储能并网逆变器建模及控制策略

储能并网逆变器建模及控制策略摘要新能源与储能技术的研究逐渐深入，大规模新能源并入电网，储能电池也广泛应用于电力系统中，日臻成熟的储能技术在发电、输电、配电、用电等方面都可发挥其作用。规模化储能电站并网仍然存在许多问题。因此，研究储能逆变器建模及控制策略具有现实意义。本文首先介绍储能技术的分类及特点，阐述了储能电站的结构以及在电力系统中发挥的作用，归纳储能电站容量与接入电压等级的对应关系。分析储能电池的成组方式。阐述储能并网逆变器的拓扑结构与工作原理以及滤波电路的基本原理。提出储能并网系统的拓扑结构并进行数学建模。然后对储能并网逆变器的控制策略进行研究，详细分析PQ控制和VSG技术的机理。基于psim数字仿真平台搭建储能并网控制的模型，并对其进行仿真分析。规模化储能电站并网会涉及多逆变器并联运行，多机并联运行会存在会造成损耗增大，输出电流畸变，甚至使功率器件损坏的环流。因此本文多逆变器并联运行采用的下垂控制进行详细地阐述并建立数学模型。针对抑制环流提出了采用虚拟阻抗抑制环流的措施，并通过psim数字仿真平台搭建多逆变器并联运行的仿真模型，并进行仿真分析。关键词：储能电站；储能逆变器；PQ控制；下垂控制；环流抑制；虚拟阻抗目录TOC\o"1-2"\h\z\u1前言 11.1研究背景及意义 11.2国内外发展现状 31.3本文研究内容 62储能电站 72.1储能电站简述 72.2储能技术 92.3滤波电路 112.4储能并网逆变器………………...122.5本章小结…183控制策略研究 183.1PQ控制 203.2VSG控制 223.3PQ控制仿真分析 254结论与建议 29后记 30参考文献 311.前言1.1研究背景及意义随着经济的不断发展，化石能源也在不断消耗。如今化石能源逐渐枯竭，化石能源消耗过程中温室气体及有害物质大量排放，人们也十分关注这一问题。目前，各国已纷纷出台措施保护环境，在电力生产方面，我国提出建设智能电网新目标，鼓励新能源接入，以减少化石能源的消耗，为建设绿色生态国家而努力。随着智能电网建设的逐渐推进，各区域电网之间互联，电力系统规模越来越大，在环境保护和能源结构调整的形势下，大规模新能源并入电网，主要有风力发电、光伏发电、水力发电、生物质能发电等等。以风力发电和光伏发电为例，根据我国能源数据报告显示，截止2018年，我国光伏、风电装机容量很高，约占全部装机的近20%，光伏、风电全年发电量占比很高，并且还将会持续增长。虽然大规模新能源的并入降低了化石能源发电占比和对化石能源的需求，减少了温室气体的排放及对环境的影响，但是具有显著间歇性、波动性特征的新能源发电对电力系统安全稳定运行形成了巨大的挑战。风电场的风速和光照强度具有随机性，无法预测，目前所采取的措施是采用最大功率点跟踪控制方式，即使风机和光伏板尽量保持以最大功率输出，而风力发电和光伏发电的输出功率则对具有随机性的风速和光照强度有很强的依赖性，导致无法对风力发电、光伏发电的输出功率进行准确预测，这一问题的存在势必会严重影响电力系统的稳定运行。此外，我国对风电、光伏等新能源并网制定了并网规定，对于符合电能质量标准的新能源才能并网，而对于不符合标准的则禁止并网，由于技术等问题，部分风电、光伏等新能源发电不能并入电网造成资源浪费，即弃风弃光问题；另一方面，本地负荷水平低，市场消纳能力有限，配套的输送通道建设发展缓慢，调峰调频能力不足也是造成弃风弃光的原因之一。以湖南电网为例，湖南省水资源丰富，电网无调节能力的水电装机比重高，且出力随季节变化明显，存在丰水期和枯水期，配电网负荷存有较大的峰谷差。大规模风力发电、光伏发电等新能源接入电网，使得原有的配电线路输送通道在负荷高峰时段出现传输能力不足的情况，配电可靠性降低。