科研動(dòng)態(tài)
雙向儲(chǔ)能逆變器的并網(wǎng)與離網(wǎng)控制策略研究
中文題目：雙向儲(chǔ)能逆變器的并網(wǎng)與離網(wǎng)控制策略研究
論文題目：Research on Grid-Connected and Off-Grid Control Strategy for Bidirectional Energy Storage Inverter
錄用期刊/會(huì)議：Electronics（中科院大類(lèi)3區(qū)）
原文DOI：10.3390/electronics13244911
原文鏈接：https://webofscience.clarivate.cn/wos/alldb/full-record/WOS:001386773600001
錄用/見(jiàn)刊時(shí)間：2024.12.12
作者列表：
1）巨亞峰 中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司油氣工藝研究院
2）張 輝 中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院
3）曹旭東 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 電子信息工程系教師（通信作者）
4）張若谷 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 新一代電子信息技術(shù)（含量子技術(shù)等）專(zhuān)業(yè)碩士23級(jí)
5）吉 莉 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 電子信息工程系教師
6）魏學(xué)良 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 電子信息工程系教師
7）劉延青 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司油氣工藝研究院
摘要:
雙向儲(chǔ)能逆變器是連接微電網(wǎng)中分布式能源與外部大電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備。由于雙向儲(chǔ)能逆變器在并網(wǎng)和孤島模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)影響，本文提出一種基于下垂控制的平滑切換策略以減輕此類(lèi)影響。
首先，本文介紹了感性線(xiàn)路阻抗條件下的下垂控制原理，詳細(xì)闡述了相關(guān)組成部分以及本研究采用的控制環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)思路和參數(shù)選擇。在從并網(wǎng)模式向孤島模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中，引入了一種改進(jìn)的帶正反饋的主動(dòng)頻率偏移（AFDPF）方法。該方法在傳統(tǒng) AFDPF 方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入正反饋系數(shù)和分段函數(shù)對(duì)斬波系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并提出了以頻率差的立方根作為跟蹤步長(zhǎng)，從而在保證系統(tǒng)諧波質(zhì)量的同時(shí)提高了孤島檢測(cè)效率。
相反，在從孤島模式向并網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中，本文提出了一種基于下垂控制的復(fù)合預(yù)同步控制策略，該策略能夠使雙向儲(chǔ)能逆變器輸出電壓的相位、幅值和頻率精確跟蹤電網(wǎng)電壓。
最后，利用 MATLAB/Simulink（美國(guó) MathWorks 公司，R2022b 版本）搭建了仿真模型，并搭建了基于 TMS320F28378DPTPS 控制器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，所提出的切換策略具有良好的穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)和孤島模式之間的平滑過(guò)渡，性能優(yōu)于傳統(tǒng)控制策略。
背景與動(dòng)機(jī):
雙向儲(chǔ)能逆變器的應(yīng)用對(duì)于增強(qiáng)交直流（AC/DC）混合網(wǎng)絡(luò)化微電網(wǎng)中的電能交換至關(guān)重要。但雙向儲(chǔ)能逆變器在并網(wǎng)和離網(wǎng)模式之間切換時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊效應(yīng)，影響負(fù)載用電安全。因此，研究雙向儲(chǔ)能逆變器并網(wǎng)與離網(wǎng)模式的切換策略，對(duì)微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。雙向儲(chǔ)能逆變器的切換策略可分解為兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：孤島檢測(cè)方法和預(yù)同步控制策略。對(duì)于這兩項(xiàng)技術(shù)，實(shí)施后都對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和電能質(zhì)量有一定要求。本文以雙向儲(chǔ)能逆變器為研究對(duì)象，闡明其下垂控制方法的控制原理。在解決雙向儲(chǔ)能逆變器的切換控制策略問(wèn)題時(shí)，提出了一種改進(jìn)的帶正反饋的孤島檢測(cè)方法和一種復(fù)合預(yù)同步控制方法。詳細(xì)闡述了這些切換策略的實(shí)施過(guò)程和原理。
主要內(nèi)容:
針對(duì)傳統(tǒng)主動(dòng)頻率偏移（AFD）方法存在的問(wèn)題，提出了一種改進(jìn)的帶正反饋的主動(dòng)頻率偏移檢測(cè)方法（AFDPF），提高孤島檢測(cè)效率和降低輸出電流的THD。該方法的原理如圖 1所示。
圖1改進(jìn)的帶正反饋的主動(dòng)頻率偏移檢測(cè)方法原理圖
通過(guò)分析，所提出的改進(jìn)的帶正反饋主動(dòng)頻率偏移方法的流程圖如圖 2 所示：
圖2改進(jìn)的帶正反饋的主動(dòng)頻率偏移檢測(cè)方法檢測(cè)流程
為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)預(yù)同步控制在相位同步精度較低方面的不足，本文提出了一種基于下垂控制的雙向儲(chǔ)能逆變器復(fù)合預(yù)同步控制策略，這種控制策略的原理如圖3所示。
圖3基于下垂控制的雙向儲(chǔ)能逆變器復(fù)合預(yù)同步控制策略檢測(cè)框圖
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析:
