分布式微储能系统：拓扑结构、控制策略与功率接口

# 分布式微储能系统：拓扑结构、控制策略与功率接口 ## 1. 新型逆变器拓扑与多端口拓扑介绍 ### 1.1 单级升降压多电平逆变器拓扑 有一种来自单级升降压多电平逆变器家族的有趣拓扑，它结合了qZSI拓扑和三电平NPC拓扑。这种拓扑为相关的电力转换问题提供了一种替代解决方案。 ### 1.2 多端口拓扑 常见的功率转换器多为双端口转换器，具有连接能源源的输入端口和连接电网的输出端口。但存在多能源源的系统，其能量管理可通过两种功率转换器结构实现： - **中间功率总线方案**：多个能源源和输出通过独立控制的双端口转换器连接到中间功率总线。 - **单功率处理阶段多接口端口方案**：即多端口拓扑，具有高功率效率和功率密度、低成本以及控制简单等优点，适用于从不同能源源收集能量并结合储能的系统，或使用不同类型储能系统的场景，如家庭中的多个微储能系统。 部分多端口拓扑示例如下： | 拓扑类型 | 特点 | | --- | --- | | 无电气隔离的三端口拓扑 | 两个端口连接储能系统，第三个端口通过直流链路连接DC - AC转换器 | | 磁耦合三端口转换器 | 由三个全桥转换器通过高频三绕组变压器耦合而成，可通过选择变压器绕组的合适匝数轻松匹配不同端口电压水平 | ## 2. 储能设备能量管理系统的控制策略 ### 2.1 控制策略概述 对于智能社区家庭中的微储能设备能量管理系统（ESMS），控制策略旨在根据预期需求和生产，满足智能社区能量管理系统（SCEMS）提供的关于储能系统（ESS）充放电的有功功率设定点。同时，利用储能设备还可减少因无功功率消耗导致的能量损失，提高社区整体效率，SCEMS负责发送无功功率设定点以补偿社区无功功率、提高整体功率因数或参与电压控制。此外，双向充电器可用于改善局部电能质量，减少谐波电流畸变和三相系统中的不平衡比率。 ### 2.2 有功功率控制策略 - **工作模式**：分为电网到储能系统模式（G2ESS - P模式，ESS提取有功功率充电，设定点Pref < 0）和储能系统到电网模式（ESS2G - P模式，ESS向电网注入有功功率，设定点Pref > 0）。 - **控制策略**：采用正弦电流（SC）控制策略，使电网中需求或注入的电流与正序基波源电压同相，保证ESS以单位位移功率因数运行，且充电器电流无谐波含量和不平衡。 - **参考充电器电流计算**： - 参考充电器电流\(i_{ch;ref} = K \cdot u_{1}^{+}\)，其中\(u_{1}^{+}\)是正序基波源电压空间向量。 - 在0 - d - q坐标中，若d轴与正序基波源电压空间向量同相，\(u_{1}^{+} = \begin{bmatrix} 0 \\ u_{d1}^{+} \\ 0 \end{bmatrix}\)。 - 由广义瞬时无功功率理论可得瞬时有功功率\(p_{ch} = K(u_{d}u_{d1}^{+})\)，根据ESS输送的有功功率\(P_{ch}\)等于SCEMS提供的设定点\(P_{ref}\)，可得\(K = \frac{P_{ref}}{u_{d1}^{+2}}\)，则参考充电器电流在0 - d - q坐标中为\(\begin{bmatrix} i_{ch;ref0} \\ i_{ch;refd} \\ i_{ch;refq} \end{bmatrix} = \frac{P_{ref}}{u_{d1}^{+2}} \begin{bmatrix} 0 \\ u_{d1}^{+} \\ 0 \end{bmatrix}\)。 ### 2.3 无功功率控制策略 - **工作模式**：分为电网到储能系统吸收无功功率模式（G2ESS - Q模式，\(Q_{1ref} < 0\)）和储能系统向电网注入无功功率模式（ESS2G - Q模式，\(Q_{1ref} > 0\)）。 - **控制策略**：采用正交SC控制策略，保证电网中需求或注入的电流为正弦、平衡且与正序基波源电压正交，位移功率因数为零。 - **参考充电器电流计算**： - 参考充电器电流\(i_{ch;re