级联H桥中压储能系统离网控制策略

陈辉，王德顺，殷正刚，吴敏秀，师长立，汪建威

(1．国网江苏省电力公司，南京市210024;2．中国电力科学研究院，南京市210003; 3．中国科学院电工研究所，北京市100190;4．国网扬州供电公司，江苏省扬州市211400; 5．中国电能成套设备有限公司，北京市100080)

级联H桥中压储能系统离网控制策略

陈辉1，王德顺2，殷正刚3，吴敏秀4，师长立3，汪建威5

(1．国网江苏省电力公司，南京市210024;2．中国电力科学研究院，南京市210003; 3．中国科学院电工研究所，北京市100190;4．国网扬州供电公司，江苏省扬州市211400; 5．中国电能成套设备有限公司，北京市100080)

在高压大功率储能应用场景中采用中压储能系统相对低压储能系统具有更高的效率。目前基于级联H桥的中压储能系统研究较多，但已有研究多集中于并网运行，离网控制研究较少。该文对基于级联H桥的模块化多电平中压储能系统的离网运行控制进行了阐述。建立了级联H桥中压储能系统的离网模型，提出了包含交流电压外环和电流内环的中压储能系统离网电压控制策略，并针对离网运行时单相负载较多，三相电压容易不平衡的问题，提出了三相电压不平衡补偿控制方法。搭建了MATLAB/RT_LAB实时仿真系统，对上述控制进行了仿真验证。结果表明，三相负载平衡时，负载端电压保持恒定，电流内环跟踪精确;三相负载不平衡时，经电压不平衡补偿后，负载端的三相电压仍然能保持平衡，负载三相电流则随三相负载的大小而不同，仿真证明了该文提出的级联H桥中压储能系统离网控制策略的有效性。

中压储能系统;离网控制;级联H桥变流器

0 引言

近年来，随着我国国民经济的发展，石油和煤炭等化石能源的消耗增加，随之带来了较为严重的雾霾、二氧化碳排放等环境问题。为此需要提高风电、太阳能等清洁能源在能源消耗中的比重，以便实现我国可持续发展的战略。

多数可再生能源具有较强的波动性和间歇性，其发电并网给现有电力系统的安全稳定运行带来了较大挑战。电池储能技术是平抑可再生能源发电波动的有效手段［1-3］。此外储能系统在应急供电、削峰填谷、电网调频等方面也可以发挥重要作用。因此电池储能技术是构建现代智能电网的一项关键技术。

目前研究较多和应用较广的电池储能系统大多数为低压两电平拓扑，将其接入中高压电网一般需要加装升压变压器，变压器的存在不仅降低了系统效率，还增大了装置体积，降低了系统可靠性［4］。采用模块化多电平拓扑结构能够实现无需变压器的中高压输出，克服了低压储能变流器的上述不足，更适用于中压大功率储能应用场景［5］。

中压储能变流器主要有两电平结构、三电平结构、单元级联结构等。基于目前电力电子开关器件的性能，采用两电平或三电平拓扑输出中压电源需要将器件串联使用，控制复杂，可靠性较低，器件损耗较大［6-7］，研究较多的中压储能变流器多采用级联H桥结构［8-11］。

已有的基于级联H桥电池储能系统的研究多针对并网运行模式。日本东京理工大学的赤木泰文等对级联H桥电池储能系统并网运行控制进行了较系统的研究，给出了输出功率的控制策略，提出了使用零序电压进行各级联单元电池荷电状态(state of charge，SOC)平衡控制的方法，还采用N+1单元冗余提高系统可靠性［12-13］。上海交通大学蔡旭等分别对接入输电网和配电网的级联H桥电池储能系统在电网电压不平衡时的并网控制进行了研究，提出了添加零序电压的三相功率不平衡补偿方法［14］，但该方法如何在实际控制系统中实现尚需进一步探讨。

目前级联H桥中压储能变流器的离网运行控制尚未有研究成果发表，但是中压储能系统在为孤岛型微电网建立并维持电压，作为中压应急电源为重要负荷供电，以及电网故障后实施黑启动等应用场合，却需要具备离网运行能力，为此本文针对级联H桥中压电池储能系统离网运行时的电压控制策略及带不平衡负载时的电压均衡控制方法进行研究。

1 原理与设计

1.1级联H桥中压储能拓扑

图1为本文研究的级联H桥中压电池储能系统。分布式的电池组并联在每个H桥单元直流侧。H桥级联储能变流器通过电感L连接到电网或负载的PCC点。采用高压级联H桥拓扑具有以下所述的优点［15-17］。