同时，风力发电、光伏发电等新能源发电的波动性、随机性特性使得配电网负荷峰谷差增大、电能质量恶化、系统稳定性降低、市场笑纳困难等问题。近年来，储能电池以其快速吞吐功率的能力在电力系统发展进程中渐露头角。越来越多的专家开始研究储能技术在电力系统中的应用，越来越多的储能示范工程拔地而起。储能的优势逐渐被人们发现，已被应用在发电、输电、配电、用电的各个环节。在发电方面，储能可以提高电能质量，缓和风光的不确定性带来的影响，还可以解决消纳困难；在输电方面，储能可进行电力系统调频、调峰、延缓输电拥堵；在配电方面，储能可提高光伏自发自用率、在电网故障情况下，能够独立运行；在用电方面，储能可改善负荷特性，降低用电费用。目前，规模化储能电站并网依然有很多问题需要研究：储能电池的等效模型如何建立，储能并网系统的等效模型如何建立，储能并网控制策略如何设计等。因此，研究储能并网逆变器建模及控制策略课题具有实际意义。1.2国内外发展现状1.2.1储能技术分类储能技术现在已经有了一定的发展，其主要分为：机械储能、电磁储能、热电储能、电化学储能。1.机械储能目前应用较多的机械储能包括：抽水蓄能、飞轮储能、压缩空气储能。抽水蓄能电站，这种储能既可工作于发电机状态也可工作于电动机状态。它有高低两个位置的水库，在负荷低谷时段，将低处水库的水抽到高处水库，此时工作于电动机状态，将电能转化为势能；在负荷高峰时段，抽水储能电站将高处水库的水放出，此时工作于发电机状态，将势能转化为电能。在抽水蓄能、放水发电这一过程中会存在一定的损失，所以放水发电量会小于抽水储能消耗的电量。抽水储能电站的容量只由其水库的大小决定。抽水蓄能电站存在着明显的缺点，即其兴建对于地形选取依赖程度很高，要建在海拔落差较大且水资源丰富的地区，此外，其建设需较长时间，对环境也会有一定影响。飞轮储能是利用电能通过电动机使飞轮转起来，然后将其转化为机械能储存起来，这一过程飞轮加速；将电动机作为发电机运行，那么飞轮的机械能就可以转变为电能，此时飞轮减速，这整个的过程就实现了电能的储存与释放。但是，由于该储能方式的自放电使转换效率较低，进而其成本无法降低。压缩空气储能是利用非峰值负荷时的剩余电能来压缩空气，将其储存在高压密闭设备中，实现储能，在用电高峰时段释放空气驱动燃气轮机发电。压缩空气储能电站成本比较较低，但是压缩空气的能量密度也较低。此外，这种储能方式采用化石能源提供能量，对化石能源依赖程度较高，而且对地址选择要求较高。2.电磁储能电磁储能的种类主要有：超导储能、电容储能以及超级电容储能等。超导电磁储能系统，其线圈用超导体制成用来对磁场能量进行储存，该储能系统有有响应速度快、转换效率高、功率密度大等优点，可以实现与电力系统的实时互动。超导电磁储能可以实现功率补偿、频率调节、提高系统稳定性等功能。3）电化学储能储能系统中应用较多的就是电化学储能，电化学储能主要的类型有：铅酸电池储能、锂离子电池储能、镍铬电池储能、镍氢电池储能、钠硫电池储能、液流电池储能、金属空气电池等。1.2.2典型储能示范工程新能源技术的成熟，使得大规模的分布式电源接入电网，这一现象给电网带来了诸多不稳定因素。配电网负荷峰谷差增大、电能质量恶化、系统稳定性降低、市场笑纳困难等问题日益突出，储能技术的发展为其提供了新的解决思路。在各国专家的不懈努力下，储能电站示范工程拔地而起。1.2.3并网逆变器的发展现状逆变器技术受到电子器件和控制技术的限制，文献[]中提到逆变器的发展可分为五个阶段：20世纪50年代，晶闸管SCR等开关管开始成为逆变器的核心；20世纪70年代，可关断晶闸管GTO、双极性晶体管BJT等开始进入逆变器领域，得到一定的发展；20世纪80年代，多种高频化的功率器件诞生为大容量逆变器的研制提供基础；20世纪90年代，电力电子技术与微电子技术结合，使得逆变器进入并网逆变领域，也催生了新的发展方向；21世纪初，逆变技术更加注重性能的优化，同时也会向着智能化的方向发展。