储能电池并网特性运行 作者申蕾5071439018 指导老师：刘东 (上海交通大学电气工程系，上海市200240：) 摘要：通过介绍一种新型的铅酸蓄电池充放电维护装置，详细分析了大规模储能电池并网 所需要的电力电子整流与逆变的原理，该装置的主电路结构为电压型逆变器，采用双向SPWM 逆变整流控制技术实现直流和交流电能的双向流动，从而实现蓄电池的并网充放电控制，其 并网电流波形为正弦波，且功率因数可控。对对并网后储能电池对电网的运行方式有哪些影 响进行了介绍。 关键词：风力发电：储能技术；并网充放电：双向正弦波脉宽调制：蓄电池 1.引言 降低电网调峰负担，增加风电的经济效益和使 用价值。对于风电离网系统，配套适当容量的 随着常规化石能源的消耗和环境污染日储能系统，可以充分发挥风电分布式供电优势 益严重，世界各国都纷纷出台各项政策，大力和风力发电的作用。 支持发展可再生能源，强力推进节能减排，打 本文的参考文献基本上都是针对目前我 造低碳经济。在目前己经开发利用的可再生清 国储能电池在风力发电商场的使用前景进行 洁能源中，风力发电是发展最快，技术最成熟，了分析研究，强调了储能电池的可行性以及重 也是最具有大规模开发利用前景和市场竞争要性。 力的发电方式。 最后，本文在这些研究成果的基础上，首 众所周知，风电具有随机性、间歇性特性， 先指出了风电发电并网所面临的问题，在此基 大规模风电并网将给电力系统带来一系列挑础上详细分析了储能技术用于解决相关问题 战，严重影响了电力系统运行的稳定性、电能的可行性，并且针对储能电池控制的整流与逆 质量以及经济性。随着我国风电大规模发展，变原理进行了分析。对于储能电池并网之后的 风力发电在电力系统中所占的比重将会越来充放电特性以及对于电网的运行方式也进行 越大。研究表明，如果风电装机容量占电网总了简单分析。并且提出了对于目前风力发电市 容量的比例达到20%以上，电网的调峰能力和场的一些建议。 安全运行将面临巨大挑战。我国多数风电场由 2.问题的提出 于位于电网末梢，电网建设会相对薄弱，风电 场输出功率的波动严重时可能导致电网系统 目前，越来越多的大中型风电场相继建 崩溃。因此，风电大规模发展必须有大规模先 成并投入运行。由于大中型风力发电场 进储能技术作支撑。对于并网风电系统，配套 (50MW及以上)一般直接接入输电网，故电网 适当容量的储能系统，可以在很大程度上解决 对风电电能质量的要求越来越高。风能是一 风力发电的随机性、波动性问题，平滑风电输 种间歇性能源，且风速预测存在一定的误 出功率，提高风电的可控性，保证风力发电连 差，因此风电场不能提供持续稳定的功率， 续性和稳定性，减小风电输出功率波动性对电 发电稳定性较差。 网的影响，使大规模风电能够方便可靠地并入 另外，风电场的功率波动会影响当地电 常规电网，很好解除风电场难并网运行的瓶 网的电能质量，产生电压波动与闪变。我国 颈：通过合理配置还能有效增强风电机组的低 风电场的单机容量一般较小，且850kW以下 电压穿越(LVRT)能力，增大风电穿透功率 的风电机组绝大多数是异步发电机组，需要 (WPP):同时可以用于电网的“削峰填谷”， 系统提供无功支持。因此，研究改善风电场
储能电池并网特性运行 作者 申 蕾 5071439018 指导老师： 刘 东 （上海交通大学 电气工程系，上海市 200240；） 摘 要：通过介绍一种新型的铅酸蓄电池充放电维护装置，详细分析了大规模储能电池并网 所需要的电力电子整流与逆变的原理，该装置的主电路结构为电压型逆变器，采用双向SPWM 逆变整流控制技术实现直流和交流电能的双向流动，从而实现蓄电池的并网充放电控制，其 并网电流波形为正弦波，且功率因数可控。对对并网后储能电池对电网的运行方式有哪些影 响进行了介绍。 关键词：风力发电；储能技术；并网充放电；双向正弦波脉宽调制；蓄电池 1．