第53卷第4期2019年4月
电力电子技术
Power Electronics
Vol.53,No.4
April2019
蒋顺平，丁勇，李旭，石祥建
(南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京211102)
摘要：钠硫电池具备低电压、大电流的特性，储能变流器(PCS)的接入具有一定的挑战，此处采用双级式PCS有效解决接入问题。前级DC/DC变换器提高直流母线电压，釆用六相交错并联技术，有效解决大电流问题，降低直流电流纹波；后级DC/AC变流器通过同步旋转坐标变换，釆用前馈解耦实现有功、无功的独立控制；同时釆用顺序控制逻辑启停前后级变流器，保证储能系统的安全可靠运行。最后通过200kW钠硫电池储能系统实时数字仿真仪(RTDS)实验分析，验证所提控制策略的合理性和可靠性。 关键词：钠硫电池；双级式储能变流器；控制策略
中图分类号:TM911文献标识码：A文章编号:1000-100X(2019)04-0088-03
Control Strategy of Two-stage Power Conversion System for Sodium Sulfur Battery JIANG Shun-ping,DING Yong,LI Xu,SHI Xiang-jian
(NR Electric Co.,Ltd.,Nanjing211102,China)
Abstract:The sodium sulfur battery has characteristics of low voltage and high current which bring certain challenges to the access of power conversion system(PCS).A two-stage PCS is used to effectively solve the access problem.The pre-stage DC/DC converter upgrades the direct current bus voltage and adopts a six-phase interleaving parallel connection technology to effectively solve the large current problem and reduce the direct current ripple.The post-stage DC/AC conerter adopts synchronous rotation coordinate transformation,realizes independent control of active and reactive power by feedforward decoupling control.Besides,sequential control logic is used to start and stop the pre-stage and poststage converters to ensure safe and reliable operation of total system.Finally,the real time digital simulator(RTDS)ex・perimental analysis based on200kW sodium sulfur energy storage system proves the rationality and reliability of the control strategy.
Keywords:sodium sulfur battery；two-stage power conversion system；control strategy
1引言
随着可再生能源规模化发展和动力汽车产业的进一步发展，在国家持续性的政策引导下，电化学储能在整个电力系统乃至能源系统中的作用将愈加明显。在电化学储能中，钠硫电池因具备能量密度大、寿命长、维护工作量少、环境友好等优点得到了广泛应用(7。
PCS是储能系统的核心环节，由于直流侧电池特性、储能功能需求、应用场景等因素存在差异,PCS可分为单级和双级两种结构〔I。
日本NGK公司是世界上钠硫电池研制、发展、应用的标志性单位，其研制的200kW钠硫电池具有低电压、大电流的特性，常规单级式PCS 很难实现有效接入。此处采用一种前级DC/DC变
定稿日期：2018-07-26
作者简介：蒋顺平(1989-)，男，安徽合肥人，硕士，研究方向为新能源发电应用与控制。换器升压、后级DC/AC变流器并网接入的双级式结构，有效解决接入问题。
针对电池侧大电流问题，此处DC/DC变换器采用六相交错并联控制技术⑸，有效降低开关管电流应力
、减小电池电流纹波0DC/AC变流器采用PQ控制模式，通过交叉解耦控制，实现有功、无功的独立控制问。同时，釆用顺控逻辑，实现双级式PCS的合理启停控制，保证储能系统安全、稳定运行。最后通过200kW钠硫电池储能系统RTDS实验，验证控制策略的可行性。
2双级式PCS拓扑结构及工作原理NGK公司研制的200kW钠硫电池系统，电池侧最低电压达到138V，考虑到1.1倍的过载运行工况，电池侧最大电流接近1600A，很难通过单级PCS实现有效接入。针对这一特性，此处提出一种双级式PCS方案，其拓扑结构如图1所示，主要由前级双向DC/DC变换器、后级双向DC/AC 变流器和隔离变压器组成。
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应用于钠硫电池的双级式储能变流器控制策略
■___I 钠硫电池
六相
1■*
1
1
1
1
交错
DC/DC|--
变换器1
1
1
1
1
DC/AC变流器
六相交错
DC/DC变换器
L6
vMvW
图1双级式PCS结构图
Fig.1The structure of two-stage PCS
前级DC/DC变换器六相交错设计，每相采用
半桥结构，通过互补脉冲宽度调制，实现能量的双向流动。由于电池侧6条支路交错并联，单支路最大电感电流小于270A，有效解决电池侧大电流接入问题。同时，交错并联设计能够降低直流电流纹波，在同等电流纹波要求的基础上，能够减小直流滤波电感，从而减小整个变换器的体积和成本。
