适用于大容量储能系统的级联H桥和模块化 多电平逆变器分析比较

摘要：大容量储能系统（energy storage system,ESS）一般需要通过功率转换系统（power conversion system,PCS）并入电网中,目前大容量PCS较为先进拓扑主要有级联H桥结构和模块化多电平结构。对结合储能系统的级联H桥逆变器和模块化多电平逆变器进行了仿真和分析,将它们在可靠性、输出效率、经济性等多方面进行评估比较,分析结果表明2种拓扑各具特色的同时也不可避免的存在不足,对此提出了适用于大容量储能系统输出拓扑的建议。     

规模化电池储能系统的无功功率控制策略研究

无功功率补偿是电池储能系统并网运行时的重要应用。电池储能系统主要包括电池组、变流器以及设备监控系统等。电池储能用变流器可向电网提供无功功率。文章提出了规模化电池储能电站中各储能机组间的无功功率分配方法。采用仿真软件对电池储能系统的无功功率分配策略进行仿真分析,并基于张北储能试验基地的电池储能机组实例验证了控制策略的有效性。     

基于超级电容储能的风电并网功率调节控制系统

风能是一种随机变化的能源,风速变化会导致风电机组输出功率的波动,对电网的电能质量产生影响,使用储能装置可以改善风电质量。通过在风电场并网的交流侧母线上并联超级电容储能单元,能实现对风电场功率的调节,减小功率的波动。文章设计了风电场并网及储能系统各部分的控制策略,在Matlab/Simulink仿真环境下创建了系统的仿真模型,验证了控制策略的正确性。仿真系统最终实现了电机侧变流器最大风能跟踪、电网侧变流器单位功率因数并网和超级电容储能单元对风电场并网功率的调节。     

大规模储能电站参与电力系统自动发电控制的协调控制策略优化研究

文章提出了一种双层结构的储能电站参与电网二次调频的优化控制策略。首先,综合对比分析了常规机组与储能电站参与电网二次调频的技术特性,并在调度层面对储能电站与常规机组的功率进行解耦;然后研究了储能电站辅助火电机组调频的协调控制框架,以实现不同调频资源的合理分配;在储能电站主控层面,建立了表征储能实时调频能力的评估模型,并采用改进遗传算法对模型进行求解,以对储能各单元出力进行精细化协调管理;最后,基于仿真模型验证了所提控制策略的有效性。     

基于LabVIEW的三电平逆变器IGBT模块键合线监测系统

为更便利地实现变流器的可靠性评估,在传统IGBT功率模块键合线健康监测的方法基础上,结合测控系统中常用的虚拟仪器开发平台LabVIEW,设计一种适用于三电平NPC型并网逆变器的IGBT功率模块键合线监测系统。首先介绍传统的键合线监测方法的机理,并结合时序控制将其成功应用于NPC三电平逆变器的拓扑中。处理器DSP对IGBT功率模块实现驱动控制的同时向LabVIEW平台发出触发信号,配合监测电路监测过程,将提取的相关特征量信息在LabVIEW中进行综合数据处理。最后,通过NPC三电平逆变器实验平台在线验证了所提出方案的可行性和有效性。     

双馈抽水蓄能机组用三电平变流器器件损耗分析及其改进调制策略

提出一种降低NPC三电平变流器发热严重功率器件损耗的改进调制策略。首先,基于双馈抽水蓄能机组机侧变流器单相桥臂功率模块,研究不同运行工况下功率器件开关动作和电流通路,理论分析器件损耗分布不均现象及发热严重功率器件;其次,在传统调制策略的基础上,对不同合成电压矢量工作区域通过降低发热严重功率器件作用时间,获得改进调制策略;最后,对双馈抽水蓄能机组在发电和电动工况下机侧变流器热性能进行仿真分析。仿真获得发热严重功率器件,且与传统空间矢量调制策略相比,该调制策略能有效降低NPC三电平变流器发热严重功率器件的损耗和结温。     

基于二极管箝位三电平变流器2MW直驱式风电系统研究

将高压大功率的三电平变流技术应用到直驱风力发电系统中,变流器电路结构为背靠背二极管中点箝位式三电平结构。三电平变流器采用空间电压矢量脉宽调制技术;机侧变流器采用基于最大转矩电流比的双闭环控制方案,实现了最大功率追踪且发电机运行平稳;网侧采用电网电压定向的矢量控制,实现了有功功率和无功功率的解耦控制,保证了直流侧电压的恒定,而且使得变流器工作在单位功率因数状态。研究结果表明,基于二极管箝位三电平变流器的2 MW直驱式风电系统,既实现了最大风能追踪和有功、无功的动态控制,又保证了向电网馈入高质量的友好型电能。     

