1、第 50 卷 第 4 期2 0 2 3 年 4 月Vol.50，No.4Apr.2 0 2 3湖 南 大 学 学 报（自 然 科 学 版）Journal of Hunan University（Natural Sciences）电网电压不平衡下储能变流器能量最优控制策略夏向阳 1，廖一丁 1，陈凌彬 1，吴小忠 2（1.长沙理工大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410114；2.国网湖南省电力有限公司，湖南 长沙 410005）摘 要：针对电压不平衡时储能变流器（Power Conversion System，PCS）出现网侧电流波形畸变严重且峰值过大等问题，提出了电网电压不平衡下储能变流
2、器能量最优控制策略.该策略通过控制目标参数k、电网电压不平衡度与瞬时功率波动、网侧电流不平衡度和网侧电流峰值的关系图深入分析了参数k、电网电压不平衡度对系统能量运行的影响，并在此基础上侧重抑制电流幅值及抑制功率波动两个控制目标，加入寻优算法，提出k参数仅在-1，0 内选择的电流限幅储能变流器能量最优控制策略.仿真实验结果表明：该策略能通过k参数和电流限幅策略更加快速有效地将电流峰值限制在最大允许峰值，并且进一步减小功率波动，提升PCS的有功功率输出能力，体现了对储能变流器运行的能量优化.关键词：储能变流器；电网电压不平衡；电流限幅；功率波动中图分类号：TM464 文献标志码：AEnergy O
3、ptimal Control Strategy of Power Conversion System under Unbalanced Grid VoltageXIA Xiangyang1，LIAO Yiding1，CHEN Lingbin1，WU Xiaozhong2（1.School of Electrical and Information Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410114，China；2.State Grid Hunan Electric Power Co.，Ltd，Cha
4、ngsha 410005，China）Abstract：Aiming at the problems of serious distortion and excessive peak value of grid-side current waveform in power conversion systems（PCS）under unbalanced voltage，this paper proposes an energy optimal control strategy for PCS under unbalanced grid voltage.The control strategy d
5、eeply analyzes the influence of parameter k and grid voltage imbalance on the energy operation of the system through the relationship between the control target parameter k，the grid voltage imbalance and the instantaneous power fluctuation，the grid-side current imbalance，and the grid-side current pe
6、ak.On this basis，to focus on the two control objectives of suppressing the current amplitude and power fluctuations，the optimization algorithm is added，and the energy optimization control strategy of the current limiting PCS with the parameter k selected only within-1，0 is proposed.The simulation re
7、sults show that the control strategy can more quickly and effectively limit the current peak value to the maximum allowable peak value through the k parameter and current limiting control strategy，and further reduce the power fluctuation and improve the active power output capacity of PCS，which refl
8、ects the energy optimization of PCS operation.收稿日期：2022-08-04基金项目：国家自然科学基金资助项目（51977014），National Natural Science Foundation of China（51977014）作者简介：夏向阳（1968），男，湖南长沙人，长沙理工大学教授，博士生导师，博士 通信联系人，E-mail：文章编号：1674-2974（2023）04-0165-11DOI：10.16339/ki.hdxbzkb.2023226湖南大学学报（自然科学版）2023 年 Key words：power conver
