炒股杠杆网站【技术分享】一种高压级联储能半实物仿真建模分析方法

引言

储能系统具有多项关键功能，如平滑新能源发电输出、削峰填谷、调频调压等，是解决风光电源消纳问题的重要手段。随着新能源装机容量的不断提升，对储能系统的容量要求也日趋严格。电池储能电站已在全球范围内建成多个百兆瓦级别的示范工程，并逐步向吉瓦级别发展。由此可见，大容量的电池储能系统已经成为研究热点，具有极大的现实意义。

传统的三相三电平电力电子变换器作为功率转换系统（power conversion system，PCS）。电池堆系统通过单个电芯的大量的串并联来提高电压等级和容量。一方面电池簇的大量并联带来了环流问题；另一方面该类拓扑的功率也一般限制在2MW以下，多是通过多级并联的方式来扩容，这种方法存在着控制系统复杂、稳定性等问题，且系统的响应速度也有较大延迟。

采用多电平变换器可以将海量的电芯分隔到不同的功率子模块中进行分割管控。级联H桥变换在高压级联无功补偿装置中已经被广泛利用，而在储能系统作为功率变换系统仍占少数。级联H桥通过功率子模块的级联实现电压等级的提升和容量的扩充，其拓扑从根本上避免了大量电芯的直接并联，单簇控制的方式从根本上实现了无环流。

目前针对市场上的各种电芯，35kV级联储能系统一般最小容量需大于15MW，若直接搭建系统进行验证其所需的时间和费用也会较大，因此如何实现一种对控制算法更高效、简洁的验证，半实物仿真则是一种较为优异的方法，其在闭环的控制试验中加入硬件环节，相较于全数字仿真更加接近于现实，更能够体现出控制器的性能，结果更加可靠且真实；相比真实的试验环境也更加的具有可控性和安全性。

加拿大OPAL-RT公司开发的RT-LAB仿真软件可以实现将离线模型转化为在线模型，它具有很高的兼容性和实时性，可以快速灵活的处理复杂的仿真和控制问题，不论是在测试、执行和控制模型方面，还是在半实物实时仿真方面。

本文针对高压级联储能系统展开研究，通过理论建模和参数设计，在MATLAB/Simulink中搭建35kV/30MW的仿真模型进行验证，同时借助于OPAL-RT公司的OP5700仿真机，搭建半实物仿真系统，实现对变换器控制器算法的验证。

级联H桥储能变换器

控制策略

2.1

级联H桥变换器主电路拓扑

图1 为级联H桥储能变换器的主电路拓扑，三相之间采用星型连接方式，其中每相有N个模块，每个模块参数相同并串联在一起，在每个H桥模块的直流侧接入了储能电池。图中usa、usb和usc为三相电网电压，L为并网滤波电抗，R为滤波电抗和线路的等效电阻，isa、isb和isc分别为三相输出电流，uia、uib和uic分别为三相输出电压。

当每相有N个模块时，储能系统单相的输出电压为：

由基尔霍夫电压定律可以得到级联H桥储能变换器网侧的电压电流关系如下式所示：

2.2

级联H桥储能系统调制策略

空间矢量调制和载波相移调制是级联型多电平变换器中应用最广泛的两种调制策略。其中载波移相调制技术控制方法简便，性能优越，运行可靠，能在系统开关频率较低的前提下输出较高的开关频率，更适用于模块化系统控制。本文采用单极倍频载波移相调制策略，单极倍频载波移相调制策略的原理结合图2所示的一个H桥子模块进行说明，其调制原理如图3所示，调制波与载波比较，若调制波大于载波，S1通S2断，反之S2通S1断；再用同一调制波与反向的载波比较，若调制波大于载波，S4通S3断，反之S3通S4断。

2.3

级联H桥并网控制策略

级联H桥储能变换器具有削峰填谷、调频调压，平滑波动等多种功能，这些功能的实现需要对储能变换器有功功率以及无功功率控制。级联H桥储能变换器的并网功率控制常用的方法有电流分相独立控制策略和功率解耦控制策略，其中功率解耦控制策略可以实现对级联H桥储能变换器输出功率的快速精准控制，因此本文选用功率解耦控制策略实现级联H桥储能变换器的并网。

