基于RT-LAB的储能系统离网运行控制策略研究

朱观炜，谭伟璞，闫 涛，渠展展，刘志波

(1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206；2.中国电力科学研究院，北京 100192)



基于RT-LAB的储能系统离网运行控制策略研究

朱观炜1，谭伟璞1，闫 涛2，渠展展2，刘志波1

(1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206；2.中国电力科学研究院，北京 100192)

0 引 言

微电网可运行在离网模式和并网模式，后者有配网作为无穷大母线，控制较前者简单。微网离网运行时，要求电压和频率稳定。针对风电和光伏的间歇性波动以及负载的频繁投切，微网需要储能系统平衡有功和无功功率。储能系统传统的控制策略采用V/f单环控制，文献[1]提出了针对LC滤波型逆变器的传统恒压恒频控制，采用输出电压单环控制方法，简化了控制器和控制系统的结构，但是电压的谐波含量大，抗负载电流特性差；文献[2]比较了闭环控制器设计，对于电流内环，只需要使用比例控制器，提高系统的动态性能，消除静差的任务可以由电压外环的谐振控制器来实现。文献[3-4]分析了储能系统离网运行时采用LC滤波装置能够更好地滤除谐波、稳定电压。基于上述情况，本文首先基于RT-LAB搭建了储能系统离网运行实验平台。在传统的V/f单环控制基础上，对比分析了电感电流内环和电容电流内环两种双环控制方法，改进了传统的恒压恒频控制。在matlab/simulink环境下进行了仿真，并且在RT-LAB平台上进行了半实物仿真验证。仿真和实验结果验证了提出控制策略的有效性。

1 储能系统RT-LAB实验平台搭建

本文研究了储能系统离网运行控制策略。在基于RT-LAB的实验平台中，锂电池储能、三相桥和负载等主电路部分利用仿真软件实现，其控制部分利用储能变流器的嵌入式控制器来实现。首先在RT-LAB仿真系统中搭建并运行双向变流器的主电路仿真模型，利用模拟量输出调理卡将其变流器交流侧和直流侧的采样电压和电流线性转变为-3V到3V的电平信号以供控制器采样；然后将控制器所生成的六路PWM信号通过数字量输入调理卡输入到RT-LAB仿真目标机中以控制模型中三相桥的6个IGBT管，以此来实现变流器的整流或逆变运行。变流器半实物实时仿真系统的原理如图1所示。

图1 储能系统离网运行半实物仿真原理图

图1中，电池模型采用RT-LAB封装的标准锂电池模型，储能系统采用三相桥电路以及LC滤波装置。为了减小谐振对系统的影响，在并联电容中串入阻尼电阻，这样可以起到尖峰抑制的作用[5-7]，负载模型采用恒功率阻感负载。

储能变流器嵌入式控制器的程序流程如图2所示，首先自发产生50Hz变化的频率，其外环控制部分通过上位机下发的电压信号，利用定电压控制经坐标变化后得到电压d、q轴的参考值，通过PI调节整定有功电流和无功电流的期望值，最后再经过电流内环得到控制量，输入SVPWM环节产生六路PWM脉冲[8-9]。储能系统离网运行的程序控制框图如图2所示。

图2 程序控制框图

2 储能系统改进控制策略

储能系统在离网运行模式下，负载侧要求电压和频率稳定。传统的电压单环控制方式抗负载电流扰动性能较差，负载电流中的谐波分量容易造成输出电压的谐振[4]。在传统的V/f单环控制基础上，对比分析了电感电流内环和电容电流内环两种双环控制方法，改进了传统的恒压恒频控制。电压外环采用PI调节器，因为电流内环主要用于提高系统的稳定性和动态性能，稳态误差不会影响外环的精度[4]，所以电流内环采用比例环节。两种控制方式的控制框图如图3所示。

图3 两种控制方式控制框图

图4 简化系统结构框图

其中Kpwm为桥路PWM等效增益，取值为1，τ为考虑PWM控制小惯性特性时的参数，一般取0.5倍开关周期，即τ=0.5Ts，Ts为系统的开关周期，iod为储能系统的负载电流d轴分量，由图4进行传递函数的推导，根据梅逊公式分别推导在参考给定值和负载电流扰动下的闭环传递函数，由线性系统的叠加原理，得到微网稳定控制器输出电压的表达式如下。

电容电压外环电感电流内环双环控制：

(1)

电容电压外环电容电流内环双环控制：

(2)

上述表达式由两部分组成，由式(1)、(2)输出电压表达式的前半部分可知，采用电感电流和电容电流做内环控制时，系统的电压指令跟踪能力是一样的，上述表达式后半部分可表示为系统抗负荷电流扰动的能力，因为其是在负载电流扰动下推导的闭环传递函数，表示负载电流扰动对控制系统的影响[2]，定义为Ucd/Iod。图5为采用3种控制方法的Ucd/Iod的幅频特性。

图5 3种控制方式幅频特性

图5中，在低频段，采用电容电流内环控制的控制策略幅频特性数值小，因而具有良好的抗负载电流扰动性能，能更有效地抑制负载电流对输出电压的影响，在中频段单环控制的抗负载电流扰动特性较差，在高频段，负载电流扰动性能相同。从以上分析可知，采用电容电压外环电容电流内环控制的方案具有更好的抗负载电流扰动特性，使电压稳定在允许的范围内。