近年来，各国对并网逆变器的发展重视度不断提高，使得并网逆变器有良好的发展环境得以进一步发展，尤其是德国、西班牙、丹麦等欧美国家技术更为先进，我国并网逆变器的发展水平与国外有些差距，主要体现在：技术方面，稳定性较差，智能化程度不高等；市场方面，由于性能不够优越，难以与其他逆变器匹敌，所以市场份额较少。拓扑结构方面，拓扑结构是并网逆变器的核心内容，其往往决定了并网逆变器的性能、成本和转换效率，也是并网逆变器在市场上能否出类拔萃的关键一环。优秀的并网逆变器拓扑结构往往意味着其在输出电能质量、成本、效率等方面具有优势。从逆变器输入与输出有没有电气联系，可将其分为隔离型和非隔离型。一般使用变压器进行隔离，而变压器的体积过于庞大，目前的研究趋势是“多硅少铁”，即减小体积，提高效率等，因此这样的隔离型逆变器逐步面临淘汰。根据应用场景选择是否隔离。对于要求较为严格的大功率或对地干扰防护较高时选用隔离型。逆变器又可分为单级和多级两种类型。单级逆变器指的是只有一级能量交换，例如仅含DCAC环节的逆变器。顾名思义，多级逆变器指有多级能量交换，例如DC-DC-AC逆变器。随着研究的不断深入，并网逆变器的发展方向目前正朝着低成本、高效率目标发展。具体来说是：1、优化拓扑结构；2、增大直流输入电压范围；3、应用软开关逆变器；4、应用多电平逆变器、5发展三相并网逆变器。控制策略方面，目前常用的逆变器控制方法主要有PI控制、PR控制、无差拍控制、重复控制等。PI控制，通过比例环节调整偏差信号的大小，通过积分环节累积偏差。参数易整定、成本低。但是一般不能达到无静差。PR控制，其中P是指比例调节器，R表示谐振调节器。这种控制一般可对正弦量达到无静差控制的效果。但实际应用在电网中时，谐波无法抑制。无差拍控制，通过状态方程、反馈信号等计算下一周期的脉宽。是一种数字型控制方法，反应快，畸变率低，但是易受到环境影响。重复控制，被控对象既有现在的偏差信号还有过去的偏差信号，重复几轮，能够大大降低畸变率，提高跟踪精度。但是响应速度慢。1.3本文研究内容本文首先阐述了储能电站的结构以及在电力系统中发挥的作用，归纳储能电站容量与接入电压等级的对应关系。介绍储能技术的分类及特点，分析储能电池的成组方式。阐述储能并网逆变器的拓扑结构与工作原理以及滤波电路的基本原理。对储能并网系统进行数学建模。然后对储能并网逆变器采用PQ控制策略进行机理分析。基于psim数字仿真平台搭建储能并网控制的仿真模型，并对其进行仿真验证。规模化储能电站并网会涉及多逆变器并联运行，多机并联运行会存在会造成损耗增大，输出电流畸变，甚至使功率器件损坏的环流。因此本文对抑制环流提出采用虚拟电阻抑制环流，并通过psim数字仿真平台搭建多逆变器并联运行的仿真模型。进行仿真分析。2.储能电站2.1储能电站简述大容量电池储能系统在电力系统中的应用比较广泛，科研人员已经开展了一定的研究。目前应用广泛的储能电站主要有电池储能电站和抽水蓄能电站。储能电站在电力系统中发挥重要作用：在发电方面，储能可以提高电能质量，缓和风光的不确定性带来的影响，还可以解决消纳困难；在输电方面，储能可进行电力系统调频、调峰、延缓输电拥堵；在配电方面，储能可提高光伏自发自用率、在电网故障情况下，能够独立运行；在用电方面，储能可改善负荷特性，降低用电费用。图为长沙榔梨储能电站电气接线图，以此图为例，分析阐述储能电站结构。电池储能电站由储能电池组、、、集电系统、开关设备及变压器等部分构成。储能电站等效图如图2.1。图2.1储能电站结构图其中，储能电池组是电池单体通过串并联的方式组成，电压为直流电压。