胡顺全 苏大汇 李强 陈早军

（新风光电子科技股份有限公司，山东省 济南市 250100）

Verification of Semiphysical Simulation Strategy for High Voltage Fed Energy System Based on RT-LAB

HU SHUNQUAN  SU DAHUI  LI QAING  CHEN ZAOJUN

 (WindSun Science & Technology Co.,Ltd, Jinan 250100, Shandong Province, China)

ABSTRACT: The cascaded H-bridge topology has advantages such as high efficiency, reliability, and modularity, and is widely used in fields such as high-voltage motor drive and high-power reactive power compensation. By integrating the energy storage battery pack into the cascaded H-bridge DC side to form a cascaded H-bridge energy storage system, it is possible to directly segment and control a large number of batteries. At the same time, with the topology of the cascaded H-bridge, a large number of batteries are only connected in series without parallel, fundamentally solving the circulation problem. Due to the cascaded H-bridge technology and the addition of batteries, the cascaded H-bridge system is relatively complex, with high thresholds, development costs, and long cycles. In this paper, using MATLAB, RTLAB simulation machines, and DSP control systems, a semi physical simulation platform for high-voltage level energy storage is proposed, which can achieve fast algorithm verification and reduce overall development time; On the other hand, it provides the possibility for subsequent semi physical testing.

KEY WORDS: high-voltage transformerless; semi physical simulation; battery energy storage system

摘要：级联H桥拓扑具有高效、可靠、模块化等优点，广泛应用于高压电机驱动及大功率无功功率补偿等领域。将储能电池组并入到级联H桥直流侧，形成级联H桥储能系统，则可以实现直接对巨量电池进行分割管控，同时借助于级联H桥的拓扑结构，大量的电池只进行串联无并联，从根本上解决了环流问题。由于级联H桥技术以及电池的加入导致级联H桥系统较为复杂，门槛高、开发成本和周期长，本文借助MATLAB、RTLAB仿真机和DSP控制系统，提出了一种高压级联储能的半实物仿真平台，可以实现算法的快速验证，减少整机开发时间；另外一方面为后续进行整个半实物测试提供了可能。

关键词：高压直挂；半实物仿真；电池储能系统

1  引言

储能系统具有储能系统具有多项关键功能，如平滑新能源发电输出、削峰填谷、调频调压等^[1]，是解决风光电源消纳问题的重要手段。随着新能源装机容量的不断提升，对储能系统的容量要求也日趋严格。电池储能电站已在全球范围内建成多个百兆瓦级别的示范工程^[1-2]，并逐步向吉瓦级别发展。由此可见，大容量的电池储能系统已经成为研究热点，具有极大的现实意义^[3]。

传统的三相三电平电力电子变换器作为功率转换系统（(power conversion system，PCS）。电池堆系统通过单个电芯的大量的串并联来提高电压等级和容量。一方面电池簇的大量并联带来了环流问题；另一方面该类拓扑的功率也一般限制在2MW以下^[4]，多是通过多级并联的方式来扩容，这种方法存在着控制系统复杂、稳定性等问题，且系统的响应速度也有较大延迟。

采用多电平变换器可以将海量的电芯分隔到不同的功率子模块中进行分割管控。级联H桥变换在高压级联无功补偿装置中已经被广泛利用，而在储能系统作为功率变换系统仍占少数。级联H桥通过功率子模块的级联实现电压等级的提升和容量的扩充，其拓扑从根本上避免了大量电芯的直接并联，单簇控制的方式从根本上实现了无环流^[5]。

目前针对市场上的各种电芯，35kV级联储能系统一般最小容量需大于15MW，若直接搭建系统进行验证其所需的时间和费用也会较大，因此如何实现一种对控制算法更高效、简洁的验证，半实物仿真则是一种较为优异的方法，其在闭环的控制试验中加入硬件环节，相较于全数字仿真更加接近于现实，更能够体现处控制器的性能，结果更加可靠且真实；相比真实的试验环境也更加的具有可控性和安全性。

加拿大OPAL-RT公司开发的RT-LAB仿真软件可以实现将离线模型转化为在线模型^[6-7]，它具有很高的兼容性和实时性，可以快速灵活的处理复杂的仿真和控制问题，不论是在测试、执行和控制模型方面，还是在半实物实时仿真方面^[8-10]。

