北方工业大学周京华：储能功率变流器关键控制技术

随着储能介入，我们觉得对离网下的VSG功能，提高稳定性，同样需要附加虚拟同步及的功能，我们这里面介绍20千瓦的怎么做离网的，离装的VSG一个是单机的离网VSG还有多机并联，离网主要是空间惯性、稳定性，基于有功—频率环控制，虚拟同步及的有功调频方程，可以得到有功的方程。

— —北方工业大学电气与控制工程学院教授 中国可再生能源学会储能专委会副主任委员周京华

8月8日，由华北电力大学、中国可再生能源学会主办的“第一届中国储能学术论坛暨风光储创新技术大会”分论坛在北京召开，北极星储能网将对论坛进行全程直播。在8日“电化学储能”分论坛上，北方工业大学电气与控制工程学院教授 中国可再生能源学会储能专委会副主任委员周京华作“储能功率变流器关键控制技术”报告。

北方工业大学电气与控制工程学院教授 中国可再生能源学会储能专委会副主任委员周京华

以下为发言实录：

北方工业大学电气与控制工程学院教授 中国可再生能源学会储能专委会副主任委员周京华：大家好！这个演讲主要是围绕着我们和企业研发的几款产品、我们具体的实现方式和一些感受做一个汇报。主要从以下几个方面：

第一，为什么要建立相关标准呢，储能变流器最重要得到客户的认可，要做鉴定，比方我们现在做的20千瓦储能变流器的建衡，做的CEC认证，实际上CEC认证执行的标准是两个，一个是国标34210国标34133这两个标准，有很多标准，我介绍的是建衡现在执行的这两个标准。国标34120《电化学储能系统储能变流器技术规范》，规定了PCS的功能是什么，我们要做PCS要满足什么功能，一定要对着标准来做。这里面规定了相关数据定义以及技术要求等等，标准适用于电化学电池作为储能载体的低压三相变流器，直流电压最高不超过100V，如果超级电容也照此标准执行，这是技术规范。技术规范制定技术参数，就是说所做的储能变流器所具有的功能以及各种指标，围绕这个指标在国标34120给出了详细的功能需求，以及国标34133给出了检测规范，就是说变流器最终测什么、怎么测、怎么接线，他给出了详细的测试规程。我们介绍的标准主要就是说，这两个标准就要对标做。PCS具备什么功能呢，根据标准我们整理了功能，但同样我觉得PCS除了标准里面的功能，我们叫基本功能，同时他现在针对不同的具体的需求实际上还附加了很多拓展功能。

我简单说一下，从功率变流器来说，主体功能分并网和离网，同时要具备并离网切换，同时并网里面分充电和放电两种模式，在充电里边有恒流、恒压，放电是PQ控制，同时目前的应用场景需求还要求具备负载低次谐波电流补偿以及电流不平衡抑制，这个在标准里边没有的，但是现在从应用场景的扩展，实际上对这个功能也进行了约束。同时要有充放电切换，这个标准里面有时间小于100毫米，离网里边一般采用V/f控制，同时附加功能采用输出电压不平衡抑制和输出电压谐波抑制。这都是根据不同场景参照标准的基本功能，还有具体应用场景的扩展功能。

这是一个控制逻辑，围绕这个功能我下面阐述一下我们在研制过程中如何去实现的。

拓补结构，以两电平衡位例，当然这里面有三电连横，我后面做功能示范应用的时候有三电平衡，双极、单极而言对于逆变侧的要求是一致的、功能也是一致的。这里面有电网开关，是做切换用的，PCS一般的，因为具有离网的功能，电压源、电流源。

为了更好的说明控制，我把这里面所有的电流，我把电量都做了标注，比方说做一些变换，这些变量都和后面的控制框是一一对应的，大家实际上想深入了解的话是能对应得上的，这是基于数学模型后边用到的，基于数学模型建立的控制策略。

控制策略我就一一介绍一下，这些策略我后面会有应用，这些策略是完全应用在小的PCS，大的PCS都是这些。所以我觉得，PCS从现在控制来说，我觉知基本成熟了，没有什么太多的东西。因为PCS要做定向、锁向，为什么它同步，我们用的就是双二阶锁相环。

并网分恒流充电和恒压充电，先社恒流，保证充电电流恒定，红色的框图是恒流充电，恒流完是恒压，这是20千瓦的实验结果，刚才说目前认证的是20千瓦，所以我所有的实验结果都是20千瓦的实验结果。包括恒压充电就是下面这个，恒流充电完，随着充电进行，恒压充电采用双环做恒压充电，这是实验结果。