对储能电池组进行监控，并对电池的和进行估计。双向变流器即电能变换系统。要使储能电站发挥其作用，需根据电网的实际情况合理设计装机容量，因为容量过小会导致储能系统无法达到预计的作用，容量过大会导致资源浪费、经济性下降。储能电站应根据其系统容量选择接入电压等级。具体可参考表2-1。表2-1容量与接入电压等级对应关系储能容量接入电压等级<200kW400V200kW-400kW400V或10kV400kW-3MW10kV3MW-10MW10kV或35kV>10MW35kV或110kV2.2储能技术储能电站中的电池组主要是由多个电池单体串并联组成的。通常状态下，每个电池单体的电压与其电流存在线性关系。对于由多个电池单体串联而成的电池串，流过每个电池单体的电流都相等且等于流过该电池串的电流，电池串两端的电压等于每个电池单体两端电压之和。可表示为下式：（2.1）（2.2）式中—电池串电压，V—电池单体电压，V，—电池串电流，A—电池单体电流，A，多个电池串进行并联构成储能电池组。衡量电池内的电荷量，考虑电池老化率，需要计算电池的，电池串的荷电状态可根据电池单体的荷电状态得到，SOC按式（2.3）（2.4）计算得到:（2.3）（2.4）式中—电池单体i初始荷电状态，—电池单体i的荷电状态，—电池串荷电状态平均值—电池单体i额定容量，—电池电流—损耗反应消耗电流电池单体通过串并联等成组方式成组之后，为保证电池安全运行，了解电池老化程度，由电池管理系统（BMS）实时监测电池状态，包括电池的荷电状态（SOC）、健康状态（SOH）、充放电深度（DOD）、温度等。2.3滤波电路由于逆变器输出的交流电压经过调制后存在大量开关频率次谐波，影响并网电压质量，所以要滤除这些谐波以便得到良好的电压波形，提高电压质量。本文采用滤波器滤除谐波。滤波器的设计公式如式（2.5）、（2.6）所示（2.5）（2.6）式中：为谐振频率；为调制波频率；为PWM载波信号Vb的频率。在滤波电路中串联一个阻值很小的电阻，其用途是避免产生的谐振。如图2.2所示。图2.2LC滤波器原理图图中，滤波器输出电压和输入电压的传递函数如式（2.7）所示。（2.7）式中：，。综上，可以根据式（2.5）～（2.7）来设计电感和电容的参数，需要注意的是电感上的压降不能过大，一般来说，为了保证电压幅值其压降要小于或等于超过电网电压的3％。本文采用，，的滤波参数后，采用本文所述滤波器能达到良好的效果。2.4储能并网逆变器为使储能电池能够达到较好的并网条件，储能并网逆变器的拓扑结构设计是非常关键的一个环节。储能电站并网的拓扑结构中重要组成部分是基于PWM技术的电压源型逆变器和滤波电路。并网逆变器起着交直流转换的作用，再通过变压器进行幅值的变动，从而得到所需的数值。对于大容量的逆变器来说，直流侧一般不需要升压就可使交流输出经变压器达到要求；对于中、小容量的逆变器来说，必须设计升压电路。为提高并网电压质量，需将经过逆变器的电压进行滤波，得到稳定的波形。本节主要研究逆变器和滤波电路的基本原理，阐述其工作特点，并建立拓扑结构。2.4.1储能并网逆变电路拓扑结构与工作原理如果逆变器容量大，那么逆变器的直流侧通常情况下接入的是较大的电压，不用再升压就可使交流输出达到要求。而如果容量较小，那么直流侧通常情况下接入的电压较小，为使交流输出达到要求就必须进行升压。目前，针对不同的主电路以及不同的应用需求，有只含DC/AC环节和含有DC/DC、DC/AC环节两种结构的逆变电路。含有DC/DC、DC/AC两个环节进行电能变换的储能并网系统结构如图2.4。图2.4含有DC/DC、DC/AC环节逆变电路电池储能并网拓扑图在上图中，的作用是对直流侧电压进行升、降，以便经DC-AC变换后的交流输出电压能与要并入的电网电压相匹配，所以，该结构不需要再经过变压器升降压并入电网。