摘要：为了提高电网稳定性及安全性，缓解由传统电力系统发电引起的资源短缺和环境问题，微电网系统因其配置灵活及便于操作等特点近年来得到了广泛学者的关注和研究。其中，储能逆变器是微电网系统中重要的能量转换装置，也是其实现“削峰填谷，调剂余缺”的关键，而储能逆变器的核心关键技术是其内部采用的控制策略，这将直接影响系统电能的质量和对电压电流的控制效果，本文针对储能逆变器在两种工作状态下的工作原理及特点，提出两种工作状态下的控制结构及控制方法。当系统工作在逆变状态下时，为简化分析，本文采取电流单环控制结构，控制电流使其满足系统要求；当系统工作在储能工作状态下时，采用电压电流双环控制结构，本文在Matlab/Simulink仿真环境下搭建系统及各控制器模型。仿真结果表明，采用的控制策略对负载扰动具有良好的抗干扰能力。
1引言
为实现能源的可持续发展，提高可再生能源的利用率，在微网中总是希望能够实现太阳能光伏发电，风力发电等可再生能源的灵活接入。然而，由于可再生能源输出的间歇性及随机性特点，它们的大量接入会对系统的电能质量及电网稳定性等诸多方面产生影响。储能系统中加入管理系统后，可以更为有效地促进可再生能源的利用。为了实现电网与储能系统之间的有效连接，完成对储能系统的充放电过程，储能逆变器应运而生。储能逆变器管控的储能系统既可以担任负荷，吸收微网中的剩余电能，也可以作为组网电源给电网供电，在一定程度上抑制可再生能源的波动性以及不确定性，实现电网安全平稳可靠地运行。根据国家对分布式发电和微电网建设的要求，储能逆变器具有对电网提供有功、无功支撑，稳定电网电压和频率，同时配合多种储能设备接入电网进行充放电等作用。
2储能逆变器工作原理及模型
2.1储能逆变器的能量双向流动原理
为主要说明电路的矢量关系，此处忽略电路电阻以简化分析。图1为储能逆变器的模型电路，主要由电网电动势e，网侧电感L，储能逆变桥式电路，负载电阻RL及直流侧电动势eL组成。其中交流侧电压和电流为v、i。直流侧电压电流为Vdc，Idc。
当不考虑桥式电路的开关管损耗时，由系统两侧功率守恒关系可得：
iv=idc Vdc （1）
由式（1）可以看出，我们可以通过对储能逆变器直流侧电流参数的控制来控制其交流侧参数，也可以通过控制交流侧参数改变直流量。
假设交流侧电流及电感电压矢量分别表示为L和VL，则可得VL=ωLI，并且电流滞后电压90°。若电网电动势矢量用E表示，储能逆变器交流侧的电压用V表示，则根据基尔霍夫电压定律，系统交流侧的电压关系可以表示成E=V+VL=V+ωLI，其模值大小关系为
。假设 |I| 不变，则 | VL | =ωL|I|也不变。假设电网电动势E为定值，则系统电压矢量V在空间的运动轨迹为圆形，并且半径值 | VL | 为。为直观表示其关系，图2绘制出V的端点在以下A、B、C、D四个工作点的关系图。
具体运行情情况及分析如下：
（1）当电压矢量端点在A~B点之间时，储能逆变器工作在储能状态，电网向系统输送有功及感性无功功率。当在A点运行时，电网只输送感性无功功率。
（2）当电压矢量端点在B~C点之间时，储能逆变器工作在储能状态，电网向系统输送有功及容性无功功率。当在B点运行时，电网只输送有功功率。
（3）当电压矢量端点在C~D点之间时，储能逆变器工作在逆变状态，系统向电网输送有功及容性无功功率。当在C点运行时，只向电网输送容性无功功率。
（4）当电压矢量端点在D~A点之间时，储能逆变器工作在逆变状态，系统向电网输送有功及感性无功功率。当在D点运行时，向电网输送有功功率。根据以上分析，我们可以通过控制网侧电流来实现对储能逆变器工作在任意状态的控制。在三相储能逆变器的控制中，我们希望系统能够工作在B点和D点，电网和储能逆变系统之间只传输有功功率，即在储能工作状态下，网侧电压矢量与电流矢量方向相同，在逆变工作状态下，网侧电压矢量与电流矢量方向相反。
2.2储能逆变器的拓扑结构
电压型储能逆变器并联的大电容能够较好地抑制直流电压的波动，因此本文采用图3所示的电压型的拓扑结构。
2.2.1主回路结构
单级式主回路拓扑如图4所示，储能介质通过一级DC/AC变换环节及隔离变压器接入电网；为实现低端口电压及宽电压范围储能介质的接入和最大利用率。
为便于大规模储能元件的分散接入，采用多分支设计。其中单级式为多组独立的DC/AC支路，在网侧并联通过隔离变压器接入电网；
