屈克慶，陳緒輝，牛清泉，趙晉斌

(上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090)

基于單Z源三電平SVPWM逆變器的電池充放電控制方法

屈克慶，陳緒輝，牛清泉，趙晉斌

(上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090)

提出了基于單Z源三電平SVPWM逆變器的蓄電池充放電策略，并設(shè)計(jì)了閉環(huán)控制系統(tǒng).研究了電流前饋解耦的階段式充電、功率前饋解耦的恒功率放電，以及恒功率放電時(shí)的升壓控制方法.經(jīng)Matlab仿真驗(yàn)證，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)蓄電池充電時(shí)的限功率恒壓、恒流控制，以及具有升壓特性的輸出恒功率并網(wǎng)控制.

Z源;三電平逆變器;蓄電池;充放電控制

目前，在蓄電池充放電及儲(chǔ)能逆變器系統(tǒng)的研究中，為解決蓄電池電壓與電網(wǎng)電壓的匹配問(wèn)題，大多數(shù)文獻(xiàn)均采用變壓器或外加DC/DC環(huán)節(jié)以實(shí)現(xiàn)升降壓控制，不僅增加了投資成本，也會(huì)對(duì)逆變器轉(zhuǎn)換效率造成影響.Z源逆變器由于其升降壓特性，有利于解決這一問(wèn)題.［1-2］雖然有文獻(xiàn)提出一些簡(jiǎn)化的空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)策略，以及將Z源逆變器和多電平技術(shù)相結(jié)合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，［3-4］但將其應(yīng)用于儲(chǔ)能控制的文獻(xiàn)相對(duì)較少.因此，本文研究了單Z源三電平SVPWM逆變器技術(shù)，并將其作為儲(chǔ)能逆變器應(yīng)用于蓄電池充放電場(chǎng)合，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的閉環(huán)控制系統(tǒng).單Z源三電平逆變器技術(shù)的應(yīng)用，不僅省去了額外的變壓器或DC/DC變換器環(huán)節(jié)，提高了效率，而且實(shí)現(xiàn)了蓄電池電壓大范圍變化情況下的充放電控制，適用于不同電壓等級(jí)的蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng).另外，可進(jìn)一步降低其所需的蓄電池組輸出電壓，進(jìn)而能夠減少蓄電池組的串聯(lián)數(shù)，適用于未來(lái)電動(dòng)汽車等小型蓄電池組的充放電控制.而三電平SVPWM控制算法可以提高電壓利用率，易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，且具有更加靈活的開關(guān)組合模式，有利于提高系統(tǒng)效率并實(shí)現(xiàn)更好的控制效果.［5］

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 單Z源三電平SVPWM儲(chǔ)能逆變器系統(tǒng)概述

在蓄電池充放電控制系統(tǒng)中，采用單Z源三電平NPC逆變器作為儲(chǔ)能逆變器，在SVPWM方法中，通過(guò)插入直通矢量，實(shí)現(xiàn)逆變器的升壓輸出.在此基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池充放電的控制，針對(duì)不同充放電模式，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的閉環(huán)控制系統(tǒng).

蓄電池充電采用階段式充電方式，系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu).由于階段式充電實(shí)質(zhì)上是將恒壓、恒流充電相互配合使用而形成，因此可將基于單Z源三電平SVPWM逆變器的蓄電池充電控制方式分為常規(guī)恒壓充電控制、恒壓限功率充電控制、常規(guī)恒流充電控制、恒流限功率充電控制4種模式.

蓄電池放電采用恒功率控制方式，選擇基于功率前饋解耦的直接功率控制方式.可將其分為3種模式:單位功率因數(shù)升壓逆變時(shí)的恒功率控制;有無(wú)功功率輸出時(shí)的恒功率控制;整流逆變轉(zhuǎn)換時(shí)的恒功率控制.

1.2 基于電流前饋解耦的階段式充電控制

單Z源三電平SVPWM儲(chǔ)能逆變器系統(tǒng)的充電控制采用的是基于電流前饋解耦的階段式充電方式.其控制系統(tǒng)是串級(jí)雙閉環(huán)方式:內(nèi)環(huán)部分均采用電流前饋解耦的控制方式;外環(huán)部分則根據(jù)控制目標(biāo)的不同進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì).4種充電模式的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)較為相似，只是在相應(yīng)的控制外環(huán)部分有所不同.因此，本文僅以恒壓限功率充電模式為例，進(jìn)行充電控制系統(tǒng)的介紹.

圖1為恒壓限功率充電控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖.采用直流側(cè)電壓外環(huán)和網(wǎng)側(cè)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，以實(shí)現(xiàn)限定功率情況下的恒壓充電控制.

