含储能单元的分布式发电系统仿真研究

张帅，刘文红，李锋，阙春兰，潘三博

(1.上海电机学院电气学院，上海 200240;2.上海致远绿色能源股份有限公司，上海 201611)

0 引言

随着全球能源供应局势的紧张，以风力发电、太阳能发电、生物质发电、微型燃汽轮机、柴油机、燃料电池等为主的分布式发电技术(Distributed Generation，DG)逐渐引起的各国研究人员的重视［1］。由于风电和光伏受气候条件影响较大，且会对大电网频率和电压产生冲击。故只能采取隔离、切机等简单的操作来实现对DG的控制。这种控制方式极大地限制了DG的利用率［2］。为解决上述问题，储能技术开始被引入分布式发电系统中。

储能系统潜在的四象限运行能力使其可以广泛地应用在不间断电源(UPS)、电能质量治理以及电力系统稳定性等领域［3］。在分布式发电系统中加装合适的储能单元，可以为系统提供一个能量缓冲结构，从而提高DG的电能质量［4-5］。

通常，容量较小的分布式发电多采用单相逆变结构［6-7］。本文采用双环控制策略，设计了运用于储能系统的单相双向DC-AC电压源逆变器，保证分布式发电系统在离网状态时输出电压电流波形的正弦度和稳定度［8-9］。DG则采用电流单环控制的电流源逆变器，利用锁相环节使DG输出电压跟随电网侧电压或储能单元的输出电压，通过调节输出电流来控制输出功率的大小［10-12］。建立了含有储能单元的DG并/离网模型，并在MATLAB/Simulink平台上对电池的充放电过程，以及系统并/离网切换过程进行了分析，验证了设计的可行性。

1 系统结构

本文所设计含储能单元的分布式发电系统结构如图1所示。系统模拟分布式并网系统，储能单元与DG并联通过DC-AC逆变后，接入交流母线并入电网。电网可以看作是容量无限大，大小恒定，频率不变的交流电压源［13］。本文将储能单元逆变器设计为电压源逆变器，当分布式发电系统处于并网状态时，可以通过控制储能逆变器输出端的电压大小来实现充电、放电功能［14］。当系统处于离网状态时，根据DG输出功率和负荷需求的大小，合理控制储能的充放电以维持系统的稳定正常运行。分布式发电单元则采用电流源控制模式。

图1 含储能单元的分布式发电系统

2 并网电流环控制逆变器设计

DG系统中的变流器按照运行模式的不同可分为四种情况［15］:电压控制源、电流控制源、有源整流以及有源滤波器。电流源控制模式，即通过控制交流侧电流的幅值和相位，将直流形式的电能转化为交流形式的电能［16-17］。电流控制策略可以根据是否需要检测逆变器输出侧的电感电流作为反馈和控制量，分为直接电流控制和间接电流控制方式［18］。

本文采用直接电流单环控制策略，具有较快的系统动态响应，且容易实现电路的过流保护［19］。图2为系统控制框图，采用单相锁相环技术［20］使电流给定值iref跟踪电网相位、频率，与并网电流瞬时反馈值iL做差运算后经PI控制器处理，处理过后的值作为调制波输入SPWM控制器中，输出驱动信号控制IGBT通断。

图2 单电流内环控制框图

图3 为单相电流控制逆变器并网仿真结构，使用400 V直流电压源模拟直流母线侧电压。逆变器采用单相全桥模式，并选用单级倍频作为SPWM调制方式。由于LCL滤波方式较L型滤波器以及LC滤波器在低开关频率和小电感的情况下对谐波的滤除效果更佳［21］，故本设计采用了LCL型滤波器。电网侧选择峰值为310 V的交流电压源作为电网电压。选择不同大小的参考电流值，以及功率因素角来观察系统各参数的变化情况。

仿真时间选择0.3 s，将仿真过程分为三个不同阶段，每隔0.1 s系统参数将会发生变化，以此可以观察到系统的动态性能。

图3 单相电流环控制逆变器并网系统仿真

图4 电网电压及逆变器电感输出电流、电压

图4 所示波形可以看出，逆变器输出电压与电网电压基本重合，THD 为0.01%。整个过程可分为三个阶段:0 s～0.1 s第一阶段内系统电流参考值为40 A，功率因数为1，仿真显示输出电流能够准确、及时的跟随参考值;0.1 s～0.2 s时，系统参考电流由原来的40 A增长为60 A，功率因数仍为1，由此可以看出本设计能够使输出电流的大小快速、准确的跟随参考值电流大小的变化而变化;0.2 s～0.3 s时参考值电流大小未变，功率因数角设为10度，由波形可以看出，输出电流值大小与0.2 s前一致，相位滞后电网电压10度，由此可以看出，系统可以很好的跟随参考值给定的相位信息。检测输出电流的THD为1.6%，满足并网标准。

图5为各个时间段内逆变器注入电网的有功功率和无功功率的输出情况。容易看出，系统输出有功的大小和输入电流成正比;同时，系统可以通过控制功率因数角的大小来实现向系统注入或是吸收无功。