引言 随着常规化石能源的消耗和环境污染日 益严重，世界各国都纷纷出台各项政策，大力 支持发展可再生能源，强力推进节能减排，打 造低碳经济。在目前已经开发利用的可再生清 洁能源中，风力发电是发展最快，技术最成熟， 也是最具有大规模开发利用前景和市场竞争 力的发电方式。 众所周知，风电具有随机性、间歇性特性， 大规模风电并网将给电力系统带来一系列挑 战，严重影响了电力系统运行的稳定性、电能 质量以及经济性。随着我国风电大规模发展， 风力发电在电力系统中所占的比重将会越来 越大。研究表明，如果风电装机容量占电网总 容量的比例达到 20%以上，电网的调峰能力和 安全运行将面临巨大挑战。我国多数风电场由 于位于电网末梢，电网建设会相对薄弱，风电 场输出功率的波动严重时可能导致电网系统 崩溃。因此，风电大规模发展必须有大规模先 进储能技术作支撑。对于并网风电系统，配套 适当容量的储能系统，可以在很大程度上解决 风力发电的随机性、波动性问题，平滑风电输 出功率，提高风电的可控性，保证风力发电连 续性和稳定性，减小风电输出功率波动性对电 网的影响，使大规模风电能够方便可靠地并入 常规电网，很好解除风电场难并网运行的瓶 颈；通过合理配置还能有效增强风电机组的低 电压穿越（LVRT）能力，增大风电穿透功率 （WPP）；同时可以用于电网的“削峰填谷”， 降低电网调峰负担，增加风电的经济效益和使 用价值。对于风电离网系统，配套适当容量的 储能系统，可以充分发挥风电分布式供电优势 和风力发电的作用。 本文的参考文献基本上都是针对目前我 国储能电池在风力发电商场的使用前景进行 了分析研究，强调了储能电池的可行性以及重 要性。 最后，本文在这些研究成果的基础上，首 先指出了风电发电并网所面临的问题，在此基 础上详细分析了储能技术用于解决相关问题 的可行性，并且针对储能电池控制的整流与逆 变原理进行了分析。对于储能电池并网之后的 充放电特性以及对于电网的运行方式也进行 了简单分析。并且提出了对于目前风力发电市 场的一些建议。 2．问题的提出 目前，越来越多的大中型风电场相继建 成并投入运行。由于大中型风力发电场 (50MW 及以上)一般直接接入输电网，故电网 对风电电能质量的要求越来越高。风能是一 种间歇性能源，且风速预测存在一定的误 差，因此风电场不能提供持续稳定的功率， 发电稳定性较差。 另外，风电场的功率波动会影响当地电 网的电能质量，产生电压波动与闪变。我国 风电场的单机容量一般较小，且 850kW 以下 的风电机组绝大多数是异步发电机组，需要 系统提供无功支持。因此，研究改善风电场
发电的稳定性，抑制风电引起的电压波动与 -30-60度的温度环境下可以正常运行。 闪变以及提高含风电系统的稳定性等问题 2蓄电池的低温性能要好，即使温度比 成为风电并网运行中的重要问题。 较低的地区也可以使用。 3容量一致性好，在蓄电池串联和并联 3.解决问题的方法 使用中，保持一致性。 虽然采用静止无功补偿器可快速补偿 3.2储能蓄电池的电力电子控制原理 无功功率，能够维持风力发电电源接入点电 压的稳定，但不能调节风电场输出的有功功 目前，大容量蓄电池的放电维护通常采 率，而采用储能系统则可以控制风力发电输 用两种方法进行：一是串接负载电阻放电， 出的有功功率。 把蓄电池存储的电能耗散在大功率电阻的 储能系统不仅可用于电力调峰，使风力 发热中，因此，每进行一次维护工作须消耗 发电单元做为调度机组单元运行，而且具备 大量的电能，并且要及时监视蓄电池电压的 向电力系统提供频率控制、快速功率响应等 变化，以防过放的发生，其放电电流控制也 辅助服务的能力。电池技术和电力电子技术 不方便：另一种是采用晶闸管有源逆变方式 的发展促进了电池储能系统(battery 进行放电维护，该方式将电能馈送电网，以 energy storage system,BESS)在电力系统 达节能降耗目的，该方式虽然可将能量返回 中的应用.BESS显示出快速的功率吞吐能力 给电网起到节能作用，但由于其反馈给电网 和灵活的4象限调节能力。