圖1 恒壓限功率充電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖1中，當(dāng)前電網(wǎng)最大允許充電功率P*由上級(jí)電網(wǎng)調(diào)度中心給出，用P*除以直流側(cè)的實(shí)際充電電流值Idc，便可以得到當(dāng)前限制功率下蓄電池的允許充電電壓.將與設(shè)定的常規(guī)恒壓充電電壓參考值相比較后，輸出其中的較小值，并將其作為限定功率條件下新的充電電壓參考量，具體情況如表1所示.

表1 限功率恒壓充電電壓參考值

新的充電電壓參考值經(jīng)過(guò)直流側(cè)電壓外環(huán)，得到q軸電流分量參考值，并輸入控制內(nèi)環(huán).經(jīng)過(guò)內(nèi)環(huán)的電流前饋解耦控制，便可得到用于SVPWM控制的空間參考電壓矢量輸入信號(hào)，將其作為產(chǎn)成橋臂開關(guān)管的控制信號(hào)，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器的相應(yīng)控制.

恒流充電模式與恒壓充電類似，只是將外環(huán)部分變?yōu)橹绷鱾?cè)電流外環(huán)，以實(shí)現(xiàn)直流側(cè)充電電流的恒定.

1.3 基于功率前饋解耦的恒功率放電控制

該系統(tǒng)的放電控制采用恒功率控制方式，通過(guò)基于功率前饋解耦的直接功率控制，實(shí)現(xiàn)蓄電池的恒功率并網(wǎng)放電.實(shí)現(xiàn)功率前饋解耦的目標(biāo)，就是實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器輸出有功功率和無(wú)功功率的分別控制.

圖2為恒功率并網(wǎng)放電控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖.圖2中，首先通過(guò)采樣計(jì)算，得到網(wǎng)側(cè)輸出有功和無(wú)功功率的瞬時(shí)值.再經(jīng)過(guò)功率前饋解耦控制，便可得到用于SVPWM控制的空間參考電壓矢量輸入信號(hào)，同樣將其作為生成橋臂開關(guān)管的控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器的相應(yīng)控制，達(dá)到蓄電池的恒功率并網(wǎng)放電的目標(biāo).

圖2 恒功率并網(wǎng)放電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1.4 恒功率放電時(shí)升壓控制的實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)單Z源三電平SVPWM逆變器恒功率放電時(shí)的升壓輸出，就需要在傳統(tǒng)三電平SVPWM算法的基礎(chǔ)上，通過(guò)適當(dāng)?shù)夭迦肷?、下直通矢?使某一橋臂上面3個(gè)或下面3個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通)來(lái)實(shí)現(xiàn).［6］

直通矢量的插入，既要保證輸出電壓的品質(zhì)，又不能增加開關(guān)管的開關(guān)次數(shù).單Z源三電平SVPWM逆變器直通矢量插入原則為:所插入的上、下直通矢量應(yīng)滿足對(duì)稱分布;直通矢量的插入不應(yīng)改變橋臂電壓的輸出狀態(tài);上、下直通的時(shí)間應(yīng)相等，以保證輸出電壓的平衡.

具體的上、下直通矢量插入策略為:將一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)直通矢量的插入分為兩側(cè)和中央側(cè)兩部分，兩側(cè)插入上直通矢量，中央側(cè)插入下直通矢量，為保證直通矢量的插入不影響其他相的輸出狀態(tài)，上直通矢量只能插入到僅含有“0”和“-1”的矢量狀態(tài)中為“0”的相，如00-1或0-1-1等，而下直通矢量只能插入到僅含有“0”和“1”的矢量狀態(tài)中為“0”的相，如100或110等.［7］以參考電壓矢量位于1大區(qū)5小區(qū)時(shí)為例，其控制時(shí)序圖如圖3所示(其中U代表上直通矢量，L代表下直通矢量).

圖31 大區(qū)5小區(qū)控制時(shí)序圖

2 控制閉環(huán)PI參數(shù)設(shè)計(jì)

以充電控制為例，介紹閉環(huán)PI參數(shù)的設(shè)計(jì).對(duì)于放電控制，由于只有兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器，參數(shù)調(diào)試較為簡(jiǎn)單，可參照充電控制進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)計(jì).

2.1 內(nèi)環(huán)控制參數(shù)設(shè)計(jì)

不論采用哪種蓄電池充電模式，其內(nèi)環(huán)均為基于電流前饋解耦的電流控制結(jié)構(gòu).圖4為電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖.