图5 逆变器输出的有功功率和无功功率

3 并/离网电压电流双环控制储能逆变器设计

图6为系统控制框图。本文设计的电压源控制逆变器主要应用于储能单元，既要求能够并网运行，由可以在离网运行时为分布式发电系统提供电压支撑，且维持重要负荷的不间断供电，即双模式运行。同时，为了实现储能单元的充放电功能，要求逆变器具有控制能量双向流动的能力，即双向运行［16］。本文设计的单相电压源控制逆变器采用双闭环控制策略，内环为电流控制环，外环为电压控 制 环［22-23］。本设计采用单相锁相环技术使参考电压值跟随电网电压参数(在离网运行时则跟随指定电压参数)，之后与逆变器输出端电容两端的电压值比较，再经过PI控制器处理后与逆变器输出端电感电流比较，将结果输入PI控制器处理后作为SPWM的载波，生成IGBT的驱动电压信号。

图6 电压电流双环控制逆变器框图

图7 所示为并网单相电压源控制型储能逆变器仿真结构图。本文对比多种储能方式后发现，铅酸蓄电池价格低廉、技术成熟、易于大规模生产，且循环寿命较长，可以在浮充和深循环应用下工作［24］。故本设计选用铅酸蓄电池作为储能单元，该模块可用MATLAB/Simulink中的电池模块来实现。为了便于观察充放电过程，设计中将电池容量为6 Ah，且荷电状态 SOC(State of Charge)的初始值设置为80%。逆变器采用单相全桥结构，采用单极倍频SPWM调制方式。逆变器出口端选用LCL滤波单元。电网侧采用峰值为310 V的交流电压源。仿真时间设为0.3 s，同样将仿真过程分为三个阶段，设置逆变器输出参考电压分别为350 V、310 V、280 V。

图8为0 s～0.3 s内逆变器输出电流、电压和电网电压波形的叠加。根据输出侧电感电流和电网电压的关系，可以得出一下结论:当给定输出电压参考值大于网侧电压时，电感电流和电网电压同相位，由图 9可以判断，此时蓄电池向电网侧输出有功功率，蓄电池放电，电池侧检测到放电电流如图 10所示。当电压参考值等于电网电压时，对照上述3图不难发现，逆变器与电网之间仅有很小的电流以及功率，电池基本无充放电电流;当电压参考值小于电网侧电压时，此时逆变器输出电流与电网电压反向，逆变器从电网侧吸收有功功率，电池开始充电，并检测到充电电流。0 s～0.1 s及 0.2 s～0.3 s时输出电流的THD分别为1.77%和2.56%，负荷并网标准。

图7 单相电压源控制型储能逆变器仿真结构

图8 电网电压及逆变器电感输出电流

图9 逆变器输出有功功率

图10 电池充放电电流

图11为并、离网切换时逆变器输出端电压和电流的波形。仿真时间为0.3 s，系统初始为并网运行状态，电压峰值为310 V，带有3 kW的重要负载。0.1 s时断开电网侧交流电压源，重要负载由蓄电池供电，观察逆变器输出电压、电流波形，基本可以满足负载需求，0.2 s时重新并网。该过程验证了本设计的储能单元逆变器具有双模式(并/离网)运行的能力，并且可以实现并/离网的平滑过渡。

通过上文的仿真数据可知，本文设计的电压源控制逆变器可以很好应用在储能单元中，实现双向、双模的运行功能。

图11 并、离网切换时逆变器输出端电压和电流的波形

4 电流环控制逆变器与电压电流双环控制逆变器并联仿真

上文通过仿真阐述了电流环控制逆变器并网运行和电压型逆变器并、离网运行的特性。由于理想电网功率无限大，电压幅值、频率恒定，二者共同并联运行在并网状态时，两者之间并没有明显的影响，运行结果与上文分别叙述的结果基本相同。故本文主要对二者并联运行在离网的情况进行研究。DG模块采用上文设计的电流源控制逆变器，储能单元则采用上文提到的电压源控制逆变器，二者通过交流母线并联，运行在离网状态下，共同为负荷供电。

图12 离网系统公共点处电感电流波形和电压波形

图13 并联逆变器输出有功功率

仿真中DG模块和储能模块中结构和参数与上文所述相同，负荷选择10 kW纯有功负载。储能单元输出电压为恒定值，即峰值为310 V的交流电压，电流型逆变器参考电流可变。仿真时间设为 0.15 s，将仿真均分为三个阶段，仿真结果如下:

图12所示为离网系统公共点处电感电流波形和电压波形。由上图不难看出，系统能够很好的跟随参考电流值得变化，且电压稳定。图13中的两条曲线分别为电流源控制逆变器和储能逆变器的输出有功功率，第一个阶段即参考电流为80 A时，电流源输出功率为正，且高出了负荷需求的功率，此时储能逆变器吸收多余的能量，故输出有功为负值;第二阶段参考电流降至63 A，电流源逆变器输出功率刚好满足负载，此时储能单元输出功率为0，维持系统电压保持恒定;第三阶段参考电流为40 A，电流源逆变器输出有功不足，储能单元开始输出有功功率，此时两者共同为负载供电，维持系统稳定正常运行。图14所示为电池工作状态，第一阶段时可以检测到充电电流，第二阶段基本无电流，第三阶段检测到放电电流，可以证明以上的分析是正确的。

图14 电池充放电电流

5 结束语

本文对单相电流环控制逆变器以及电压电流双环控制逆变器的原理进行了阐述，设计了含有储能单元的分布式发电系统的并/离网运行方案，并在MATLAB/Simulink仿真平台上以分阶段的方式对系统中可能遇到的情况进行了仿真。仿真结果证明了本设计能够使分布式发电系统快速准确的跟随给定的参考量进行调整，实现了电流源控制逆变器有功功率和无功功率的控制，以及电压源控制的储能逆变器双向、双模的运行效果。

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