因此，将BESS 的电流波形为方波，含有大量的高次谐波成 与风力发电单元相结合，有利于减少风电场 分，对电网造成谐波污染，且运行时电磁噪 输出波动对电网的影响，改善并网风电场的 声较大，并网功率因数也较低，会损失大量 稳定性问题。 的无功电能。 随着电力电子技术与计算机技术的发 3.1储能蓄系统及储能电池的基本介绍 展，采用先进的SPWM双向整流逆变技术可 以实现蓄电池组的充放电控制，采用该技术 储能系统一般由两大部分组成：由储能 的装置在充放电时不会对电网产生任何谐 元件（部件）组成的储能装置和由电力电子 波污染，并网电流波形是完美的正弦波，且 器件组成的功率转换系统(PCS)。储能装置 功率因数可控制为1，不仅如此，其运行时 主要实现能量的储存和释放：PCS主要实现 噪声低，且体积小、效率高。由于其采用先 充放电控制、功率调节和控制等功能。 进的计算机控制和管理，可以方便各类用户 储能蓄电池主要是指使用于太阳能发 需求，并具有蓄电池充放电曲线的优化设定 电备和风力发电设备以及可再生能源储蓄 控制，有助于延长蓄电池使用寿命，也方便 能源用的蓄电池。 蓄电池的生产和管理。在节能降耗方面可以 常见的储能蓄电池为铅酸蓄电池。储 得到大大提高。下面进行详细介绍。 能蓄电池分为以下三类： 1排气式储能用铅酸蓄电池-电池盖上 3.2.1系统的主电路结构 有能够补液和析出气体装置的蓄电池。 双向SPWM逆变整流装置一般采用电压 2阀控式储能用铅酸蓄电池-各个电池 型逆变主电路，其功率开关器件为绝缘栅型 是密封的，但都带有在内压超出一定值时允 双极晶体管(IGBT),采用电流控制方式， 许气体溢出的阀的蓄电池。 该逆变主电路如图1所示。 3胶体储能用铅酸蓄电池-使用用胶体 电解质的蓄电池。 储能用铅酸蓄电池必须具备以下特点： 1使用的温度范围比较广，一般要求在
发电的稳定性，抑制风电引起的电压波动与 闪变以及提高含风电系统的稳定性等问题 成为风电并网运行中的重要问题。 3．解决问题的方法 虽然采用静止无功补偿器可快速补偿 无功功率，能够维持风力发电电源接入点电 压的稳定，但不能调节风电场输出的有功功 率，而采用储能系统则可以控制风力发电输 出的有功功率。 储能系统不仅可用于电力调峰，使风力 发电单元做为调度机组单元运行，而且具备 向电力系统提供频率控制、快速功率响应等 辅助服务的能力。电池技术和电力电子技术 的 发 展 促 进 了 电 池 储 能 系 统 (battery energy storage system，BESS)在电力系统 中的应用。BESS 显示出快速的功率吞吐能力 和灵活的 4 象限调节能力。因此，将 BESS 与风力发电单元相结合，有利于减少风电场 输出波动对电网的影响，改善并网风电场的 稳定性问题。 3.1 储能蓄系统及储能电池的基本介绍 储能系统一般由两大部分组成：由储能 元件(部件)组成的储能装置和由电力电子 器件组成的功率转换系统(PCS)。储能装置 主要实现能量的储存和释放；PCS 主要实现 充放电控制、功率调节和控制等功能。 储能蓄电池主要是指使用于太阳能发 电备和风力发电设备以及可再生能源储蓄 能源用的蓄电池。 常见的储能蓄电池为铅酸蓄电池。 储 能蓄电池分为以下三类： 1 排气式储能用铅酸蓄电池-电池盖上 有能够补液和析出气体装置的蓄电池。 2 阀控式储能用铅酸蓄电池-各个电池 是密封的，但都带有在内压超出一定值时允 许气体溢出的阀的蓄电池。 3 胶体储能用铅酸蓄电池-使用用胶体 电解质的蓄电池。 储能用铅酸蓄电池必须具备以下特点： 1 使用的温度范围比较广，一般要求在 -30-60 度的温度环境下可以正常运行。 2 蓄电池的低温性能要好，即使温度比 较低的地区也可以使用。 3 容量一致性好，在蓄电池串联和并联 使用中，保持一致性。 