级联H桥储能变换器简化电路如下图所示：

级联H桥储能系统在三相静止坐标系（a，b，c）下得数学模型为：

其中uNO为中性点对地电压。

又因为系统是三相对称得，所以：

由上式（3）、（4）可得：

为了方便分析，将式（3）进行坐标变换到两相旋转坐标系下得到式（4）：

式（7）分析起来较为复杂，为了方便分析，对该模型进行旋转变换，得到两相旋转坐标系下的表达式为：

式中id、iq、usd、usq、sd、sq分别表示dq坐标系下交流测电流、电网电压和开关函数状态量。式（8）中，id、iq受到耦合电压wLid、wLiq的影响，所以无法对其进行独立控制，需要对其进行解耦，以实现有功无功的独立控制。dq轴电流环采用PI控制，交流侧输出电压可又式（9）表示：

其中，i* d、i* q 为给定的有功电流和无功电流指令，Kp 和 KI 为电流控制环的比例系数和积分时间常数，从式中可以看出，id、iq 不在受到耦合电压的影响，可以分别对其进行控制。

基于瞬时功率理论，在dq坐标系下，瞬时有功功率和无功功率满足下式：

通过以上分析，可以得出级联H桥储能的并网控制框图，如图5所示：图5 级联H桥储能并网控制框图

储能变换器在工作时，由上级给出所需的有功给定和无功给定大小，从而得到所需的电流大小，将电网电压和输出电流变换到两相旋转坐标系下得到usd、usq和id、iq。经过解耦控制得到两相旋转坐标系下的调制信号，变换得到三相静止坐标系下得到三相输出电压的调制信号，经过单极倍频载波移相调制实现并网控制。

2.4

仿真分析

为了全面分析系统的性能，验证上述控制策略，首先在MATLAB/Simulink中建立了10kV的级联H桥储能系统变换器的仿真模型，仿真参数如下表所示：

表1 级联H桥储能仿真参数

名称

数值

单位

电网线电压

电网频率

额定容量

模块个数

个

滤波电抗

5.6

载波频率

500

2.4.1稳态性能仿真分析

仿真条件：级联H桥储能变换器处于并网状态，给定充电功率为3MW，无功功率0MVar，观察系统运行情况。

图6（a）为级联H桥储能变换器充电时的三相电流输出波形，输出电流为三相对称的正弦波，对输出电流进行FFT分析，其THD=1%，满足并网设备的谐波要求，图6（b）为A网侧电压和输出电流波形，可以看到此时电压电流同相位。

（a）充电时三相装置电流

（b）并网电流FFT分析

图6 级联H桥储能系统稳态电流

2.4.2动态性能仿真分析

仿真条件：级联H桥储能变换器设置初始功率为0，0.3秒时设定有功功率为2MW，0.5秒设置有功功率为3MW，0.8秒设置有功功率为-3MW，观察系统的运行情况。

（a）装置三相电流波形

由上图可以看出当给定功率变化后，级联H桥储能系统可以快速响应，可在20ms内完成动态变化，且输出质量波形良好。

2.4.3高低电压穿越仿真分析

高低电压穿越能力对于储能变流器也至关重要，但对于大容量的设备而言，进行高低电压穿越的条件较为苛刻，因此，首先是进行仿真层面的开发验证，之后在进行整个系统的验证，而为了确保在整机开发顺利进行，借助半实物平台验证控制系统的性能可以起到极大的作用。

2.5

RTLAB半实物仿真平台

上节在MATLAB/Simulink中对级联H桥的仿真模型和相应算法进行了验证，为了能够相应算法保证在储能系统整机上良好运行，借助RTLAB仿真机、DSP控制平台开发了级联H桥储能半实物系统，整个级联H桥储能的半实物平台结构如下图10所示：

如示意图所示，左侧部分为RTLAB仿真机其主要作用模拟级联H桥储能系统主电路，主要是包括电网、级联H桥主电路拓扑、电池系统；其还可以输出网侧的电压、电流等模拟量信息。中间转接板为级联H桥模块控制器，其可以模拟每相32个单元并行传输，接收储能系统主控下发的相关信息并通过光纤传输到RTLAB仿真机，完成IGBT驱动信号的传输，同时可以接收H桥直流侧相关模拟量信息。右侧部分为级联H桥储能系统主控系统，主要是完成电压电流信号的采集，并网算法的执行和人机界面的通信交互等功能。