应用多分支变流器时，储能单元可以分组接入，变流器将分别监测和控制每组储能介质状态，根据管理系统或预设数据对每支路进行分别控制，有效提高了储能系统可靠性，避免大规模电池组并联所导致的环流及容量不均衡，可以有效提高储能介质利用率和寿命。
主回路结构如图5。电池组输入经过直流EMC滤波器和开关，接入PCS直流母线，经三相桥式变换器，将直流电压变换为高频三相斩波电压，通过LCL滤波器变成正弦交流电，再通过交流开关、交流EMC滤波器和交流断路器后，送入内部交流母线。
3储能逆变器控制结构及PI控制策略
储能逆变器的主要作用是完成三相电网与直流储能装置之间的能量流动与转换，一般工作于逆变和储能两种状态。在这两种工作状态下，我们主要是针对网侧电流以及直流电压进行控制。
3.1逆变状态下的单环控制结构
根据储能逆变器在逆变工作状态下的拓扑结构及此状态下的控制目标，我们考虑直流侧电压是稳定的，因此只需要对系统电流进行控制。由于电网电流和电压为三相正弦交流量，为方便控制，我们选择在d-q旋转坐标系下进行控制器的设计和分析工作。通常采用图6所示的单环控制结构。为了实现对系统的单位功率控制要求，需要令q轴无功功率参考电流，并根据要求设定d轴有功功率的参考电流。电流控制器根据系统实际d、q轴电流值与参考电流值的偏差来产生对储能逆变桥式电路的开关信号，最后使得系统电流达到设定值。
3.2储能状态下的双环控制结构
系统工作在储能状态下需要在满足电流要求的同时，使直流侧输出电压也保持稳定。因此我们采用电压电流双环控制结构，控制框图如图7所示。其中，电压外环控制器实现对直流电压的快速无稳态误差跟踪，同时产生d轴参考电流；电流内环控制器实现对d、q轴电流的跟踪调节，最终达到控制系统的要求。
3.3PI控制策略
PI控制由于其算法简单，控制器参数容易整定的特点，成为了目前储能逆变控制系统中被广泛采用的控制方案。对于储能逆变系统，当其工作在逆变状态时，图6中电流环控制器采用PI控制策略；当其工作在储能状态时，图7中电压电流控制器均采用PI控制策略，此时我们称之为双环PI控制。
3.3.1储能逆变状态下控制方程
系统工作在逆变状态下网侧控制电压，可以得到系统方程为：
当系统工作在储能状态时，对电流控制分析与上述逆变状态下的过程相同，此处不再重复。其中Ud，Uq，控制方程如下。
系统工作在储能状态时，为使其电压保持稳定，采用图7所示的电压电流双环控制结构。直流侧电压经外环PI控制器调节后为d轴产生参考值i*d，控制器比例调节增益与积分增益分别为Kup，Kui设q轴参考电流i*d为0，则其控制方程如下：
结合式（5）、（6），储能状态下PI电压电流双环控制结构图如图9所示。
3.3.2PI控制器参数设计
（1）电流内环参数设计
由于d轴和q轴的控制对象相同，因此其控制器的结构和参数也相同。d轴电流其闭环框图如10所示。若要求系统具有较快的动态响应速度，可以得到电流环控制器参数为：
（2）电压外环参数设计
对于三相逆变系统，当采用SVPWM调制时，其直流侧电流idc可表示为：
4控制仿真
4.1逆变状态下PI单环控制仿真
逆变状态下的控制系统进行参数设置，如表1所示。系统在逆变工作状态下仿真图如图12所示。仿真后结果如图13，图14所示。
系统d轴及q轴电流可以较快无误差地收敛到设定值，具有较好的控制效果。
4.2储能状态下PI双环控制仿真
系统在储能状态下的控制系统参数设置如表2所示。储能状态下的系统主电路模型和PI双环控制器模型如图15所示。
系统直流端的电压波如图16所示。
5结论
能源及环境问题引起人们对微电网的研究，从而推动了储能逆变系统的发展，使得储能逆变器近年来得到了广泛学者的关注和研究。本课题从储能逆变器在逆变及储能两种工作状态下需要满足的综合控制目标及实际问题考虑，对其内部电流及电压环控制器的控制策略进行研究。建立了储能逆变器在储能和逆变两种工作状态下的数学模型，实现了系统中采用的SVPWM调制算法。根据储能逆变器的控制目标确立了系统在逆变和储能两种工作状态下的控制器结构。分析了PI控制的方法及原理，完成控制方程的建立以及控制参数的整定工作。在Matlab/Simulink仿真环境下完成了PI控制在两种工作状态下的仿真验证。
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