3.2 储能蓄电池的电力电子控制原理 目前，大容量蓄电池的放电维护通常采 用两种方法进行：一是串接负载电阻放电， 把蓄电池存储的电能耗散在大功率电阻的 发热中，因此，每进行一次维护工作须消耗 大量的电能，并且要及时监视蓄电池电压的 变化，以防过放的发生，其放电电流控制也 不方便；另一种是采用晶闸管有源逆变方式 进行放电维护，该方式将电能馈送电网，以 达节能降耗目的，该方式虽然可将能量返回 给电网起到节能作用，但由于其反馈给电网 的电流波形为方波，含有大量的高次谐波成 分，对电网造成谐波污染，且运行时电磁噪 声较大，并网功率因数也较低，会损失大量 的无功电能。 随着电力电子技术与计算机技术的发 展，采用先进的 SPWM 双向整流逆变技术可 以实现蓄电池组的充放电控制，采用该技术 的装置在充放电时不会对电网产生任何谐 波污染，并网电流波形是完美的正弦波，且 功率因数可控制为 1，不仅如此，其运行时 噪声低，且体积小、效率高。由于其采用先 进的计算机控制和管理，可以方便各类用户 需求，并具有蓄电池充放电曲线的优化设定 控制，有助于延长蓄电池使用寿命，也方便 蓄电池的生产和管理。在节能降耗方面可以 得到大大提高。下面进行详细介绍。 3.2.1 系统的主电路结构 双向 SPWM 逆变整流装置一般采用电压 型逆变主电路，其功率开关器件为绝缘栅型 双极晶体管（IGBT），采用电流控制方式， 该逆变主电路如图 1 所示
电磁干扰国家标准，系统必须配置专用的高 频滤波器，并在主电路的工艺结构和机箱设 计上采取预防措施。 3.2.2系统的控制结构 蓄电池的充放电系统需要控制直流电 流和直流电压，而交流并网电流也是需要控 图1系统主电路 制的，因此，该系统的控制结构应包含有三 该主电路适用于三相电网，而对于单相 闭环控制，其结构如图2所示。 电网其主电路结构类似，但充放电电流脉动 较大。其BP端与BN端分别接蓄电池的正极 和负极，电阻Rs为软启动电阻，以防止在 合闸瞬间由于滤波电容的初始零电压，产生 9989日- 大的短路冲击电流，在软启动完毕后，接触 器KM1闭合，短路Rs。其电容的选择与逆变 器输出额定功率、母线电压有关，若电容量 图2系统的控制结构图 选择过小，逆变器直流母线电压的波动幅度 VB*为蓄电池充放电电压指令值，VB 将较大，同时也会引起大的蓄电池直流充放 为蓄电池实际反馈电压，VT为电压调节器， 电电流脉动。 其输出为充放电电流指令值IB*,IB为实 系统中的主变压器一方面起安全隔离 际充放电直流电流，LT1为直流电流调节器， 作用，保证蓄电池的正负极与电网隔离，另 LT1的输出IM*作为并网电流的幅值给定， 一方面，也是为了充放电蓄电池的电压匹 其正负就决定了是放电还是充电，即其逆变 配。若无隔离变压器，直流母线的电压幅值 器并网电流与电网电压是同相还是反相。TB 应大于交流电网电压，否则，难以实现双向 为同步电压变换器，IM*与同步变换器输出 电流充放电，但如果蓄电池的直流母线电压 UAK*的乘积为Ia+,Ia*再作为并网交流 匹配过高则会影响系统的效率。 电流的给定，经LT2电流调节器实现并网电 系统中滤波电抗的设计选择是至关重 流Ia的跟踪控制，也即指令电流Ia*与电 要的，它涉及到并网电流波形的脉动幅度和 网的对应相位是相同还是相反。做为另外两 跟踪正弦电流幅值的范围，若电抗器L值选 相电流给定值Ib*及Ic*的控制与Ia*的 择过大，则在同样开关频率下，输出电流纹 控制方式相同，直流电压调节器VT和直流 波会较小，但蓄电池放电并网功率会受到限 电流调节器LT1不变。 制：L值选择过小，输出电流纹波会较大， 由于系统存在三闭环控制，各调节器的 产生较大的电磁噪声和干扰。所以，电感值 控制参数设定对系统稳定性和快速性有较 的设计选择应以满足并网功率为前提条件， 大影响，各调节器参数应合理优化设计，以 以电流脉动纹波幅度为设计条件，以得到满 保证系统的充放电电压和电流的稳定。 