这种含有和两个环节的逆变电路，可适用于不同大小的直流侧电压，因此也适用于多种不同容量或者电压容易波动的储能。但是，也正是由于DC/DC环节，所用的电力电子器件更多使能耗变大，减弱了转换效率，同时也增大的控制策略的复杂程度。只含有DC/AC环节逆变电路的储能并网系统结构如图2.5。图2.5含有DC/AC环节逆变电路电池储能并网拓扑图在上图的结构中，DC/AC的主要作用是进行直流、交流的变换。只含有DC/AC环节的逆变电路一般要通过变压器并入系统，以便得到与系统匹配的电压值。与此同时，变压器把电池储能侧和电网分隔开来，隔断电气联系，减少相互干扰。这种结构的逆变电路，有器件较少，便于控制，能耗较小等优点。但对不同大小的直流侧电压适应性不强。由于当前分布式电源所提供的直流电压可以使仅经过DC/AC环节和变压器产生的交流输出电压满足并网电压要求，并且考虑控制方式的复杂程度与能耗问题，因此本文采用仅含DC/AC环节的逆变电路，DC/AC环节采用电压型逆变电路。如图所示，DC/AC逆变器可以进行直流、交流的变换。其为三相桥式电路，有6个桥臂，每个桥臂由一个IGBT和一个反向并联二极管组成的，通过控制IGBT的开断，使上下两个桥臂交替导电，在一个时间点，有三个桥臂同时导通，Cdc为直流侧的并联电容，为滤波器电感。设计控制策略时可通过产生PWM波，控制可控开关器件的开断，进而控制该逆变器开关器件的开断时间，实现所需控制目的。2.4.2储能并网逆变电路的数学模型储能并网逆变电路的数学模型通常根据基尔霍夫电压定律、基尔霍夫电流定律在三相静止abc坐标下建立的数学模型。，，为，，相的电感电流；，，为，，相的电容电压；，，为，，相的负载电流；，，为，，相的桥臂中点电压。以滤波电感电流为状态变量，列方程：uA以滤波电容电压为状态变量，列方程：iA由此可以得到三相逆变器的状态方程为:uC由在abc坐标系下的方程可直观清晰地展示各个量之间的关系，但是需要控制的量都是时变交流量，不便于进行控制，因此为了使控制更加简单，更好地利用各个量之间的关系，需要将abc三维坐标转化为dq二维坐标。这样三相静止坐标系交流量在这个转换过程中就变成了二相动态转动的直流量，便于进行控制。abc-dq坐标系变换图如图2.5所示：图2.5abc-dq坐标系变换图三相电压落在角度相差120度的三维坐标轴上，分别在三维坐标轴的三个方向上，分别相差120度。转化到dq坐标轴之后，原在a、b、c三相的坐标变为随着发电机转子一同转动的dq坐标系旋转的坐标。由此，转换矩阵可由下式得到：首先进行变换：反变换为：下面进行变换：反变换为：因此，有如下转换：T3-2反转化矩阵为:T2-3经过变换与变换后得到坐标下的方程如下:uCd2.5本章小结本章以湖南省长沙市榔梨储能电站为例，分析储能电站的结构，介绍了储能电池的成组方式，阐述了储能电站的工作原理。对目前应用的储能逆变器的交直流转换模块进行比较分析，通过综合比较仅含DC/AC环节和含有DC/DC、DC/AC两个环节的交直流转换模块的优缺点，以及结合工程实际和控制难度等问题，确定在本文的储能并网逆变器建模分析中选择仅含DC/AC环节的交直流转换模块，并且详细阐述采用的逆变电路的基本原理。然后对储能并网逆变器的LC滤波电路部分进行机理分析，通过LC滤波电路对开关频率次谐波进行滤除，并且接入小电阻以抑制LC电路产生振荡。最后建立储能并网逆变电路的数学模型，为了便于实现控制，将坐标下的方程转化到坐标系中。3.控制策略研究要实现并网需使储能电站的输出达到并网要求，需要对并网逆变器进行控制。当前的控制方法有多种，下面简单对四种控制方法进行介绍。