池储能电站功能融合进行设计和研究，是一种良好的电动汽车能源供给设施解决方案。本文简述一体化站的结构、功能，就其关键的多用途变流装置展开深入研究，对变流装置放电控制策略进行详细的介绍，并在PSCAD中对拓扑结构和控制算法进行仿真。

1 电动汽车智能充放储一体化站的设计方案

充放储一体化站能够分别实现充电站、更换站、储能站的功能，满足电动汽车能源供给，提高电池利用效率，并且能够对储能电池以及功率、能量进行优化控制，与电网负荷进行协调与互动，为电网提供增值服务，从而实现多方共赢。

充放储一体化站结构如图1所示。充放储一体化站主要由4部分构成，分别是调度中心、多用途变流装置、电池充换系统、梯次电池利用系统。一体化站分别与电动汽车和电网进行能量与信息的交换，实现其功能。

1)调度中心

调度中心是充放储一体化电站的信息处理、监视和控制的中心机构。它根据和预计的变化进行判断、决策和指挥。调度中心与汽车、电站、电网并无能量上的流动，而只有信息交换。它需要采集当前车辆运行信息，电网调度信息和一体化站运行状况等当前信息和预计变化，做出决策后对一体化站进行控制。

2)多用途变流装置

多用途变流装置是连接电网和一体化站的能量通道，它通过数组整流/逆变电路与直流变换电路实现电网交流电与站内直流电之间的相互转换。

3)电池充换系统

电池更换系统是一体化站对电动汽车用户的服务窗口。它可以实现对电动汽车的常规充电、快速充电、更换电池组充电等多种能量供给方式。

4)梯次电池利用系统

梯次电池利用系统是退役电池的再利用场所。它可以开发电池的剩余使用价值，为一体化站和电网提供负荷调整、备用、无功支持等辅助服务。

图1 充放储一体化站总体结构Fig.1 General layout of integrative station

2 多用途变流装置结构与工况

多用途变流装置是连接电网和一体化站的能量通道，也是一体化站内子系统间配合连接的桥梁。充放储一体化站的多用途变流装置不仅要分别实现电网到充换系统和梯次系统的相互独立的能量流动，还要实现梯次系统与充换系统的能量的单向流动。经过反复的仿真和论证，采用图2所示的多用途变流装置设计方案。

本方案采用两组多套并联的PWM变换器作为DC/AC变流器，之后经过一系列串联的 Buck-Boost产生合适的充电电压接入电池更换系统和梯次利用系统。电池更换系统中的充电电压要低于梯次电池利用系统中的充电电压，使得梯次电池利用系统在必要的时候能量向电池更换系统单向传输，而不会反向流动，两者之间通过Boost电路相连。

图2 多用途变流装置设计方案Fig.2 Design proposal for muliti-purpose converter system

根据电网、车辆调度需要，一体化站要考虑车辆、电网、电池、充放电效率等多个目标之间的相互协调。多目标之间有层次之分，如正常情况以保证车辆运行为主，储能调节为辅，而在电网紧急情况下则以支撑电网为主，只保留最小的供车辆用的电池配置。其不同情况下的运行状态有4种:

1)充电状态

在这种状态下，两组PWM变换器均工作在整流状态，Boost电路断开。能量从交流电网经PWM1和PWM2分别流入电池更换系统和梯次电池利用系统，站内的标准电池和梯次电池获得合适的充电电压和电流，得以高效充电。

2)换电状态

此时，PWM1、2均不工作，Boost电路工作。能量从梯次电池利用系统流向电池更换系统。电池更换系统中的能量除留有小部分备用外，其余全部用来满足车辆换取需求

3)半放电状态

PWM1不工作，PWM2工作在逆变状态，Boost电路断开。电池更换系统中的能量除留有小部分备用外，其余全部用来满足车辆换取需求。而梯次电池利用系统则工作在放电状态，能量通过PWM2流入电网支持电网负荷高峰。

4)放电状态

当电网发生紧急情况时，一体化站的首要目标应是支撑电网尽快恢复运行。为此，除电池更换系统中保留极少数能量供短期换电需求外，站内所有电池进行大电流放电向电网提供功率。此时，PWM1、2均工作在逆变状态，Boost电路断开，Vch和Vtc为适合各自电池组高效放电的电压。另外，当站内储能富余，而电网负荷紧张时，一体化站也可在高峰时放电运行，发挥削峰作用。