9、sion system（PCS）；unbalanced grid voltages；current limiting；power oscillation储能作为平抑光伏、风电等新能源出力缺陷的有效手段1-2，近年来发展迅速.储能在参与电网调频调压、削峰填谷等辅助服务中发挥了重大作用3-4.随着电化学储能接入电网的容量日益增大，保证储能系统在并网过程中的稳定性也日益重要.储能变流器（Power Conversion System，PCS）是储能系统与电网互动的纽带，储能系统能通过PCS实现与电网能量的双向流动.当发生电网电压不平衡时，会导致瞬时功率波动、PCS网侧电流波形畸变严重和峰值过大，影响
10、 PCS 与储能系统的安全运行5-6.随着电力系统的电力电子化，可以通过选择适应复杂工况的控制策略来实现储能系统的可靠安全并网7-9.针对电网电压不平衡对并网运行的影响，已有许多学者提出优越的控制策略.这些控制策略的控制目标可归纳为三类：控制有功功率无波动；控制无功功率无波动；控制PCS网侧电流为平衡的正弦电流.针对上述三类控制目标，文献 10 总结了5种适用于电网电压不平衡工况的控制方法.文献 11 提出了一种在电网电压不平衡工况下能同时抑制功率波动和电流峰值的VSG控制方法.文献 12 提出了一种基于模型预测的电流控制方法，与传统方法相比，其不需要锁相环、脉宽调制和电压正负序分离.文献 1
11、3 在 坐标系的模型上，采用比例多谐振调节器抑制了电流的谐波分量，跟踪了电流的基波分量，提高了并网变流器在不平衡电网下的控制性能.文献 14 通过比例谐振调节器控制指令电流中的谐波分量大小来抑制瞬时功率波动与电流畸变程度，实现了功率与电流的协同优化控制.文献 15 提出了一种直接功率控制，通过矢量比例积分谐振器对功率补偿项进行控制，实现了变流器输出功率无波动或网侧电流平衡正弦.文献 16 提出一种不需要锁相环的负序电压控制策略，可以对有功功率波动、无功功率波动、网侧电流畸变进行抑制.当电网电压出现不平衡时，系统选择不同的控制目标，PCS的运行特性也会有差异.因此分析PCS不同控制目标与电网电压
12、不平衡度对系统运行的影响，有利于保障系统的安全运行.文献 17 通过参数k把控制有功功率无波动、控制无功功率无波动、控制变流器网侧电流为平衡的正弦电流这三种控制目标的指令电流统一，实现调节控制参数k就能切换控制目标.但是没有量化分析参数k与电网电压不平衡度对变流器运行特性的影响.文献 18-19 基于可能出现的最大电流峰值计算了功率参考值，但该方法导致变流器输出功率减小.文献 19 分析了功率参考值与最大允许电流峰值之间的关系，设计了功率参考值发生器，能根据不同的控制目标和不同的故障类型设定合适的功率参考值，使输出电流峰值小于最大允许电流峰值.因此，本文通过控制策略推导出了控制目标参数k、电网
13、电压不平衡度与瞬时功率波动、网侧电流不平衡度和网侧电流峰值的关系表达式，并结合关系图量化分析了参数k、电网电压不平衡度对系统运行的影响，并侧重于抑制电流幅值及功率波动两个控制目标，对控制目标参数k的区间进行了优化，增加电流限幅策略以及参数k的寻优算法，提出了适用于储能系统并网的考虑电流限幅的能量最优控制策略，此策略抑制了功率波动和电流幅值，并且能比现有控制策略输出更多的功率，达到能量最优的目的，最后通过仿真实验验证了理论分析.1 PCS拓扑结构及网压不平衡下的控制策略图 1为储能系统并网拓扑结构，它能实现储能系统可靠并网和功率双向流动.其中，Udc为直流侧电压，Cdc为直流侧电容，u1a、u1
14、b、u1c为PCS输出侧的三相电压，L1为PCS侧滤波电感，C为滤波电容，L2为PCS交流侧线路电感，i1a、i1b、i1c为PCS侧电流，ica、icb、icc为滤波电容电流，uca、ucb、ucc为滤波电容电压，ua、ub、uc为电网电压.电网电压不平衡时，PCS网侧的瞬时有功功率和瞬时无功功率可表示为18：P=P0+Pc2cos(2t)+Ps2sin(2t)Q=Q0+Qc2cos(2t)+Qs2sin(2t)（1）166第 4 期夏向阳等：电网电压不平衡下储能变流器能量最优控制策略式中：为基波的频率；P0、Q0分别为瞬时有功功率和无功功率的直流分量；Pc2cos(2t)、Qc2cos(2
15、t)分别为瞬时有功功率和无功功率的余弦二倍频分量；Ps2sin(2t)、Qs2sin(2t)分别为瞬时有功功率和无功功率的正弦二倍频分量.它们的幅值计算见式（2）.|P0Pc2Ps2Q0Qc2Qs2=32|e+de+qe-de-qe-de-qe+de+qe-q-e-d-e+qe+de+q-e+de-q-e-de-q-e-de+q-e+d-e-d-e-qe+de+q|i+di+qi-di-q（2）式中：e、i分别为电网电压幅值和并网点电流幅值；i+d、i+q、i-d、i-q为PCS输出电流的dq轴正负序分量；e+d、e+q、e-d、e-q为电网电压的dq轴正负序分量.在电网电压不平衡下，为了保持
16、PCS可靠并网，可以通过式（2）计算PCS输出平衡的正弦电流、消除有功功率波动、消除无功功率波动三种不同控制目标下的指令电流.图2为本文控制策略控制框图，此时的指令电流对应图上的参考电流.通过分析上述三种控制目标指令电流之间的关系，可以用一个参数k把三种指令电流的计算公式统一，得到一种柔性控制策略20.储能系统并网通常为恒有功功率控制，把Qref设置为0，Pref设置为常数.具体的指令电流为：|i+drefi+qrefi-drefi-qref=23Prefe+d(1+k2)|1 0k 0（3）式中：k为控制目标控制参数；=e-de+d为电网电压不平衡度.式（3）通过在-1，1 区间内改变k值，可以切换PCS控制目标.当k取-1时，系统的控制目标为控制有功功率波动；当k取0时，系统的控制目标为控制PCS输出平衡的正弦电流；当k取1时，系统的控制目标为控制无功功率波动.当k的取值介于-1和0之间时，可以对电流的平衡度和有功功率波动大小进行灵活的控制；当k的取值介于0和1之间时，可以对电流的平衡度和无功功率波动大小进行灵活的控制.PCS的运行特性不仅仅受参数k影响，与电网电压不平衡度也有直接