圖4 電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)示意

由圖4可寫出系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

設(shè)計(jì)相應(yīng)的電流調(diào)節(jié)器，選用典型1型系統(tǒng)，可令:

將式(2)代入式(1)，進(jìn)行化簡(jiǎn)變形，可得采用典型1型系統(tǒng)相應(yīng)的電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)為:

式中:Tc——慣性時(shí)間常數(shù)，Tc=L/KiP.

定義系統(tǒng)的頻帶頻帶寬度ωc為閉環(huán)增益取值為-3 dB時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率值，即:

由式(4)可求出:

由此可得到電流內(nèi)環(huán)的PI參數(shù)整定值:

在實(shí)際應(yīng)用中，由此計(jì)算得到的整定值只用作參考，最終的PI參數(shù)是在此基礎(chǔ)上，通過(guò)進(jìn)一步調(diào)試來(lái)確定的.

2.2 外環(huán)控制參數(shù)設(shè)計(jì)

以常規(guī)恒壓充電為例進(jìn)行外環(huán)控制參數(shù)的設(shè)計(jì)，對(duì)于其他充電模式，則均可進(jìn)行類似的外環(huán)設(shè)計(jì).

由圖1可知，在d-q坐標(biāo)系下，對(duì)直流母線電容正極點(diǎn)列寫KAL方程，并進(jìn)行拉氏變換，可得:

式中:Sd，Sq——d-q坐標(biāo)下開關(guān)函數(shù)表示式;

Rr——直流側(cè)電源內(nèi)阻.

在進(jìn)行電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計(jì)時(shí)，由于采用的是可以近似等效為一階慣性系統(tǒng)的典型1型系統(tǒng)，電流內(nèi)環(huán)的等效小慣性時(shí)間常數(shù)可表示為3Ts，且考慮到外環(huán)部分存在一定的采樣延時(shí)，將內(nèi)環(huán)與外環(huán)對(duì)應(yīng)的小慣性時(shí)間常數(shù)進(jìn)行合并，并選擇相應(yīng)的等效比例增益為0.75.圖5為合并后的電壓外環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖.

將圖5中的控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行近似簡(jiǎn)化，可得系統(tǒng)傳遞函數(shù)為:

圖5 電壓外環(huán)控制結(jié)構(gòu)示意

選用典型2型系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器，并令:

將式(9)代入式(8)，進(jìn)行化簡(jiǎn)變形，可得:

根據(jù)式(10)可得系統(tǒng)增益為:

再由典型2型系統(tǒng)的參數(shù)整定公式，得到外環(huán)PI參數(shù)的整定值為:

式中:h——頻寬，h=τu/T.

通過(guò)選取恰當(dāng)?shù)膆值，便可得到合理的外環(huán)PI參數(shù).

3 仿真結(jié)果及分析

采用Matlab/Simulink搭建系統(tǒng)模型，分別對(duì)蓄電池的充放電控制進(jìn)行仿真分析.系統(tǒng)仿真參數(shù)如下:蓄電池內(nèi)阻R=5 Ω，直流側(cè)分壓電容CS1=CS2=4 000 μF，Z源網(wǎng)絡(luò)電容CS1=CS2=220 μF，電感L1=L2=1 mH，空間矢量脈寬調(diào)制比k=0.65，三相電網(wǎng)相電壓為220 V，頻率為50 Hz，網(wǎng)側(cè)電感L3=L4=L5=800 mH，系統(tǒng)開關(guān)頻率fS=2.5 kHz，系統(tǒng)仿真時(shí)間為0.4 s.

3.1 蓄電池充電控制仿真

選擇恒壓限功率模式對(duì)蓄電池充電控制進(jìn)行仿真.蓄電池端電壓Udc=800 V，充電控制時(shí)逆變器無(wú)需升壓，故升壓比B=1，常規(guī)恒壓充電電壓參考值U*

dc=900 V.設(shè)置在0.2 s時(shí)刻，網(wǎng)側(cè)最大允許充電功率P*由20 kW降至14 kW，系統(tǒng)由常規(guī)恒壓充電模式轉(zhuǎn)為恒壓限功率充電模式對(duì)蓄電池進(jìn)行充電.系統(tǒng)仿真波形如圖6所示.

圖6中，起始時(shí)蓄電池保持恒壓充電所需功率約為18 kW，此時(shí)電網(wǎng)最大允許充電功率為20 kW，電網(wǎng)剩余功率充足，故此時(shí)采用常規(guī)恒壓充電模式對(duì)蓄電池進(jìn)行充電.

當(dāng)充電時(shí)間約0.05 s后，充電電壓達(dá)到所設(shè)定的常規(guī)恒壓充電電壓參考值900 V并保持不變.在0.2 s時(shí)，電網(wǎng)最大允許充電功率由20 kW降至14 kW，電網(wǎng)剩余功率不足以滿足蓄電池常規(guī)恒壓充電對(duì)功率的要求，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為采用恒壓限功率充電模式對(duì)蓄電池進(jìn)行充電.