(1)采用常规的低压IGBT器件，技术成熟，可靠性高，各个功率单元和驱动电路结构完全相同，相对独立，易于工程上使用。

图1 级联H桥中压储能系统Fig.1 H-bridgecascadedmediumvoltageESS

(2)级联H桥型拓扑输出电压随着级数的增加更加接近于正弦波。

(3)由于功率单元结构相同，模块化程度高，当某单元出现故障时，可将其旁路掉，其余单元正常运行，可提高系统的稳定性和可靠性。

单个H桥单元结构如下图2所示。其直流侧电压为U，通过4个带反并联二极管的IGBT(U1～U4)输出交流电压uab。通过控制桥臂上开关管的导通与关断，可以控制输出交流电压的大小和频率。

图2 H桥单元结构图Fig.2 StructureofH-bridgeunit

级联H桥多电平变换器结构中，各个H桥具有相同的电路结构，每个H桥单元都是由4个开关管和1个直流电源组成。通过控制开关管的导通和关断，每个H桥可以输出幅值和频率相同的交流电压，叠加后即可获得高电平的输出电压，达到获得高压大容量的目的。对于具有N个H桥单元级联的变换器，可以输出(2N+1)个电平的电压。采用多个H桥级联的方式，不仅可输出较高的电压，也可以提高等效开关频率减小输出谐波，多个单元的开关控制可采用载波移相正弦波脉宽调制(carrier phase-shifted SPWM，CPS-SPWM)策略。

1.2离网控制系统

1.2.1 级联H桥中压储能系统离网模型

级联H桥中压储能系统如图3所示，由储能变流器、滤波电感以及负载组成。图中，以负载中性点N为参考电位，ua、ub、uc为级联H桥变流器输出电压，L为滤波电感，其等效内阻为r。va、vb、vc为负载端电压，ia、ib、ic为负载电流。由于线路的等效阻抗很小，可忽略。

图3 级联H桥储能系统离网运行结构图Fig.3 StructureforH-bridgecascadedESSin off-gridoperation

根据图3，级联H桥储能系统离网运行时域数学模型可以表示为

并将式(1)变换到dq旋转坐标系下，得:

对应的储能变流器离网运行系统模型如图4所示。

上述公式中，van、vbn、vcn为负载各相电压，uan、ubn、ucn为级联H桥相对于负载中性点N的单相总电压。为产生所需相电压，不同变换器拓扑需要采用不同的调制策略。

传统的三相两电平逆变器可以由载波调制或空间矢量调制实现，而级联H桥拓扑则可以采用载波移相调制策略，调制过程如下:同相的级联H桥之间正弦参考波相同，三角载波相位依次相差180°/N，N为每相单元数;不同相之间的正弦调制波相位互差120°，三角载波相同。以图5所示2级级联H桥五电平逆变器为例，应用CPS-SPWM调制方法时需要4列载波，相位依次相差90°。取四列相位互差90°的三角波C1，C2，C3，C4分别与正弦调制波M相比较得到各H桥单元的开关信号。

图4 离网运行系统模型Fig.4 Off-gridoperationmodel

图5 两级级联H桥载波移相调制Fig.5 Phase-shiftPWMfortwoH-bridge cascadedconverter

1.2.2 级联H桥中压储能系统离网电压控制

离网或孤岛模式运行时，储能变流器主要起电源支撑作用，以维持负荷电压和频率的稳定，为重要负荷提供持续可靠的电力供应。

为了保证变流器输出电压和频率恒定，采用电压外环与电流内环相结合控制策略。电压外环可以保证输出交流电压的稳定，电流内环可以加快系统的动态响应，对系统进行精细调节，提高系统的抗干扰能力。另一方面，由于dq坐标系下的电压和电流均为直流量，因此可以选用PI调节器对旋转坐标系下的电压和电流实现无静差控制。三相储能变流器离网运行电压外环电流内环控制框图如图6所示。

图6 级联H桥储能系统离网电压控制Fig.6 Off-gridvoltagecontrolofH-bridgecascadedESS

1.2.3 电压不平衡补偿

级联H桥储能系统离网运行时常作为微电网的组网电源，当微网含有较大比重的单相负载或发生不对称故障时，三相电压出现不平衡，此时需要级联H桥储能系统进行三相电压不平衡的主动控制［18-20］。本节采用对称分量法，在三相负载不平衡时对级联H桥储能系统输出线电压进行平衡控制。

将三相电压分解为正负序分量:

式中:Up、Un代表正负序电压幅值;φpv、φnv为正负序电压的初始相位角。

分别采用正序和负序同步旋转坐标系对电压电流进行坐标变换。参考坐标系如图7所示，正序dq坐标轴以逆时针方向旋转，负序dq坐标轴以顺时针方向旋转，θ=ωt是与变流器输出的A相电压同步的相位角。