基于桥臂虚拟电压的MMC-MG相间功率平衡控制策略

针对孤岛运行模块化多电平变流器半桥串联结构微电网（modular multilevel converter microgrid,MMC-MG）各相微源输出功率差异引起的三相功率不平衡问题,提出了一种相间功率平衡控制策略。介绍了MMC-MG基本拓扑结构以及三种相间功率传输模式,建立了系统三相输出功率数学模型,并阐述了采用环流直流分量控制相间功率传输的原理。设计了基于桥臂虚拟电压的环流直流分量控制器,并将其输出信号作为功率平衡控制量叠加于各桥臂调制信号以实现相间功率平衡。通过各相微源输出功率及负载功率得到环流直流分量参考值,并根据各相发电单元储能装置的荷电状态对其补偿。仿真及实验结果表明：所提出的控制策略能根据各相微源输出功率实现相间功率平衡,且对系统输出电压及频率没有影响;相比于普通三相微电网,MMC-MG可通过环流控制实现相间功率平衡,而无需额外的功率平衡设备。     

考虑多变量协同保护的储能变流器故障穿越策略

电网发生不对称故障时，会导致储能变流器（PCS）运行性能不满足要求，进而影响并网系统的可靠运行。针对上述问题，提出一种PCS多变量协同保护策略。该策略在柔性控制策略的基础上，以无功支撑为首要目标，PCS运行性能为约束条件，构建无功功率关于柔性控制参数k的一元函数和有功功率安全运行区域。进一步可解得满足要求的k取值范围，随后根据系统的要求选取合适的k值和此k值对应的功率参考值进行控制。仿真结果验证了所提策略的有效性，能根据电压跌落程度向电网提供相应无功支撑，在保障系统安全的基础上充分利用了PCS容量，还能在解得的k取值范围内灵活控制PCS。     

磷酸铁锂电池储能系统平抑风电功率波动研究

针对风力发电出力的随机性和间歇性,提出将磷酸铁锂电池储能系统用于平抑风力发电的功率波动。首先,以PNGV等效电路模型为基础,通过HPPC试验实现电池参数的辨识,建立反映磷酸铁锂电池充放电特性的仿真模型;然后,基于磷酸铁锂电池端电压变化小的特点,提出了电池直接耦合在储能系统直流母线上的拓扑结构,给出了储能变流器的功率解耦控制策略和平抑风能波动的控制目标;最后,利用MATLAB/Simulink软件,建立了风电—储能系统仿真模型。仿真结果显示,磷酸铁锂电池储能系统能有效平抑风力发电的功率波动。     

Power conversion system for high altitude wind power generation with medium voltage AC transmission

High Altitude Wind Power (HAWP) generating system provides clean energy at low cost and high capacity factor due to reduced size of the turbine and high speed streamlined wind at high altitude. An air-borne wind turbine (AWT) at high altitude extracts kinetic energy from wind using buoyancy provided by the blimp/aerostat. The generated electrical power is then transmitted to the ground based station (without any power conditioning) using the transmission lines (tether). The power conversion system (PCS) for harnessing HAWP is proposed in this paper. The proposed PCS consists of a three-level neutral point clamped (NPC) rectifier, a three-level NPC DC–DC converter followed by a two-level inverter. Modelling, design and control of the PCS are presented and discussed. The PCS provides generation side maximum power-point tracking (MPPT) using sensorless optimal torque control technique. The DC–DC converter provides electrical isolation as well as voltage step-down functions. A modified proportional resonant (PR) control which can selectively eliminate lower order current harmonics of the grid-connected inverter is also presented. The proposed control scheme of the PCS is evaluated through simulation studies using software programs like PSIM and MATLAB. A scaled-down 1 kW laboratory prototype of the complete PCS is designed, built and tested. The experimental test results obtained validate the proposed control scheme for efficient power generation from high altitude wind and interface to the grid/load.     

基于滑模变功率跟踪的PV-VSG控制技术

针对含储能装置的传统光伏虚拟同步发电机（PV-VSG）不仅投资成本高且未考虑光伏阵列输出特性的问题,提出一种基于滑模变功率点跟踪（SM-VPT）的PV-VSG控制策略。该方法在滑模控制的基础上引入直流母线电压偏差控制,调整光伏阵列的功率跟踪轨迹,实现光伏出力自适应匹配负载需求,即当光伏容量充足时,只提供与负载相匹配的功率;光伏功率不足时,可实现传统的MPPT控制以减少电力短缺,同时防止直流电压骤降,保证系统稳定运行。该方法使PV-VSG能够按需向负载供电,无需增加额外的储能设备,可实现光伏发电系统直接以VSG形式接入并网,仿真结果验证了所提控制方法的有效性。     

Control strategies for a photovoltaic--Energy storage hybrid system

受光照,温度等自然条件影响,光伏电源输出有功功率具有较大的波动性.因此,本身既非恒压源又非恒流源的光伏电源并网运行时会产生一系列问题,如对电网冲击性大,需增加旋转备用容量,难以参与电网调度等.利用电池储能系统来控制有功功率输出,可以使平滑光伏电源功率波动成为可能.研究了光储联合发电系统的运行模式,提出了适用于光储联合发电系统的拓扑结构和控制策略,并对储能用功率转换系统(PCS)进行了分析和设计,最后基于某光伏电站的实际历史运行数据,对所提出的方案进行仿真研究,仿真结果验证了光储联合发电系统控制策略的有效性和可行性,为光储联合运行示范工程提供了一定的理论依据和有力借鉴.     