PQ控制，顾名思义就是控制有功功率和无功功率，对于电力系统而言，要保持动态平衡，电能的发出与消耗要均衡，所以需要用这种方法使储能电站的维持稳定。由于相对于电网中的同步发电机来说，储能电站的容量很小，接入电网时系统能使并网处的电压和频率保持恒定。因此，在工程实际中常常将储能电站处理为一个恒功率输出的系统。这种方法的适用场合是接入电网的各发电系统。Vf控制，即要求储能电站输出的和是可控的，这是由于一些独立运行的分布式发电系统或者孤岛系统没有电网提供电压和频率支撑，为了使系统中各设施以及各用户的用电质量得到保障，需要控制储能电站输出的电压和频率恒定。这种方法的适用场合是不接入电网的各发电系统。这种控制方法是通过检测电压误差产生变化的频率，再根据这个得到的频率对输出电压的频率进行控制，从而改变电机的转速。电机的转速，转差率可以忽略不计，可以看作与成正比，在通过改变来改变时，理想状态是使磁通恒定，因为如果过大，会使磁路处于过饱和状态，危及设备安全；如果过小，就会使转矩下降。由公式可知，需要让恒定不变。应用于并网逆变器中就表现为控制电压与频率恒定。下垂控制，类似于发电机的下降的外特性。这种控制方法通过控制储能电站输出的有功和无功来得到稳定的电压和频率。可以提高系统运行的稳定性，提高电能质量。但是不可以模拟真实机组直接在系统中运行所具有的惯性。VSG即虚拟同步机技术。由于储能电站并网是通过电力电子器件接入电网，然而大规模的并网，使得电力系统中缺乏惯性支持难以稳定运行，而且大量电力电子器件的连接使得接入电网的储能电站缺乏传统电机具有的阻尼和惯性，从而影响电力系统的稳定性。针对这一问题，研究者们提出虚拟同步机技术，以传统同步发电机机为模型对逆变器的各个参数进行设计，来控制通过逆变器输出的电压或者电流这样就可以提供阻尼和惯性。目前应用比较多的控制方法是PQ控制和VSG控制。本章主要研究PQ控制和VSG控制的基本原理，并对PQ控制在psim平台进行仿真分析。3.1PQ控制储能电池并网最常用的控制策略为PQ控制，因为储能电站要接入电网，系统可以保证其电压的稳定，所以，为了使系统中电能的供求达到平衡，在工程实际中通常需要控制其输出的有功和无功，保持储能电站输出的功率恒定。由式（2.6）可知，转化到dq0坐标系之后，逆变器的ucd、ucq，iLd、iLq之间存在耦合，这种dq轴上的量相互耦合的现象会给控制系统的设计带来困难，因此需要将二者进行解耦以便进行设计。逆变器的控制原理在坐标系下的模型如图5。图5典型的储能电站的pq控制图中为设置的储能电站输送到电网的有功功率参考值，为设置的无功参考值。三相瞬时电流与三相瞬时电压进行坐标变换之后得到在二相同步旋转坐标系中的dq轴分量和。有功和无功的实际数值可根据瞬时功率理论进行计算：电流参考值控制方程为：，；控制之后逆变器的输出电压在二相同步旋转坐标系中为、:电流参考信号和由给定的有功功率和无功功率的参考数值与相除得到，再分别与经过abc/dq0变换后的三相瞬时电流即和进行比较，然后对误差进行PI调节，调节后的输出值通过交叉耦合和电压前馈来求得电压信号和。最后将电压控制信号和经过abc/dq0的反变换可得出三相电压调制波信号，用来控制DC/AC环节中的开关管，完成整个控制过程。在此过程中可通过瞬时功率与有功功率给定值进行对比来判断检测是否是恒功率控制。公式中的为PI调节部分。由公式可知，PI调节由比例环节和积分环节相叠加而成。它以预设值与实际值的误差为输入信号，通过比例环节放大误差，加快控制反应速度；通过对误差进行积分降低超调。通过对比例系数与积分常数的调整最终可达到较快地进入稳定，稳定之后误差为零的效果。PQ控制就是把P和Q解耦后，将它们的设定值与额定电压相除得到电流预设值，然后对电流预设值与实际值的误差进行放大和积分，对进行控制，可以实现较快地进入稳定状态、稳定后误差为零的效果。