足设计指标的低失真、低谐波、高品质的正 为了实现蓄电池充放电曲线的控制，在 弦输出电流波形。滤波电抗器的设计和加工 充放电过程中，可以设定VB*和VT调节器 要保证在额定电流范围内稳定不变，即工作 的输出限幅IBmax*,在不同的充放电电压 在线性区域内，同时还要防止在运行过程由 区域，由于VT调节器开始时一般是处于饱 于气隙松动产生的电磁力噪声。 和状态，其输出处于限幅值，所以充放电电 虽然电流波形被控制为良好的正弦波 流跟踪IBmax*,当蓄电池电压达到某点设 形，但高频开关的影响，使电流波形中含有 定电压值时，再次修改VT调节器输出限幅 开关频率的高次谐波，将会产生传导干扰和 即可。在充放电的最后阶段，VT调节器会自 空间电磁辐射。为了使系统满足电磁兼容及 动进入退饱和调节，并控制蓄电池充放电电
图 1 系统主电路 该主电路适用于三相电网，而对于单相 电网其主电路结构类似，但充放电电流脉动 较大。其 BP 端与 BN 端分别接蓄电池的正极 和负极，电阻 Rs 为软启动电阻，以防止在 合闸瞬间由于滤波电容的初始零电压，产生 大的短路冲击电流，在软启动完毕后，接触 器 KM1 闭合，短路 Rs。其电容的选择与逆变 器输出额定功率、母线电压有关，若电容量 选择过小，逆变器直流母线电压的波动幅度 将较大，同时也会引起大的蓄电池直流充放 电电流脉动。 系统中的主变压器一方面起安全隔离 作用，保证蓄电池的正负极与电网隔离，另 一方面，也是为了充放电蓄电池的电压匹 配。若无隔离变压器，直流母线的电压幅值 应大于交流电网电压，否则，难以实现双向 电流充放电，但如果蓄电池的直流母线电压 匹配过高则会影响系统的效率。 系统中滤波电抗的设计选择是至关重 要的，它涉及到并网电流波形的脉动幅度和 跟踪正弦电流幅值的范围，若电抗器 L 值选 择过大，则在同样开关频率下，输出电流纹 波会较小，但蓄电池放电并网功率会受到限 制；L 值选择过小，输出电流纹波会较大， 产生较大的电磁噪声和干扰。所以，电感值 的设计选择应以满足并网功率为前提条件， 以电流脉动纹波幅度为设计条件，以得到满 足设计指标的低失真、低谐波、高品质的正 弦输出电流波形。滤波电抗器的设计和加工 要保证在额定电流范围内稳定不变，即工作 在线性区域内，同时还要防止在运行过程由 于气隙松动产生的电磁力噪声。 虽然电流波形被控制为良好的正弦波 形，但高频开关的影响，使电流波形中含有 开关频率的高次谐波，将会产生传导干扰和 空间电磁辐射。为了使系统满足电磁兼容及 电磁干扰国家标准，系统必须配置专用的高 频滤波器，并在主电路的工艺结构和机箱设 计上采取预防措施。 3.2.2 系统的控制结构 蓄电池的充放电系统需要控制直流电 流和直流电压，而交流并网电流也是需要控 制的，因此，该系统的控制结构应包含有三 闭环控制，其结构如图 2 所示。 图 2 系统的控制结构图 VB＊为蓄电池充放电电压指令值，VB 为蓄电池实际反馈电压，VT 为电压调节器， 其输出为充放电电流指令值 IB＊，IB 为实 际充放电直流电流，LT1 为直流电流调节器， LT1 的输出 IM＊作为并网电流的幅值给定， 其正负就决定了是放电还是充电，即其逆变 器并网电流与电网电压是同相还是反相。TB 为同步电压变换器，IM＊与同步变换器输出 UAK＊的乘积为 Ia＊，Ia＊再作为并网交流 电流的给定，经 LT2 电流调节器实现并网电 流 Ia 的跟踪控制，也即指令电流 Ia＊与电 网的对应相位是相同还是相反。做为另外两 相电流给定值 Ib＊及 Ic＊的控制与 Ia＊的 控制方式相同，直流电压调节器 VT 和直流 电流调节器 LT1 不变。 由于系统存在三闭环控制，各调节器的 控制参数设定对系统稳定性和快速性有较 大影响，各调节器参数应合理优化设计，以 保证系统的充放电电压和电流的稳定。 为了实现蓄电池充放电曲线的控制，在 充放电过程中，可以设定 VB＊和 VT 调节器 的输出限幅 IBmax＊，在不同的充放电电压 区域，由于 VT 调节器开始时一般是处于饱 和状态，其输出处于限幅值，所以充放电电 流跟踪 IBmax＊，当蓄电池电压达到某点设 定电压值时，再次修改 VT 调节器输出限幅 即可。在充放电的最后阶段，VT 调节器会自 动进入退饱和调节，并控制蓄电池充放电电