本文针对高压级联储能系统展开研究，通过理论建模和参数设计，在MATLAB/Simulink中搭建35kV/30MW的仿真模型进行验证，同时借助于OPAL-RT公司的OP5700仿真机，搭建半实物仿真系统，实现对变换器控制器算法的验证。

2  级联H桥储能变换器控制策略

2.1 级联H桥变换器主电路拓扑

图1 为级联H桥储能变换器的主电路拓扑，三相之间采用星型连接方式，其中每相有N个模块，每个模块参数相同并串联在一起，在每个H桥模块的直流侧接入了储能电池。图中u_sa、u_sb和u_sc为三相电网电压，L为并网滤波电抗，R为滤波电抗和线路的等效电阻，i_sa、i_sb和i_sc分别为三相输出电流，u_ia、u_ib和u_ic分别为三相输出电压。

图1  级联H桥储能变换器

当每相有N个模块时，储能系统单相的输出电压为：

   （1）

由基尔霍夫电压定律可以得到级联H桥储能变换器网侧的电压电流关系如下式所示：

   （2）

2.2 级联H桥储能系统调制策略

空间矢量调制和载波相移调制是级联型多电平变换器中应用最广泛的两种调制策略。其中载波移相调制技术控制方法简便，性能优越，运行可靠，能在系统开关频率较低的前提下输出较高的开关频率，更适用于模块化系统控制。本文采用单极倍频载波移相调制策略，单极倍频载波移相调制策略的原理结合图2所示的一个H桥子模块进行说明，其调制原理如图3所示，调制波与载波比较，若调制波大于载波，S1通S2断，反之S2通S1断；再用同一调制波与反向的载波比较，若调制波大于载波，S4通S3断，反之S3通S4断。

图2 单个H桥模块的拓扑

图3 单极性倍频载波移相调制工作原理

2.3 级联H桥并网控制策略

 级联H桥储能变换器具有削峰填谷、调频调压，平滑波动等多种功能，这些功能的实现需要对储能变换器有功功率以及无功功率控制。级联H桥储能变换器的并网功率控制常用的方法有电流分相独立控制策略和功率解耦控制策略，其中功率解耦控制策略可以实现对级联H桥储能变换器输出功率的快速精准控制，因此本文选用功率解耦控制策略实现级联H桥储能变换器的并网。

 级联H桥储能变换器简化电路如下图所示：

图4 级联H桥储能变换器简化电路

级联H桥储能系统在三相静止坐标系（a，b，c）下得数学模型为：

   （3）

其中u_NO为中性点对地电压。

 又因为系统是三相对称得，所以：

   （4）

由上式（3）、（4）可得：

   （5）

为了方便分析，将式（3）进行坐标变换到两相旋转坐标系下得到式（4）：

   （6）

   （7）

式（7）分析起来较为复杂，为了方便分析，对该模型进行旋转变换，得到两相旋转坐标系下的表达式为：

  （8）

式中i_d、i_q、u_sd、u_sq、s_d、s_q分别表示dq坐标系下交流测电流、电网电压和开关函数状态量。式（8）中，i_d、i_q受到耦合电压wLi_d、wLi_q的影响，所以无法对其进行独立控制，需要对其进行解耦，以实现有功无功的独立控制。dq轴电流环采用PI控制，交流侧输出电压可又式（9）表示：

   （9）

其中，、为给定的有功电流和无功电流指令，K_p和K_I为电流控制环的比例系数和积分时间常数，从式中可以看出，i_d、i_q不在受到耦合电压的影响，可以分别对其进行控制。

 基于瞬时功率理论，在dq坐标系下，瞬时有功功率和无功功率满足下式：

   （10）

通过以上分析，可以得出级联H桥储能的并网控制框图，如图5所示：

图5 级联H桥储能并网控制框图

储能变换器在工作时，由上级给出所需的有功给定和无功给定大小，从而得到所需的电流大小，将电网电压和输出电流变换到两相旋转坐标系下得到u_sd、u_sq和i_d、i_q。经过解耦控制得到两相旋转坐标系下的调制信号，变换得到三相静止坐标系下得到三相输出电压的调制信号，经过单极倍频载波移相调制实现并网控制。