3.2VSG控制由于储能电站接入电网通常是通过电力电子器件接入，大量电力电子器件的连接使得电网却乏阻尼与惯性的支持，从而影响电力系统的稳定性。而VSG技术，就是解决这一问题的控制方法。这种控制可以提供电力电子器件所没有的阻尼与惯性，从而提高系统运行的稳定性。图是的拓扑结构与控制流程图。图中，——构成逆变电路；为等效电网侧变压器漏感；、以及等效为型滤波器。由瞬时功率理论可以得出通过VSG控制输出的有功功率和无功功率为式：式中：、是流过逆变器侧电感的三相静止坐标系中的电流转换到坐标系后的电流；、是逆变器桥壁中点电压转换到坐标系之后的电压。式中：VSG控制原理框图如图。由原理框图可知，有功的控制部分可以提供虚拟惯性以及虚拟一次调频，无功的控制部分可以提供虚拟一次调压。整体的控制所提供的特性就是与传统电机相比电力电子器件所缺乏的惯性及调频调压特性。下面介绍VSG控制方法功率环的数学方程。式中：、分别为设定的有功和无功；为设定的转矩；为电磁转矩；为下垂系数；为下垂系数；为角频率；为额定角频率；为虚拟转动惯量；为输出电压有效值；为额定电压有效值。采用VSG控制，调制波的相位和频率由有功环的输出得到，调制波的幅值由无功环的输出取得。因此，可得调制后的、、的表达式为：三相调制波再经过PWM调制得到开关管的驱动信号，可得桥壁中点电压。完成了整个控制过程。3.3PQ控制仿真分析为了验证本文提出的储能并网系统模型以及控制的效果，根据本文提出的储能并网拓扑结构，在psim数字仿真平台搭建仿真，如图所示，仿真模型中的相关参数，详见下表：参数物理含义参数取值有功功率设定值200kW无功功率设定值0直流母线电压750V直流母线并联电容200F系统频率50Hz滤波器电感0.6mH滤波器电容100电感电阻0.05仿真中，采取PQ控制策略，控制其并网的有功和无功。通过设置系统所需的有功和无功数值，可以跟踪监测实际输出的有功和无功的数值，检验功率跟踪效果及控制的稳定性，同时观察输出的电压波形是否达到并网所需的波形效果，从而判断本文提出的储能并网逆变器模型及控制策略是否正确有效。设置的仿真步长为1，仿真时间为2s。上图为储能系统输出有功功率的跟踪曲线图，从图中可以看出，在运行初始，输出的有功功率在上升过程中有小幅超调现象，但时间很短，到约0.15s开始稳定，系统运行进入稳定状态，输出的有功功率稳定在200kW。响应较快，调节效果良好。经PI调节，在运行0.2s时，dq轴的电压稳态误差为零。上图为经逆变器、滤波电路的交流侧电压波形、电流波形，谐波含量少，对电网污染小。综上所述，本章所采用的储能并网逆变器的模型及对逆变器的控制方法是合理有效的，可以输出效果良好的波形，并且可以实现恒功率控制。3.4本章小结本章研究了储能并网逆变器的多种控制方法。分析了目前所采用较多的对于并网逆变器的控制方法：PQ控制、vf控制、下垂控制、VSG技术。通过比较分析各种控制方法的基本原理和适用范围，确定在本文对储能并网逆变器的控制中采用PQ控制的控制方法。然后具体论述PQ控制的基本原理和数学模型以及技术的基本原理和数学模型。最后在psim数字仿真平台搭建PQ控制的仿真模型，进行仿真分析，得到良好的并网电压电流波形以及稳定的有功功率输出，该拓扑结构与控制方法确实可行。结论与建议结论新能源与储能技术的研究逐渐深入，大规模新能源并入电网，储能电池也广泛应用于电力系统中，日臻成熟的储能技术在发电、输电、配电、用电等方面都可发挥其作用。规模化储能电站并网仍然存在许多问题。因此，研究储能逆变器建模及控制策略具有现实意义。本文首先介绍储能技术的分类及特点，阐述了储能电站的结构以及在电力系统中发挥的作用，