压满足设定要求。 流与电网电压的相位误差，提高并网功率因 数。 3.2.3交流电流的内环跟踪控制 双向SPWM整流逆变控制技术的关键在 于交流电流内环的电流跟踪控制，电流跟踪 控制的方式有多种，如电流滞环比较控制、 SPWM异步闭环电流控制、电流数字预估控 制、电压矢量运算控制等。 1电流滞环比较控制 滞环PWM电流控制是一种较为传统的控 图4SPWW异步闭环电流控制 制方法，其结构如图3所示，DP为上下桥臂 驱动电路，K为滞环比较器。滞环比较方式 的特点是采用硬件电路比较，电路结构简 单，稳定性好，电流控制的响应很快，误差 可控，但输出电流的谐波较多，电磁噪声较 大。 图5放电时电网同步与并网电流波形 3.2.4系统的控制功能设计 蓄电池充放电维护装置的控制功能设 图3滞环PWM电流控制 计要考虑用户的使用场合和操作灵活性，假 2SPWM异步闭环电流控制 设本系统控制器的核心芯片采用TI公司的 SPWM异步电流闭环跟踪控制是一种控 DSP(TMS320LF2407A),由于其专有的SPWM 制简单且稳定性能较好的方式，由于它具有 控制功能和高速数据处理能力，使系统能以 固定的开关频率，因此有利于滤波电路的设 全数字软件方式实现正弦波并网电流的双 计，也有利于限制电路的开关损耗，同时有 向控制，并在实现并网正弦电流波形及减小 利于降低噪声。该种电流控制方式具有稳定 噪声等方面效果良好。在此基础上，针对蓄 性好、响应速度快、噪声小、谐波低等特点。 电池的充放电控制要求及特点，设计了较为 本文采用的方式如图4所示，电流偏 全面的充放电控制和管理模式。其主要功能 差通过PI比例积分调节后与三角载波比较， 设计如下。 由于电流给定Ia*为正弦波，当控制内环稳 1充放电曲线设定可以由用户在本机 定时，其PI调节器输出也会为正弦波，其 液晶显示操作面板上设定合适的电压电流 比较输出为等效的SPWM脉冲序列，该脉冲序 充放电数值，以有限数组实现曲线的拟合， 列经DP驱动电路分别驱动上下桥臂IGBT模 控制充放电电流跟踪设定曲线，并最终稳定 块，使电流形成负反馈控制。图5为采用该 在蓄电池充放电的上下限电压值上。 电流控制方式的并网电流跟踪实验波形，由 2充放电模式设定设置了放电模式、充 图5中电网同步电压与电流波形可知，实际 电模式和循环自动充放电模式。在充放电模 电流跟踪效果良好，由于正弦电流控制采用 式下，如果系统完成了充放电过程，则自动 的是PI调节，因此，实际并网正弦电流的 停机等待并声音提示。在循环自动充放电模 跟踪与指令电流存在相位和幅值的误差，为 式，会根据用户设定的循环充放电次数，自 此在软件上须进行误差补偿，以消除实际电 动完成充放电控制，并停机声音提示
压满足设定要求。 3.2.3 交流电流的内环跟踪控制 双向 SPWM 整流逆变控制技术的关键在 于交流电流内环的电流跟踪控制，电流跟踪 控制的方式有多种，如电流滞环比较控制、 SPWM 异步闭环电流控制、电流数字预估控 制、电压矢量运算控制等。 1 电流滞环比较控制 滞环PWM电流控制是一种较为传统的控 制方法，其结构如图 3 所示，DP 为上下桥臂 驱动电路，KH 为滞环比较器。滞环比较方式 的特点是采用硬件电路比较，电路结构简 单，稳定性好，电流控制的响应很快，误差 可控，但输出电流的谐波较多，电磁噪声较 大。 图 3 滞环 PWM 电流控制 2 SPWM 异步闭环电流控制 SPWM 异步电流闭环跟踪控制是一种控 制简单且稳定性能较好的方式，由于它具有 固定的开关频率，因此有利于滤波电路的设 计，也有利于限制电路的开关损耗，同时有 利于降低噪声。