圖6 恒壓限功率充電波形

從0.2 s開始經(jīng)過(guò)約0.03 s后，充電電壓便保持在新的恒壓充電電壓值880.5 V左右，充電電流維持在15.9 A左右，而蓄電池充電功率則保持在與電網(wǎng)允許充電功率相同的14 kW，實(shí)現(xiàn)了恒壓限功率充電控制.

由圖6d可以看出，在系統(tǒng)由常規(guī)恒壓充電向恒壓限功率充電轉(zhuǎn)換的整個(gè)過(guò)程中，網(wǎng)側(cè)相電壓與相電流波形始終保持同步，這表明通過(guò)閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的單位功率因數(shù)整流運(yùn)行.

3.2蓄電池放電控制仿真

在單位功率因數(shù)升壓逆變模式下，對(duì)蓄電池恒功率放電控制進(jìn)行仿真.參數(shù)為:蓄電池電壓Udc=800 V，升壓比B=1.5，設(shè)定的網(wǎng)側(cè)輸出有功功率參考值P*=6 000 W，無(wú)功功率Q*=0.圖7為恒功率放電控制波形圖.

圖7 恒功率放電控制波形

由圖7可以看出，經(jīng)過(guò)約0.02 s，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).蓄電池電壓為500 V，每個(gè)分壓電容承受的電壓為250 V.由于將升壓比B設(shè)置為1.5，通過(guò)采用有直通矢量插入的SVPWM控制算法，經(jīng)單Z源三電平逆變器升壓后，逆變器出口側(cè)的相電壓峰值達(dá)到約375 V，線電壓峰值達(dá)到約750 V，逆變器的輸出電壓升高，且輸出電流波形也保持了很好的正弦度.

在0.02 s時(shí)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，向電網(wǎng)輸出的有功功率保持在6 000 W，并伴有±350 W的波動(dòng)，而無(wú)功功率則保持為零，并有±300 W的波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了蓄電池的恒功率放電控制.

由圖7c可以看出，在蓄電池放電過(guò)程中，網(wǎng)側(cè)相電壓與相電流波形始終保持相位互差180°，這表明系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)恒功率升壓控制的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的單位功率因數(shù)逆變運(yùn)行.

4 結(jié)語(yǔ)

本文將單Z源三電平SVPWM逆變器應(yīng)用于儲(chǔ)能控制系統(tǒng)，提出了基于該逆變器系統(tǒng)的充放電控制策略，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的閉環(huán)控制系統(tǒng).該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)有充電功率限制時(shí)蓄電池的單位功率因數(shù)恒壓、恒流充電控制，以及具有升壓特性的輸出恒功率并網(wǎng)控制.通過(guò)采用Matlab/Simulink搭建系統(tǒng)模型，仿真驗(yàn)證了所提出的基于單Z源三電平SVPWM逆變器的蓄電池充放電控制策略的正確性和有效性.

［1］DAS A，LAHIRI D，KAR B.Space vector PWM based AC outputvoltagecontrolofZ-sourceinverter［C］.2009 International Conference on.IEEE，2009:1-4.

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(編輯 白林雪)

A Battery Charge-discharge Control Strategy Based on the Single Z-source Three-level SVPWM Inverter

QU Keqing，CHEN Xuhui，NIU Qingquan，ZHAO Jinbin
(School of Electrical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai200090，China)

The single Z-source three-level SVPWM storage inverter is researched and applied into the battery charging and discharging.The battery charge-discharge control strategies based on the single Z-source three-level SVPWM inverter are proposed and the corresponding closedloop control systems are designed.The constant voltage charging and constant current charging with power limited are realized，while the constant power discharging control with the boosted output voltage is achieved.Finally，the control strategies are verified by the simulations in Matlab/Simulink.

Z-source;three-level inverter;battery;charge-discharge control

TM464.22

A

1006-4729(2015)03-0227-06

10.3969/j.issn.1006-4729.2015.03.007

2014-09-24

陳緒輝(1988-)，男，在讀碩士，湖北黃岡人.主要研究方向?yàn)樾履茉粗心孀兤骷皟?chǔ)能控制技術(shù).E-mail:cxhsd2015@163.com.

上海綠色能源并網(wǎng)工程技術(shù)中心資助項(xiàng)目(13DZ2251900);上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)浦江計(jì)劃(12PJ1403900);上海市教育委員會(huì)科創(chuàng)重點(diǎn)項(xiàng)目(13ZZ132).