放电就是PQ控制功率，采用基于这个功率得到功率值，我这上面标的正的是正序的给定值，标负号的是负序，这些是三相电流的PQ变化，在前面是对应的。基波负序，因为在电网电压平衡的时候负序，采用了VPI控制器来解决三相不平衡问题，对电流进行抑制，通过VPI控制得到给定指，最后得出综合的给定指。同时在放电过程中，因为PCS的拓补结构决定了需要多功能、多目标，如果用非线性负载还需要在剩余容量允许的情况下承担一部分谐波的电流抑制，这个电流抑制大家要注意，我们采用的，前面的控制在DQ同步旋转的问题，但是在这个抑制里面是在静止坐标系来做，能够很好的解决谐波不平衡的问题，这个是在整个装置里边的控制中用了两套坐标系，一个是DQ一个是ARA的。

这是放电过程中对低次谐波的抑制。整个图总结了在并网控制下的控制模式，0、1、2、3分别代表不同的模式，这里面有不同的开关，负载谐波，抑制等等，都进行了叠加，这里面开关等于选择这个，因为在实际当中，这里边全部是模块化了，非常好的值。

在标准里面，对并网充放电切换给出了要求，小于100毫秒，你这个充放电怎么来说，这是一个充放电框图，切换时间主要是受调节步长delt和PI控制器的响应速度决定的。这个实验，放电和充电，加起来（80+90）÷2。

下面我介绍一下离网控制，主要考虑，如果负载不平衡会造成输出电压不平衡，我怎么解决这个问题呢？采用一种基于正序旋转坐标系的PI+VPI控制策略，抑制犹豫不平衡负荷造成的输出电压不平衡。具体的测试结果，这是切出C相负荷，一相负荷切除掉的实验结果，明显看出来这个是三相电压是平衡的，这个是切到两相负荷，完全切到两相负荷以后，输出的离网电压是平衡的。

另外，由于你是离网控制，是低压运行的，如果带负荷是非线性负载的话，会造成输出电压的畸变问题，但是又不能完全承担APF的功能，因为是滤波器，没有办法整个谐波电压全部补偿。这个控制方法里面设置的是3次、5次、7次进行分频补偿，这是一个补偿的控制方法。具体的结果，三次补偿，补偿5次、7次可以看到这个效果非常明显，这是5次、7次补偿的谐波基本补偿效果还是不错的，实际上也是离网供电的时候要保证电能质量，要具备一定的谐波抑制问题。

这也是离网总结的复合多环控制，输出电压不平衡+输出电压畸变控制。这个图就是考虑并网、离网完整的控制方法，这里边所有的变量前面我都给出来了，都是统一的，大家如果看PPT，我觉得也有助于去理解和消化。

现在单机而言需要具备的，随着储能介入，我们觉得对离网下的VSG功能，提高稳定性，同样需要附加虚拟同步及的功能，我们这里面介绍20千瓦的怎么做离网的，离装的VSG一个是单机的离网VSG还有多机并联，离网主要是空间惯性、稳定性，基于有功—频率环控制，虚拟同步及的有功调频方程，可以得到有功的方程。基于虚拟同步及的无功控制方程可以得到无功的控制方程。基于这个做了单台离网VSG的检测，20千瓦的，这个就是加入虚拟同步机以后，这个是负载跳变以后，红颜色的就是电网频率，它没有发生立刻变化，而缓慢发生变化，可有效增加系统惯性。这个每一个都是人为的制造扰动，但是它的频率变化基本上没有什么变化，所以单台的离网VSG功能，有效的提高了抗扰动能力，我们在一些PCS招标中已经明确提出来具有VSG功能，但是这个并没有写到标准里面去，但是可见VSG已经作为一个PCS属性是要去把它做出来的。

并离网结合，因为在一些应用场景里边，比如说电压载相出问题，这个切换首先这只是这么实现的，锁相环得到的电网相位赋值，这是基本的逻辑关系。实验是这样，切换，预同步完成以后有一个短暂的功率波动，这是过程，最后是完成了并网到离网的切换。同时也有一个离网到并网的切换，这里面也有不同的运行过程，通过一个功率的波动过程最后实现离网到并网的转换，这也是20千瓦下的实验波形、测试波形。

我上面介绍这个其实在我介绍的，一个是20千瓦的PCS里面是这套东西，后来我们在做500千瓦的也是上面这套东西，所以我觉得从控制策略来说，我觉得我们基本上趋近成熟了，这是我们具体实际上用在500千万、20千瓦都得到了很好的应用，这些程序都是模块化的，很容易复制，更多是搭积分，做出来很快，从实践角度来说很快。另外做了一个，在张北的数据港柔性变电站，从2017年开始做，到2018年一个新闻说已经商业化运行了，这个也是用的基本上这套东西，2.5兆瓦的DC/AC，和全球能源互联网研究院完成世界首个柔性变电站示范，这是刚并网成功的一个报道，它给服务器供电。

介绍这些，通过这个报告能够给大家从事PCS研制、开发提供一些参考，因为我所介绍的这些工作从大的到小的，几十千瓦到兆瓦级的，都得到了有效的应用，希望能对大家从事研究有所帮助。

谢谢！（以上内容根据速记整理，未经嘉宾审核）