该种电流控制方式具有稳定 性好、响应速度快、噪声小、谐波低等特点。 本文采用的方式如图 4 所示，电流偏 差通过PI比例积分调节后与三角载波比较， 由于电流给定 Ia＊为正弦波，当控制内环稳 定时，其 PI 调节器输出也会为正弦波，其 比较输出为等效的SPWM脉冲序列,该脉冲序 列经 DP 驱动电路分别驱动上下桥臂 IGBT 模 块，使电流形成负反馈控制。图 5 为采用该 电流控制方式的并网电流跟踪实验波形，由 图 5 中电网同步电压与电流波形可知，实际 电流跟踪效果良好，由于正弦电流控制采用 的是 PI 调节，因此，实际并网正弦电流的 跟踪与指令电流存在相位和幅值的误差，为 此在软件上须进行误差补偿，以消除实际电 流与电网电压的相位误差，提高并网功率因 数。 图 4 SPWM 异步闭环电流控制 图 5 放电时电网同步与并网电流波形 3.2.4 系统的控制功能设计 蓄电池充放电维护装置的控制功能设 计要考虑用户的使用场合和操作灵活性，假 设本系统控制器的核心芯片采用 TI 公司的 DSP（TMS320LF2407A），由于其专有的 SPWM 控制功能和高速数据处理能力，使系统能以 全数字软件方式实现正弦波并网电流的双 向控制，并在实现并网正弦电流波形及减小 噪声等方面效果良好。在此基础上，针对蓄 电池的充放电控制要求及特点，设计了较为 全面的充放电控制和管理模式。其主要功能 设计如下。 1 充放电曲线设定可以由用户在本机 液晶显示操作面板上设定合适的电压电流 充放电数值，以有限数组实现曲线的拟合， 控制充放电电流跟踪设定曲线，并最终稳定 在蓄电池充放电的上下限电压值上。 2 充放电模式设定设置了放电模式、充 电模式和循环自动充放电模式。在充放电模 式下，如果系统完成了充放电过程，则自动 停机等待并声音提示。在循环自动充放电模 式，会根据用户设定的循环充放电次数，自 动完成充放电控制，并停机声音提示
3上位机的通信控制及管理本机系统 设有RS485通信接口，可以实现多机联网通 信。本机可以通过现场总线将运行状态及数 据传送至上位机，如蓄电池电压、蓄电池电 流等：上位机也可以发送控制指令给下位 机，如充电电压电流指令、放电电压电流指 令等，并可以同时监控和管理多台蓄电池充 放电设备，图形显示当前运行参数和历史运 行曲线等。 直1 黄欲 3.2.5系统的故障保护 图6孤岛效应发生机理 对于该型的蓄电池充放电维护装置，除 了要具备一般的逆变电源保护功能，如交流 3.3储能蓄电池对系统运行的影响 过流、直流过流、短路、蓄电池过充过放、 散热器超温等，特别还应有孤岛效应的防止 3.3.1利用储能系统增强风电稳定性 与保护功能。孤岛效应是指并网型逆变电源 增强电力系统稳定性的根本措施是改 在电网断电时，逆变器仍然保持对失压电网 善系统平衡度，储能系统能够快速吸收或释 中的某一部分线路继续供电的状态，这样电 放有功及无功功率，改善系统的有功、无功 力孤岛效应区域会发生电压和频率不稳定 功率平衡水平，增强稳定性。超导储能和超 现象，有可能对外部设备造成损坏或发生触 级电容储能系统均能有效降低风电并网PCC 电安全事故。图6为孤岛效应的发生机理， 的电压波动，平滑风电机组的有功输出，增 正常供电时，开关A闭合，蓄电池逆变电源 强系统稳定性。频率稳定性问题的研究主要 和电网同时给负载供电。当电网突然停电， 集中在储能系统平滑风电输出功率方面，超 即从A处断开，若这时负载阻抗正好与输出 导储能和超级电容储能系统能有效改善风 电流相匹配，则在电网断开时，负载电压不 电输出功率及系统的频率波动。增强风电并 会有任何变化，采用常规检测电压方法，系 网系统的稳定性需要配备快速响应能力的 统无法判断电网停电，仍然继续向负载供 储能系统，如超导储能、超级电容储能、 电，即产生了孤岛效应。