3 仿 真

在matlab/simulink下搭建了容量为150kVA的储能系统，在并联电容上串入电阻，具体的参数如表1所示。

表1 储能系统参数

仿真过程如下：在t=0 s时，储能系统启动，建立微网的电压和频率；在t=0.5 s时，投入Pload=50kW的负荷，仿真结果如图6。

图6 储能系统负载侧输出电压比较

图6为储能系统负载侧输出电压的标幺值，采用电容电流和电感电流内环控制时输出电压d轴分量(d轴与三相电压合成矢量重合，代表输出电压的幅值)在负载投入时发生相同幅值的电压跌落，但是采用电感电流内环控制时，电压恢复到额定值时间较长；当采用电容电流内环控制策略时，储能系统在微网孤岛运行时能快速启动，建立电压和频率，在负载投切过程中，能够更快地恢复电压到额定值。

4 RT-LAB平台仿真实验

在RT-LAB实验平台上，储能系统容量为100kVA,采用改进后的V/f控制。在t=0s时储能系统启动，在t=15s时投入P=40kW的负荷;在t=15.5s时再投入P=40kW的负荷，实验结果如图7、图8所示。由图7可知，储能系统输出电流在负载未投入时存在一定的电容电流。在负载投入后迅速提供负载所需的电流；图8为电压波形，在负载投入的过程中，输出电压保持稳定。

图7 负载投切过程储能系统输出电流

图8 负载投切过程储能系统输出电压

5 结束语

微电网离网运行时，通过储能系统建立稳定的电压和频率。本文分析比较了采用电感电流内环和电容电流内环控制，改进了传统的V/f控制，采用电容电流内环控制，该控制策略有更好的抗负载电流扰动特性。仿真和实验结果验证了该控制策略的有效性。

[1] 陈灼.三相SPWM逆变器恒压恒频控制策略[J]. 电气技术,2010(12):24-26,38.

[2] 黄伟煌, 付勋波, 林资旭, 等. LC滤波电压源型逆变器闭环控制策略综合对比与设计[J]. 电力系统自动化, 2013, 37(19): 110-115.

[3] 杨子龙, 伍春生, 王环. 三相并网/独立双模式逆变器系统的设计[J]. 电力电子技术, 2010,44(1): 14-16.

[4] 孙海. 微网稳定控制器的运行特性分析和控制研究[D]. 北京: 华北电力大学, 2013.

[5] 张海涛.三相独立/并网双模式逆变器控制策略研究[D].武汉：华中科技大学，2012.

[6] 蒋冀, 段善旭, 陈仲伟. 三相并网/独立双模式逆变器控制策略研究[J]. 电工技术学报, 2012, 27(2): 52-58.

[7] 唐亮.三相并网逆变器LCL滤波特性分析及控制研究[D].秦皇岛：燕山大学，2010.

[8] 郭瑞宙. 电池储能变流器半实物仿真平台构建及其控制机理研究[D].北京：华北电力大学,2013.

[9] 渠展展. 基于数字控制的100kW双向储能变流器研究[D].北京：华北电力大学,2012.

(责任编辑：杨秋霞)

Islanded Operation Control Strategy for Battery Energy Storage System Based on RT-LAB

ZHU Guanwei1，TAN Weipu1, YAN Tao2，QU Zhanzhan2，LIU Zhibo1

(1.School of Electrical & Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206,China;2.Electric Power Research Institute, Beijing 100192,China)

微网离网运行时，要求电压和频率稳定。针对风电和光伏的间歇性波动以及负载的频繁投切特性，微网需要储能系统平衡有功和无功功率。本文首先基于RT-LAB搭建了储能系统离网运行实验平台，然后在传统的V/f单环控制基础上，对比分析了电感电流内环和电容电流内环两种双环控制方法，改进了传统的恒压恒频控制，该控制策略有更好的抗负载电流扰动特性。最后在matlab/simulink环境下进行了仿真，并且在RT-LAB平台上进行了半实物仿真验证，结果表明了提出控制策略的有效性。

微网；离网运行；储能系统；恒压恒频；半实物仿真

It is required a stable voltage and frequency for microgrid during islanded operation. As to such characteristics as intermittent fluctuations of wind generation and PV and the frequently switching of load, the battery energy storage system (BESS) should balance active and reactive power for microgrid. In this paper, experiment platform of islanded battery microgrid is built based on the RT - LAB, and the difference between the inductance current inner loop and the capacitive current inner loop is compared based on the traditional V/f control to improve traditional constant voltage constant frequency control, which has better anti-disturbance features of load current. In the end, the simulation model is established under matlab/simulink, and hardware-in-the-loop simulation is verified on the RT-LAB platform. The simulation experimental results verify the effectiveness of the proposed control strategy.

microgrid;island operation; BESS; V/f; RT-LAB

1007-2322(2016)06-0033-04

A

TM619

2015-10-13

朱观炜(1992—)，男，硕士研究生，研究方向为电池储能系统在配电网中的应用，E-mail: zhuguanwei_wayne@163.com；谭伟璞(1964—)，男，副教授，研究方向为电力系统分析与控制等，E-mail：tanweipu@ncepu.edu.cn。