图7 正序旋转坐标系Fig.7 Positiveandnegativerotatingcoordinates

正反向旋转坐标系下的dq电压分量为

定义直流分量:

则式(4)可表达为

由式(5)与式(6)可见，正(反)向旋转坐标系下的dq分量中的直流分量对应正(负)序电压幅值，二倍频分量对应负(正)序电压幅值。因此将正(反)向旋转坐标系下的dq分量进行低通滤波，就可得到正(负)序电压幅值。为了加强低通滤波的平滑效果，可以使用正负序dq分量解耦的方法，如图8所示。解耦关系如式(6)所示，基于提取的正负序dq分量进行2倍频分量计算，然后将其在正反向旋转坐标变换结果中直接刨除，最后进行低通滤波。上述电压正负序提取方法也适用于电流分量的提取。

图8 电压正负序分量提取Fig.8 Extractionofpositiveandnegative voltagecomponents

正负序分量提取完成后，进行正负序电压分量的闭环控制。在级联H桥储能系统离网运行时，基于正负序分量电压方程为:

由式(7)和式(8)可以看出，当级联H桥储能系统离网运行带不平衡负载时，可以将正序分量和负序分量单独进行控制，控制的目标为负序电压为0，正序电压为额定电压，相应的控制系统如图9所示。

图9 针对三相不平衡负载的离网控制系统Fig.9 Controlsystemforoff-gridoperationwith unsymmetricalthree-phaseload

1.2.4 级联单元电池均衡控制

由于不同级联单元所含电池的不均一性以及三相不平衡等工况的影响，各级联单元的电池SOC易出现不均衡，为充分发挥所有级联单元内电池的充放电容量，需要进行电池SOC均衡控制。

针对三相 H桥级联储能拓扑，级联单元电池SOC的均衡控制可以分解为三相间的SOC均衡控制以及同一相内不同单元间的SOC均衡控制。相间均衡控制可通过注入零序电压的方法来实现，所加参考零序电压u为

式中:K为比例控制系数;ΔεSOC_i为 i相储能电池SOC平均值εSOC_i与三相储能电池SOC平均值εSOC的差值;θi为i相电流的相角;φ为三相SOC偏差合成失量的空间角度。

相内单元间的电池SOC均衡控制通过在各储能单元的调制信号上叠加一个与相内SOC偏差成正比的偏移量Uij来实现:

式中:ΔεSOC_ij为i相内第j个储能单元电池SOC值εSOC_ij与i相储能电池SOC平均值εSOC_i的差值;K'为比例控制系数。

2 系统仿真与分析

对级联H桥中压储能系统的离网控制系统进行仿真验证。仿真环境采用基于RT-LAB的实时仿真平台，核心控制算法通过基于MATLAB/Simulink编写的函数S-Function实现。

首先进行级联H桥中压储能系统离网运行连接三相对称电阻负载的仿真。交流输出电压设定为10 kV，三相负载电阻为150Ω，其他仿真参数如表1所示。

表1 三相平衡有功负载仿真参数Table1 Simulationparametersofthree-phase balancedactiveload

图10为负载端电压和电流波形，由图10可以看出，三相负载电压和电流幅值相同，相位互差120°，具有良好的对称度。相电压和电流有效值分别为5 774 V和38.5 A，每相功率约为222 kW，与理论计算一致。图11为旋转坐标系下电流的d轴分量及q轴分量实际值与指令值的动态变化图。由图11可以看出，电流环具有良好的跟踪特性，说明系统具有较好的跟踪能力。图12为每相的级联H桥电压，由图12可以看出，电压三相对称，幅值相等，相位互差120°。

进行级联H桥中压储能系统离网运行带不平衡负载的仿真测试。ABC三相负载电阻分别设定为100，150，200Ω，三相负载采用星形接法。正负序电压电流闭环如表2所示，且用于提取正负序分量的低通滤波器的截止频率设置为20 Hz，其他系统仿真参数见表2。

图10 三相负载平衡时的负载电压及电流Fig.10 Loadvoltageandcurrentwhenthree-phase loadsymmetrical

图11 旋转坐标系下的电流控制Fig.11 Currentcontrolunderrotatingcoordinate

图12 每相级联H桥电压Fig.12 PhasevoltageforH-bridgecascadedconverter

表2 三相不平衡纯电阻负载仿真参数Table2 Simulationparametersofthree-phase unbalancedactiveload

负载电压、电流波形如图13所示。由图13可以看出，A/B/C三相负载端电压有效值分别为4 679 V/ 6 105 V/6 706 V，A/B/C三相电流有效值为46.8 A/ 40.7A/33.5 A。由此可得A/B/C三相负载的功率分别为220 kW/250 kW/225 kW。由图13还可以看出，当负载不平衡时，负载阻值越大，其端电压幅值越大，流过负载的电流越小。同时，三相电压和电流相位差仍为120%，且电压之和以及电流之和为0。图14为级联H桥储能变流器输出端的线电压波形，可以看出，三相负载不平衡时线电压幅值仍然相等，且电压相位互差120%，达到了线电压平衡的控制目标。