仿真結(jié)果分析：基于下垂控制的雙向儲(chǔ)能逆變器并網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，0.2s 發(fā)生孤島事件后系統(tǒng)迅速切換至離網(wǎng)模式，圖 4顯示傳統(tǒng) AFD 方法在孤島發(fā)生 0.12s 后檢測(cè)到事件，帶正反饋的 AFDPF 方法 0.08s 后完成檢測(cè)，檢測(cè)速度較傳統(tǒng)方法提高 50%。圖 5 顯示斷開(kāi)操作使并網(wǎng)到孤島模式平穩(wěn)過(guò)渡無(wú)顯著干擾，傳統(tǒng) AFD 方法下頻率在 0.32s 超出 49.5 - 50.5Hz 閾值，帶正反饋的 AFDPF 方法則在 0.28s 超出。圖 6顯示傳統(tǒng) AFD 方法電流 THD 為 6.03%，帶正反饋的 AFDPF 方法為 4.80%，改進(jìn)方法對(duì)微電網(wǎng)諧波污染更小。
圖4 孤島檢測(cè)波形
圖5 PCC電壓頻率波形
圖6 電流的THD值
微電網(wǎng)在 t = 0到 0.6s 以孤島模式穩(wěn)定運(yùn)行，t = 0.2s 雙向儲(chǔ)能逆變器啟動(dòng)預(yù)同步調(diào)整，完成后從離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)，圖 7 顯示預(yù)同步控制使電流切換平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫過(guò)渡。
圖7 從離網(wǎng)模式切換到并網(wǎng)模式過(guò)程中的電壓和電流波形
實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：
通過(guò)圖8所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配置：
圖8 系統(tǒng)配置及電氣原理圖
得到了圖9和圖10所示的并離網(wǎng)轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，均能驗(yàn)證所提方法的可行性。
圖9 從并網(wǎng)模式過(guò)渡到離網(wǎng)模式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖10從離網(wǎng)模式過(guò)渡到并網(wǎng)模式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
結(jié)論:
在從并網(wǎng)到離網(wǎng)的無(wú)縫過(guò)渡過(guò)程中，無(wú)論是計(jì)劃內(nèi)還是計(jì)劃外的孤島模式轉(zhuǎn)換，采用帶有正反饋機(jī)制的增強(qiáng)型主動(dòng)頻率偏移檢測(cè)技術(shù)，都能顯著縮短孤島檢測(cè)時(shí)間，降低雙向儲(chǔ)能逆變器輸出電流的總諧波失真（THD），從而大幅減輕對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的不利影響。這種先進(jìn)方法能夠根據(jù)負(fù)載阻抗的固有特性（無(wú)論是感性還是容性）進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，進(jìn)而提升性能。
相反，在從離網(wǎng)到并網(wǎng)的反向過(guò)渡過(guò)程中，基于下垂控制原理的精細(xì)預(yù)同步控制策略，確保了從孤島模式平穩(wěn)、無(wú)縫地回歸到并網(wǎng)模式。這些經(jīng)過(guò)優(yōu)化的控制方法的應(yīng)用，有助于在并網(wǎng)和離網(wǎng)模式之間實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健且不間斷的切換，從而保障了電力電子系統(tǒng)中雙向儲(chǔ)能逆變器的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。
通信作者簡(jiǎn)介:
曹旭東，副教授，碩導(dǎo)，中國(guó)計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制技術(shù)協(xié)會(huì)會(huì)員。主要從事DSP、FPGA、ARM等嵌入式微處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)、物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)，石油測(cè)井儀器微弱信號(hào)采集及井下通信技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)。完成了國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)、中國(guó)石油集團(tuán)公司以及油田企業(yè)的縱橫向項(xiàng)目20多項(xiàng)。主要科研項(xiàng)目：智能監(jiān)測(cè)、物聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)類(lèi)項(xiàng)目：基于IPv6的自動(dòng)化前端設(shè)備在高寒地區(qū)應(yīng)用的研究（國(guó)家發(fā)改委項(xiàng)目）；警用摩托車(chē)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；智能燃?xì)夤芫W(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；石油測(cè)井儀器研制開(kāi)發(fā)項(xiàng)目：過(guò)套管電阻率測(cè)井儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)校正解釋軟件研發(fā)；雙三維地球物理模型定位采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)（國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目）；井地電位成像系統(tǒng)研制；地震物理模擬方法研究項(xiàng)目:多波地震勘探及裂縫儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)、地震物理模型可控震源研制、物探新方法新技術(shù)研究。發(fā)表論文四十余篇, 編寫(xiě)《單片機(jī)原理及應(yīng)用》和《DSP芯片原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)》教材2部。獲得中國(guó)石油大學(xué)校級(jí)教學(xué)成果一等獎(jiǎng)2次，二等獎(jiǎng)多次。指導(dǎo)大學(xué)生獲北京市電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽一等獎(jiǎng)，北京市大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽優(yōu)秀指導(dǎo)教師。聯(lián)系方式：[email protected]