2.4 仿真分析

为了全面分析系统的性能，验证上述控制策略，首先在MATLAB/Simulink中建立了10kV的级联H桥储能系统变换器的仿真模型，仿真参数如下表所示：

表1 级联H桥储能仿真参数

2.4.1稳态性能仿真分析

 仿真条件：级联H桥储能变换器处于并网状态，给定充电功率为3MW，无功功率0MVar，观察系统运行情况。

 图6（a）为级联H桥储能变换器充电时的三相电流输出波形，输出电流为三相对称的正弦波，对输出电流进行FFT分析，其THD=1%，满足并网设备的谐波要求，图6（b）为A网侧电压和输出电流波形，可以看到此时电压电流同相位。

（a）充电时三相装置电流

（b）并网电流FFT分析

图6 级联H桥储能系统稳态电流

2.4.2动态性能仿真分析

 仿真条件：级联H桥储能变换器设置初始功率为0，0.3秒时设定有功功率为2MW，0.5秒设置有功功率为3MW，0.8秒设置有功功率为-3MW，观察系统的运行情况。

（a）装置三相电流波形

图7 级联H桥储能充放电转换图

 由上图可以看出当给定功率变化后，级联H桥储能系统可以快速响应，可在20ms内完成动态变化，且输出质量波形良好。

2.4.3高低电压穿越仿真分析

 高低电压穿越能力对于储能变流器也至关重要，但对于大容量的设备而言进行高低电压穿越的条件较为苛刻，因此一般而言，首先是进行仿真层面的开发验证，之后在进行整个系统的验证，而为了确保在整机开发顺利进行，借助半实物平台验证控制系统的性能可以起到极大的作用。

 图8 0.2pu三相低电压穿越

图9 0.2pu 两相低电压穿越图

2.5 RTLAB半实物仿真平台

上节在MATLAB/Simulink中对级联H桥的仿真模型和相应算法进行了验证，为了能够相应算法保证在储能系统整机上良好运行，借助RTLAB仿真机、DSP控制平台开发了级联H桥储能半实物系统，整个级联H桥储能的半实物平台结构如下图10所示：

图10 级联H桥储能系统半实物仿真平台示意图

 如示意图所示，左侧部分为RTLAB仿真机其主要作用模拟级联H桥储能系统主电路，主要是包括电网、级联H桥主电路拓扑、电池系统；其还可以输出网侧的电压、电流等模拟量信息。中间转接板为级联H桥模块控制器，其可以模拟每相32个单元并行传输，接收储能系统主控下发的相关信息并通过光纤传输到RTLAB仿真机，完成IGBT驱动信号的传输，同时可以接收H桥直流侧相关模拟量信息。右侧部分为级联H桥储能系统主控系统，主要是完成电压电流信号的采集，并网算法的执行和人机界面的通信交互等功能。

图11 OP5700仿真机

其中PCS主控芯片采用TI公司的TMS320F28377D型号处理器，完成级联H桥储能系统的并网控制算法。

 为了验证主控算法的正确性，按照与前文仿真的条件搭建仿真模型，按照相应情况设置级联H桥储能系统运行，观察相应的波形。

图12 满功率充放电转换电流波形图

 以上是分析了储能变流器在正常工作下的响应波形，储能变流器的高低电压穿越能力也至关重要，因此借助RTLAB半实物平台进行了高低电压穿越性能的测试。

图13 0.65pu三相低电压穿越

图14 0.65pu两相低电压穿越

图15 0.2pu三相低电压穿越

图16 0.2pu单相低电压穿越

 由以上储能变流器在高低电压穿越的相应波形可以看出，高压级联H桥储能系统可以满足当电网出现升高或是跌落时，按要求保证设备不脱网。

3 总结

 本文对高压级联H桥储能系统的数学模型、并网控制、半实物仿真验证展开了研究，得出如下结论：

 （1）级联H桥储能系统可以实现单机大容量并网运行，无变压器，并网电流波形质量高；

（2）通过RTLAB半实物仿真平台可以实现对控制器算法的验证，缩短开发周期，降低开发风险。

（3）半实物仿真平台的应用为后续级联H桥储能系统接入大电网进行场站进行半实物仿真提供了可能。

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作者简介：胡顺全(1976)，男，硕士研究生，正高级工程师，主要从事电力电子技术及储能方面的研究工作。

该文章得到“泰山产业领军人才工程资助”。