当充放储一体化电站日常运行时，它根据电网调度和车辆调度的信息，不断调整自己的运行状态，通过不同的组合，使电池更换系统和梯次电池利用系统相互配合、支持，充分发挥储能电池的使用价值，实现经济利益和辅助服务效益。

3 放电工况的控制策略

变流装置处于放电工况时，多台三相变流器工作逆变并联状态。总体来讲，逆变器并联系统必须具备如下特征［11］:各模块输出电压的幅值、频率和相位分别对应相同;模块之间的负载电流均分;可灵活地增减并联模块的数目;各模块的热插拔。充放储一体化站无论是充电站还是储能站都是由多个变流器并联运行，可以扩充系统容量或提高系统冗余度。具体到本模型中，讨论两台变流器并联的控制方法。

3.1 并联系统的工作原理及环流特性

逆变交流系统的并联要比直流的并联运行复杂得多，要求各个逆变电源模块输出电压的幅值、频率和相位一致，达到并联系统最理想状态。但是，在系统中，由于硬件的差异和负载的变化等原因，各逆变器输出电压的瞬时值往往不能完全相等。这样，就会存在一定的电压差异，从而引起逆变器之间电流不能均分，产生环流。环流对于各逆变器的功率器件和输出滤波器都有破坏作用。因而，在逆变器并联运行系统中，必须对逆变器的输出电压进行控制，以消除逆变器之间的环流，实现均流。

下面就两个逆变器并联运行进行分析，其并联模型如图3所示。IH表示电流环流。图3中，U1=U1∠φ1，U2=U2∠φ2，U=U∠0°，X1、X2为线路阻抗，在一般的并联控制方法中，都近似认为逆变系统各组成部分参数相差不大，所以取:X1=X2=X。

图3 并联系统逆变等效模型图Fig.3 Equivalent model for inverter parallel system

逆变器1的输出电流为

逆变器2的输出电流为

环流为

将I0=I1+I2代入式(1)和式(2)得

由式(4)和式(5)可以得到输出电流包含负载电流分量和环流分量。负载电流分量总是均分的，但环流分量的存在是两个逆变电源输出的电流不同，因而可知环流可以用来表征逆变系统的电流均分度。由式(3)可知，当U1和U2相位相同而幅值不相等时，输出电压高的逆变模块其环流分量是感性的，输出电压低的模块其环流分量是容性的;当U1和U2幅值相等而相位不同时，相位超前的逆变模块其环流分量为正的有功分量，相位滞后的环流分量为负的有功分量;当U1和U2相位、幅值都不相同时，环流分量中既有有功分量，又有无功分量。环流的相位及幅值由ΔU和逆变器等效输出阻抗决定，与公共负载大小无关。环流的大小和相位形成了各逆变模块之间的功率差异，承担较大输出功率的逆变器有可能因输出功率超过额定功率而烧毁，或加速老化，从而缩短整个并联系统的使用寿命，这样就起不到并联冗余、提高可靠性的功能了。因而，必须对环流加以控制。

3.2 逆变并联系统的功率特性分析

由上文可知，有功功率和无功功率的分配不均是由环流引起的。所以实现有功功率和无功功率的自动均分，就是抑制环流。因而必须采取并联控制技术实现有功功率和无功功率的自动均分，使输出电压的相位和幅值保持一致，从而确保逆变并联系统稳定运行。

为了研究功率均分的三相逆变器并联控制方法，我们首先需要分析逆变并联系统的功率特性。分析基于图3并联系统逆变等效模型图。

逆变器1的复功率为

输出电流为

将式(6)带入式(7)，可得到

由此可得到逆变器1输出有功功率和无功功率为

逆变器的输出电压U1与电压U0之间相位差很小，所以 sinφ1=φ1，cosφ1=1。令 U1=k1U0，则有功功率和无功功率为

由式(10)和式(11)可知，逆变模块输出的有功功率主要取决于功率角，而输出的无功功率主要取决于输出电压幅值U1和U2，因此，可以用改变逆变器输出电压幅值来控制无功功率，改变相位差来控制有功功率。环流中的有功环流和无功环流都将得到抑制和消除。

