林汉平 吴文宣 蔡金锭 郑 高

（1. 福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108；2. 国家电网福建省电力有限公司电力科学研究院，福州 350007；3. 国家电网福建省电力有限公司，福州 350001）

为了提高储能系统的容量和可靠性，广泛采用了多台储能装置并联的储能系统。但在实际应用中，各台储能装置的输出电压幅值和相角不可能完全相等，同时输出线路阻抗也有差异。故当多台储能装置并联工作时必然会产生环流，从而使各台储能装置不能均分负载，使得部分装置工作于过载状态，导致并联系统崩溃。所以需要在储能装置离网控制中加入并联控制抑制各台变流器间的环流，保证各台储能装置均分负载正常工作。本文提出了基于平均功率均分控制的并联控制策略，需检测系统输出有功和无功功率，其均流效果好，稳定性高，且具有较强的抗扰动性，可有效抑制并联系统中环流的产生，对多台储能装置构成的大容量储能系统在离网运行下的并联控制策略及均流控制的实现具有重要意义。

1 系统建模

图1中ioi1、ioi2为变压器高压侧输出电流；Zloαd为本地恒阻抗负载，流过负载的电流为两台储能装置交流侧输出电流之和。其中，对上述变量中的下标i有i= a ,b,c。

根据图1系统框图，两台储能装置并联系统中每台储能电源与变流器的直流侧相连，变流器交流侧接LCL滤波器，然后经隔离变压器并联后与负载相连。单台变流器可视为一个交流电压源U1、U2。由于输出端变压器漏感的存在，故并联运行时线路阻抗主要呈感性，即Zl1= jX1，Zl2= jX2，其并联等效模型如图2所示[1-2]。

图1 PCS离网并联运行系统等效拓扑结构

图2 两组储能装置并联运行示意图

假设并联母线电压为U0∠0°，变流器交流侧输出电压为U1∠φ1、U2∠φ2，则各台变流器输出电流为

各台变流器的输出功率为

两台变流器之间的环流为Ih，则[3]

由式（4）环流公式可知，系统环流与两台变流器交流侧输出电压的幅值、相角以及它们之间的线路阻抗有关。因此为了减小变流器之间的环流需控制各台变流器的输出幅值、相角相等，同时在保证线路阻抗相等的前提下，尽量增大输出线路阻抗。本文提出了基于平均功率均分控制[4]的离网并联控制策略。

2 储能系统离网运行控制分析

根据图1储能系统离网等效拓扑结构，根据基尔霍夫电压定律、基尔霍夫电流定律可得离网运行时电路的状态方程组：

式中，L0和R为折算到变流器侧的漏感（包含L2）和等效电阻，将上式进行dq变换，则变流器dq变换后模型为

则由式（6）可得变流器离网运行模型框图如图3所示。

根据图3所示的数学模型，当系统处于离网运行时，此时储能系统脱离配电网与负荷形成独立的微电网，储能系统作为电源向重要负荷供电，同时向微电网提供电压和频率支撑，此时需要储能系统具有恒定的电压和频率，因此变流器采用V/f控制[5-6]。V/f控制是包含电流内环、电压外环的双环控制。控制原理框图如图4所示。

图3 变流器离网运行时的等效数学模型

图4 电压电流双环控制原理图

3 基于平均功率均分控制研究

根据式（4），为了抑制系统中的环流，必须保证两台变流器交流侧输出电压幅值和相角一致，在变流器控制中加入功率均衡控制，保证各台变流器均分功率，从而抑制环流[7]。

假设变流器输出平均功率时其对应的输出电压为Uc_αve∠φc_αve，并且由外置同步信号作为基准进行dq分解，则有

由上式可知，当线路阻抗为纯感性时，变流器交流侧电压 q轴分量差异引起有功不均衡，d轴差异造成无功输出环流。为了实现变流器输出功率的均衡，可在变流器电压控制外加入功率均衡的PI控制，通过测量每组并联系统向母线输出的电压U0和电流i0，计算输出有功、无功功率，与其平均功率相比较，经过PI控制得到功率外环的输出量，叠加在变流器输出电压指令上作为修正，以抑制变流器之间的环流。

结合图 4、图 5可得离网运行时基于平均功率均分控制框图。

图5 功率外环控制原理图

图6 基于平均功率均分控制框图

4 系统仿真与分析

储能系统离网仿真模型包括两套储能装置，每套储能装置分别由电池模块、变流器模块、滤波器模块、变压器模块以及负载组成，如图7所示。

4.1 控制模块设计

测取两台变流器交流输出侧的电感L1电流和电容C两端的电压，计算求得并联的每组电池输出的有功功率和无功功率。

图7 储能系统多机并联仿真模型

图8 第一组储能装置输出功率仿真模型

图9 第二组储能装置输出功率仿真模型

计算两组储能装置输出的平均功率的大小仿真模型如图10所示。

图10 两组储能装置的平均功率仿真模型

将平均功率与两组储能装置实际输出功率分别进行比较，如图11，经过PI调节器后输出的误差量作为电压外环的输入量，如图12所示。由电压电流双环控制得到dq坐标下的调制波，再由坐标变换为abc坐标系下调制波，与SPWM中的三角波比较后输出变流器开关管的驱动信号。

图11 基于平均功率均控制仿真模型

图12 电压电流双环控制仿真模型

4.2 仿真结果分析

对储能系统多机离网并联运行进行仿真分析，空载运行检测输出电压的同步情况，以及环流的大小。图13为两台PCS输出交流侧电容电压波形，从图中可以看出，经过外同步信号的同步，两台PCS的输出电压实现了相位的同步，空载运行时，两台变流器输出电压重合较好，输出环流较小。

图13 两台PCS输出交流侧电容电压A相波形

储能系统并联带载运行时，实验结果如图14、图15所示，两台PCS的输出电压实现了相位的同步，输出电压重合较好，输出环流很小，功率均分控制策略能够有效的抑制了环流的产生。

图14 两台PCS输出交流侧电容电压A相波形

图15 两台PCS输出环流波形

5 结论

本文研究了多机并联运行情况下，由于各台储能装置的输出电压幅值和相角不可能完全相等，同时输出线路阻抗也有差异，并联运行系统中必然会产生环流，导致各台储能装置不能均分负载，出现过载状态，甚至引起并联系统崩溃。为了抑制环流的产生，提出了基于平均功率的均分控制，该控制方法将经过PI控制得到功率外环的输出量，叠加在变流器输出交流电压指令上作为修正。通过Matlab/Simulink软件对离网控制策略进行仿真分析验证，在空载和带载运行下该控制方法均起到很好的抑制环流的作用，实现了两台PCS的均流运行。

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