后级DC/AC变流器采用常规的三相全桥拓扑结构，交流侧采用LC滤波器抑制高频谐波分量，通过隔离变压器和电网相连，实现储能系统和电网的能量交互。
此处钠硫储能系统主要实现有功功率、无功功率的跟踪控制，储能系统接收能量管理系统的PQ指令进行计划输出。为了保证DC/AC变流器交流侧接入400V电压，同时考虑1.1倍的电网电压波动，直流母线电压设计为650V o因此，DC/ DC变换器的控制目标为直流母线电压其恒定为650V.DC/AC运行在PQ控制模式。
当电池充电时,DC/AC变流器接收的功率指令为负，使得能量由电网流入直流母线电容，由于DC/DC变换器控制直流母线电压恒定，直流母线电容能量通过双向DC/DC变换器流入电池；当电池放电时.DC/AC变流器接收的功率指令为正，把直流母线电容的能量馈入电网中，同样由于DC/DC变换器控制直流母线电压的作用，使变换器从电池吸收电能，达到电池放电效果。
3PCS控制策略
3.1DC/DC变换器控制策略
根据上节工作原理介绍,DC/DC变换器控制目标为直流母线电压恒定。此处采用直流母线电压外环、电感电流内环的双闭环控制策略。为了实现6条直流支路之间的均流控制，电流环分为6个独立的电流环，电压环的输出均分后作为每个电流环的参考指令，每个电流环之间解耦控制。
为了实现多支路并联运行后电感电流纹波降低的效果，相邻支路的三角载波信号相位相差60。，具体控制结构图如图2所示。
图2DC/DC变换器控制结构图
Fig.2Control structure of DC/DC converter
3.2DC/AC变流器控制策略
双向DC/AC变流器并网运行釆用PQ控制模式，实现对功率指令的无差跟踪。根据瞬时功率理论，在同步旋转坐标系下，有功、无功功率与电压、电流的关系为：
Pref~ejjref+e/gjgf(])
Q r tf~。qldrd~e
式中：P",Q t分别为有功、无功功率指令值；e“e＜分别为电网电压的d,q轴分量；也，诂分别为电流内环的d,q轴电流指令。
由于三相电网电压对称，且基于电压矢量d轴定向时，有勺=0，代入式(1)得：
i-d^PJe d,i声-Q』ea(2)由式(2)可知，对有功、无功功率的控制即对并网电流的控制。同时可通过电流环的交叉解耦控制，达到实现有功、无功功率的独立控制，具体控制框如图3所示。
图3DC/AC变流器控制框图
Fig.3Control block diagram of DC/AC converter
3.3前后级顺控策略
双级式PCS前后级的协调控制对整个系统的安全运行至关重要，此处根据前后级控制功能的不同，采用如下顺控逻辑。
系统启机:DC/DC变换器先启动，待直流母线电压稳定后，再启动DC/AC变流器；系统停机：DC/AC变流器先脉冲闭锁停机,DC/DC变换器延迟一段时间后再停机，保证在停机过程中直流母线电压不会因为能量的突变而大幅波动。
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2019年4月
Vol.53 , No.4April 2019
4实验
在200 kW 钠硫电池储能系统RTDS 实验平
台上进行双级式PCS 控制策略的实验验证。
钠硫电池电压范围为138-228 V，变流器额定
功率为200 kW，交流额定电压为400 V，直流母线 电压为650 V ，额定频率为50 Hz o
当功率指令为代尸200 kW , 0孑0 kvar 时，系统
以额定功率放电，波形如图4a 所示；当功率指令
为P 孑-200 kW,Qy0 kvar 时，系统以额定功率充 电，波形如图4b 所示。
3001000
200
(a)P rcf -=200 kW, 0rer=° kvar
双级式PCS 釆用顺控逻辑，在系统启机、停 机过程中前后级存在先后顺序。当功率指令脣= 200 kW,^=0 kvar 时，进行启机和停机实验，实验
波形如图7所示。由图7可见,％时刻前级启动,
稳定直流母线电压为650 V ；-直延迟至勾时刻, 后级并网接触器闭合，由于交流滤波电容的作用,
短时产生一定的无功功率；待$时刻，后级脉冲解
锁，由于后级并网功率需求，导致直流母线电压出
现短时小范围跌落，跌落幅值小于60 V，之后在 前级控制下保持稳定，系统并网功率控制为目标
值200kW 。&时刻系统停机，后级脉冲闭锁，前级 继续稳定直流母线电压，待站时刻，后级脉冲闭
锁，整套系统停机完成。
图4有功功率控制稳态波形
Fig. 4 Steady-state waveforms of active power control
当功率指令为P m =0 kW , Q h =200 kvar 时，系统
提供容性无功，波形如图5a 所示；当功率指令为
代尸0 kW, Q 孑-200 kvar 时，系统提供感性无功，波
形如图5b 所示。可见，系统稳态控制性能良好。
d
E d
(a)F rcf =0 kW, 0血=200 kvar
(b)P rcl =0 kW, 0ref=-2OO kvar
图5无功功率控制稳态波形
Fig. 5 Steady-state waveforms of reactive power control
为了验证系统的动态性能，图6给出了有功
功率200—200 kW 跳变的动态波形。满功率跳变 时，兼顾到降低直流母线电压波动幅度，跳变速率
可调，由图6可见，满功率切换时间约为1.5s，交 流并网电流平滑切换，系统动态性能良好。
图6满功率跳变动态波形
Fig. 6 Full power jump dynamic waveforms
图7双级式PCS 启、停机波形
Fig. 7 The start and stop waveforms of two-stage PCS
4结论
此处针对钠硫电池低压大电流的特性，提出
一种双级式储能变流器，前级直流六支路交错并
联分流，实现大电流的接入；后级有功、无功解耦
控制，实现变流器四象限运行。前级、后级控制采
用顺控逻辑，保证系统稳定运行。根据RTDS 实验 结果可知，系统具有良好的稳态和动态性能，验证 了控制策略的有效性。
参考文献
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