一种基于三端口能量路由的单级式光储并网系统及其高压穿越技术

该文提出一种具有高压穿越能力的基于三端口能量路由的单级式光储并网系统（PV-ESS）。光伏最大功率跟踪始终由三相变换器控制完成。多端口能量路由器可根据不同运行工况使储能灵活接入,平抑光伏输出,使得系统具有更高的效率。在电网高压故障下,通过储能装置抬升直流母线电压,从而使系统具有高压穿越的能力,可在电网高压状态下不脱网连续运行,直至故障恢复。     

光储联合电站建模与仿真

为解决光伏电站发电的波动性与不稳定性,介绍了光伏电站与全钒液流电池储能电站联合运行的系统结构,基于PSCAD/EMTDC仿真平台,建立了光伏电池、光伏控制系统、全钒液流电池及其控制系统的电气模型,对并网及故障模式下光储联合电站系统的运行情况进行了仿真研究。结果表明,光储联合电站运行时储能系统能很好地平抑光伏电站的输出功率波动,故障模式下能维持光伏电站的稳定运行。全钒液流电池储能电站可提高光伏电站运行的经济性与可靠性,同时增强了光伏电站输出的可预测性。     

一种四端口能量路由器的协同控制策略研究

针对研究的四端口能量路由器,首先分析能量路由器拓扑结构,根据能量路由器的功能需求提出各端口的控制方法。电网单元端口为T型三电平拓扑结构,采用电流闭环矢量控制实现直流母线的稳压控制;交流源单元端口为VSR拓扑结构,采用PQ控制实现交流源单元功率的灵活调节;光伏单元端口为Boost电路,采用最大功率点追踪（MPPT）和直流母线恒压控制（CVC）相结合的控制策略;储能单元端口为级联Buck-Boost电路,采用恒流控制。由此,提出一种四端口的协同控制策略,根据能量路由器接入的分布式能源与储能单元荷电状态（SOC）划分能量路由器的工作模态,再通过直流母线电压的波动、储能单元SOC等状态数据实现模态的切换。最后,通过MATLAB软件搭建仿真平台,验证能量路由器模态切换的可行性。     

高铁客运站分布式多能源系统供能协同优化策略研究

为解决传统高铁客运站供能系统中能源利用率较低的问题,以日运行购气费用和购电费用最优为优化目标,以系统运行过程中实时能量平衡为约束条件,以可再生能源出力和吸收式制冷占比为优化变量,建立多能源协同供能的分布式能源系统,并将该模型应用于北方某高铁客运站,分析可再生能源的利用率、制冷系统中可再生能源电出力的电制冷占比以及电网出力的节电率。仿真计算结果表明,分布式能源系统的使用提高了可再生能源的利用率,其中风电机组出力占其出力极限的96.5%,光伏机组出力94.7%;相比于参比系统,分布式能源系统的成本节约率为12.5%;电制冷占比为13%;电网的节电率为53.9%。     

光伏电站复合储能电压波动抑制双层优化控制方法

大规模光伏电站的不断接入为电力系统的安全稳定运行带来了巨大挑战。为解决光伏电站出力不确定性所造成的功率波动问题,提高光伏电站在并网点处电压的稳定性,文章采用由蓄电池与超级电容组成的复合储能一体化控制方法,提高光伏并网点电压稳定水平。首先研究由光伏电源、复合储能构成的典型复合储能系统拓扑结构下储能双层优化控制策略;其次,在不同储能介质的荷电状态与充放电特性模型基础上,研究基于不同光伏并网点电压波动场景的多储能介质组合电压波动抑制优化控制模型及其求解算法;最后,以并网光伏电站数据为基础,建立光伏复合储能电压波动优化控制仿真模型。仿真结果及其分析表明,文章所提出的基于复合储能的并网点电压波动抑制模型能够有效提升并网点电压稳定性能。     

基于改进支持向量机的多能源电力系统中储能容量规划及运行模型

研究多能源电力系统中储能装置的定容及运行,有利于减小功率波动,降低对电网的冲击,提高电能质量。以青海省海西千万瓦级可再生能源基地为例,首先根据光伏电站和风电场的历史数据分析了两种新能源发电系统的出力特性,在此基础上建立了支持向量机模型,对新能源电站的输出功率进行了短期预测。根据光伏电站和风电场的出力预测误差,建立了ARMA误差预测模型,进一步修正了光伏电站和风电场的预测曲线,最后根据出力预测曲线的功率谱确定了储能系统的容量及出力曲线。研究成果可为新能源并网提供技术支持。