图13 三相负载不平衡时的负载电压及电流Fig.13 Loadvoltageandcurrentwhenthree-phase loadunsymmetrical

图14 级联H桥储能系统公共连接点线电压Fig.14 PCCline-voltageforH-bridgecascadedESS

图15(a)和图15(b)分别为有、无电池SOC均衡控制时级联H桥输出相电压波形，图16(a)和图16(b)为有/无SOC相间均衡控制时各相电池εSOC变化曲线。由图15及图16可以看出，当不进行SOC均衡控制时，级联H桥各相电压相等，但负载较重的相SOC下降速率较大，导致了电池SOC偏差逐渐增大。当进行SOC均衡控制后，级联H桥各相电压不等，放电电流较大相的输出电压较低，三相SOC变化基本相同，电池 SOC均衡控制起到了较好的控制效果。

图15 电池均衡控制对级联H桥储能变流器相电压的影响Fig.15 EffectofbatterySOCbalancecontrolonphase voltageofH-bridgecascadedconverter

图16 三相电池SOC变化曲线Fig.16 SOCchangingcurveofthree-phasebattery

3 结论

本文研究了级联H桥中压储能变流器的离网控制策略。为了保证变流器输出电压和频率恒定，采用了交流电压外环与电流内环相结合的控制策略。针对离网运行存在三相不平衡负载问题，为了保证输出电压平衡，采用对称分量分解法及正负序电压电流的闭环控制进行正序电压的恒定控制和负序电压的补偿控制。对上述控制策略进行了仿真，仿真结果表明，所提出的级联H桥储能系统离网控制策略可以保持输出端电压达到设定值，并且当三相负载不平衡时仍然可以保持储能变流器输出并网点电压的三相平衡和电池SOC的平衡，证明了级联H桥中压储能系统离网运行的控制能力。

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(编辑 张媛媛)

Off-Grid Control Strategies for H-Bridge Cascaded Medium Voltage Energy Storage System

CHEN Hui1，WANG Deshun2，YIN Zhenggang3，WU Minxiu4，SHI Changli3，WANG Jianwei5

(1．State Grid Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 210024，China;2．China Electric Power Research Institute，Nanjing 210003，China;3．Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China; 4．State Grid Yangzhou Power Supply Company，Yangzhou 211400，Jiangsu Province，China; 5．China Electric Power Complete Equipment Company，Beijing 100080，China)

In the high-voltage high-power energy storage applications，using the medium voltage energy storage system (ESS)can get higher efficiency than using the low voltage ESS．At present，there are some researches on the H-bridge cascaded medium voltage ESS，but most of them are about on-grid control，the off-grid control research is lack．This paper introduces the off-grid control of H-bridge cascaded modular multilevel medium voltage ESS，establishes the off-grid model of H-bridge cascaded medium voltage ESS，proposes the off-grid voltage control strategy for medium voltage ESS with containing both AC voltage outer loop and current inner loop，and presents the compensation controlmethod according to the three-phase voltage unbalance caused by the one-phase load during off-grid operation．Then，we build a real-time simulation system in MATLAB/RT_LAB to verify the above control methods．The results show that，when the three-phase load is symmetrical the load terminal voltage is constant and the current in the inner control loop can follow it reference exactly; when the three-phase load is unbalanced，the load terminal three-phase voltage can still be kept symmetrical after the voltage compensation，and the three-phase load current is different depending on the value of the each phase load．The simulation results show the effectiveness of the proposed off-grid control method for the H-bridge cascaded medium voltage ESS．

medium voltage energy storage system;off-grid control;H-bridge cascaded converter

TM 92

A

1000－7229(2017)03－0069－08

10.3969/j．issn.1000－7229.2017.03.010

2016-11-23

陈辉(1976)，男，高级工程师，本文通信作者，主要研究方向为配电运检、配电自动化;

王德顺(1982)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向为分布式发电与微电网集成技术;

殷正刚(1982)，男，博士，助理研究员，主要研究方向为大功率电力电子与电能变换技术;

吴敏秀(1970)，女，学士，高级工程师，主要研究方向为配电网运行与检修技术;

师长立(1984)，男，硕士，工程师，主要研究方向为储能与电网应用技术、分布式新能源发电技术等;

汪建威(1988)，男，硕士，工程师，主要研究方向为大功率电池储能关键技术。

国网江苏省电力公司科技项目(J2016071)