对孤岛效应的识别 飞轮储能和蓄电池等储能技术，它们能在暂 有多种方式，可以分为主动式和被动式两 态过程中快速补偿功率不平衡量，增强系统 类。一般规定并网逆变电源本机应同时具有 稳定性。用于提升系统稳定性的储能系统通 主动和被动识别能力，以提高孤岛效应识别 常对储能容量的要求不高，但应具备短时释 的可靠性，并且要求识别响应时间应小于 放或吸收高功率的能力，只有配备合适的 1s。主动式孤岛效应的识别方式有主动频率 储能系统及容量并采取适当的控制策略才 偏移、有功功率变动、无功功率变动等。被 能取得最优的效果。 动式方式有电压相位跳动、三次电压谐波变 动、频率变化等。 3.3.2利用储能系统增强风电机组LVRT功 能 在风电机组比例较高的电力系统中， LVRT是影响系统稳定性的关键因素之一。有 LVRT功能的风电机组并网能够有效解决风 电并网所产生的电压稳定性问题，有利于系 统稳定性的增强。 LVRT功能实现的途径主要有2种：改进 控制策略和增加硬件电路。其中改进控制策
3 上位机的通信控制及管理本机系统 设有 RS485 通信接口，可以实现多机联网通 信。本机可以通过现场总线将运行状态及数 据传送至上位机，如蓄电池电压、蓄电池电 流等；上位机也可以发送控制指令给下位 机，如充电电压电流指令、放电电压电流指 令等，并可以同时监控和管理多台蓄电池充 放电设备，图形显示当前运行参数和历史运 行曲线等。 3.2.5 系统的故障保护 对于该型的蓄电池充放电维护装置，除 了要具备一般的逆变电源保护功能，如交流 过流、直流过流、短路、蓄电池过充过放、 散热器超温等，特别还应有孤岛效应的防止 与保护功能。孤岛效应是指并网型逆变电源 在电网断电时，逆变器仍然保持对失压电网 中的某一部分线路继续供电的状态，这样电 力孤岛效应区域会发生电压和频率不稳定 现象，有可能对外部设备造成损坏或发生触 电安全事故。图 6 为孤岛效应的发生机理， 正常供电时，开关 A 闭合，蓄电池逆变电源 和电网同时给负载供电。当电网突然停电， 即从 A 处断开，若这时负载阻抗正好与输出 电流相匹配，则在电网断开时，负载电压不 会有任何变化，采用常规检测电压方法，系 统无法判断电网停电，仍然继续向负载供 电，即产生了孤岛效应。对孤岛效应的识别 有多种方式，可以分为主动式和被动式两 类。一般规定并网逆变电源本机应同时具有 主动和被动识别能力，以提高孤岛效应识别 的可靠性，并且要求识别响应时间应小于 1s。主动式孤岛效应的识别方式有主动频率 偏移、有功功率变动、无功功率变动等。被 动式方式有电压相位跳动、三次电压谐波变 动、频率变化等。 图 6 孤岛效应发生机理 3.3 储能蓄电池对系统运行的影响 3.3.1 利用储能系统增强风电稳定性 增强电力系统稳定性的根本措施是改 善系统平衡度，储能系统能够快速吸收或释 放有功及无功功率，改善系统的有功、无功 功率平衡水平，增强稳定性。超导储能和超 级电容储能系统均能有效降低风电并网 PCC 的电压波动，平滑风电机组的有功输出，增 强系统稳定性。频率稳定性问题的研究主要 集中在储能系统平滑风电输出功率方面，超 导储能和超级电容储能系统能有效改善风 电输出功率及系统的频率波动。增强风电并 网系统的稳定性需要配备快速响应能力的 储能系统，如超导储能、超级电容储能、 飞轮储能和蓄电池等储能技术，它们能在暂 态过程中快速补偿功率不平衡量，增强系统 稳定性。用于提升系统稳定性的储能系统通 常对储能容量的要求不高，但应具备短时释 放或吸收高功率的能力，只有配备合适的 储能系统及容量并采取适当的控制策略才 能取得最优的效果。 3.3.2 利用储能系统增强风电机组 LVRT 功 能 在风电机组比例较高的电力系统中， LVRT 是影响系统稳定性的关键因素之一。有 LVRT 功能的风电机组并网能够有效解决风 电并网所产生的电压稳定性问题，有利于系 统稳定性的增强。 LVRT 功能实现的途径主要有 2 种：改进 控制策略和增加硬件电路。其中改进控制策