3.3 基于功率均分的三相变流器的逆变运行控制

通过前文对逆变并联系统功率特性的分析，本文将采用基于有功和无功功率均分的方法来实现三相逆变系统的并联运行。

逆变模块并联控制系统工作时，先对该模块的电压、电流有效值、有功功率和无功功率进行瞬时采样，然后计算出所有并联逆变模块的有功功率均值和无功功率均值。同时各逆变模块各自发出一个50 Hz的工频频率信号，发送到同步母线上进行综合，综合后的信号即位同步基准频率信号fr。各并联模块的有功功率和并联模块的有功功率均值的误差信号经过PI控制，PI调节器的输出值与同步基准频率fr相加，用以调整本模块的频率，也调整了本模块电压的相位。这样就可以实现所有并联逆变模块输出的有功功率相等。

同样的，本模块的无功功率与所有并联模块的无功功率均值的误差信号，也经过PI环节，并与基准电压Ur相加，确定本模块的电压幅值，从而实现所有并联逆变模块输出的无功功率相等。当两个PI控制器输出为0时，则完全由基准频率fr和基准电压Ur确定本模块的输出频率和电压幅值。系统并联控制框图如图4所示。图4中，P1、PN、Q1、QN为其他模块的有功功率和无功功率，Pk、Qk为第K个模块的有功功率和无功功率。

图4 基于功率均分的三相变流器的逆变并联运行控制框图Fig.4 Operation control block diagram of converter in parallel based on power sharing

通过并联控制可得到参考频率fref和电压幅值Uref，由此可以得到变流器并网参考电压uref，与并网电压反馈值uf相比较，获得电压误差信号，经过处理后得到电流的参考电流iref，然后与反馈电流if相比较，获得电流误差信号，把电流误差信号处理之后可得到调制波信号，与三角波相比，获得功率器件的驱动信号SPWM波。控制框图如图5所示。

图5 变流器并联系统控制框图Fig.5 Control block diagram of converter in parallel

4 仿真结果

运用PSCAD对两台变流器组成的并联系统进行仿真。直流侧电压为600 V，交流侧输出线电压为380 V，频率为50 Hz。采用上述控制策略，图6是并联后两台逆变器输出电压波形和环流波形。从图中可以看出，环流基本为0，采用功率均分并联控制方案可以很好地消除两台逆变器之间的环流，不影响逆变系统的并联运行。

图6 并联后两台逆变器输出电压波形和环流波形Fig.6 Output voltage and circular current of two inverters in parallel

图7是两台逆变器的输出电流波形图。从图7中可以看出两台逆变器输出的电流幅值、相位基本相同，基本达到均分负载的目的。需要说明的是，由于仿真时逆变器网侧没有经过RLC滤波器，而是直接与电网相连，采用电流滞环控制策略，电流波形会有一定含量的谐波成分，可通过添加滤波器环节予以消除。

图7 两台逆变器的输出电流波形图Fig.7 Output current of two inverters in parallel

图8和图9是t=0.2 s时，第二台变流器加入并联系统，两台变流器各自注入电网的有功功率和无功功率图和总的注入电流的波形变化图。

图8 第二台加入并联系统中两台变流器输出的有功功率和无功功率图Fig.8 The output of active power and reactive power with the second converter added in the parallel system

图9 第二台变流器加入后并联系统注入电网的电流波形图Fig.9 The output current curve of the system with the second converter added in

由图9可知，t=0.2 s时，加入第二台变流器，系统能够很快地调整使两台变流器输出相同的有功和无功功率，避免因为输出功率不均引起环流。同时电网侧电流幅值比原先迅速增长一倍，相位和频率不变。由此可知，变流器2并入系统后，输出的电流的幅值、相位和频率与变流器1的基本一致，这从侧面证明了变流器之间的环流非常小，基本不影响并联系统的正常工作。仿真结果充分显示了功率均分并联控制方案在动态和稳态情况下具有比较高的可靠性，能够较好地抑制环流，从而证明了此方案的可行性。

5 结论

本文围绕电动汽车能量供给设施设计与建设，着重就其关键的变流装置展开了研究，取得了以下成果:

1)根据已有的电动汽车智能充放储一体化站的设计理念，设计了符合能量流动与控制要求的多用途变流装置拓扑结构;

2)针对变流装置并联逆变工作状态，详细推导与分析了并联系统的环流特性和功率特性，提出了基于功率均分的并联逆变器控制算法;

3)在PSCAD平台中，建立了多用途变流装置模型，实现了前述控制算法，大量仿真波形表明，本文提出的变流装置设计方案及控制算法可行、有效，可进一步用于一体化站设计研究。

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