芯耀
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在此研制了一款500kW 大功率储能功率变换系统(PCS) 。给出PCS 的硬件系统结构，介绍控制系统硬 件、主电路拓扑、三相逆变桥构成和辅助电源供电。在PCS 三相逆变电路数学模型基础上，提出一种定频直接 功率控制策略，在两相静止坐标下实现有功和无功功率的瞬时控制。制作实验样机并搭建全控整流平台模拟 电池，样机具有较高功率密度，对研制样机进行实验分析，验证所研制PCS 的性能。
光伏、风电等新能源发电具有间歇性、随机性 的不可控特点，对电网电能质量和稳定运行带来 负面影响，造成弃风弃光现象严重。为减少新能源 发电对电网的冲击、充分发挥新能源发电的经济性，需接入储能系统以实现削峰填谷、平抑新能源 发电上网功率的波动1 - 2]。
PCS 是储能系统与电网的电力电子接口，其 性能和成本直接决定储能系统的竞争力³。储能 系统多采用锂离子电池，以集装箱式装配，随着锂 电池成本下降、功率密度上升，单台储能集装箱系 统储能容量越来越大，PCS 的单机功率也不断提 升。PCS传统功率控制是由电流环间接实现对有 功，无功功率进行闭环控制，需电流解耦，控制复 杂。直接功率控制无需电流解耦，能实现对PCS 输出有功 、 无功功率的瞬时直接控制 ， 控制简单 、性能优良。在此研制了一台500kW大功率PCS, 采用两相静止坐标系下的定频直接功率控制。
硬件系统构成
图中，U 为直流侧电压；C₁ 为母线电容；L,C 为滤波电感、电容；lab为逆变器三相输出电流；iace为三相滤波电感电流；eace为三相电网电压。控制系统由DSP芯片TMS320F28335和CPLD芯片EPM240T100C5 构成，CPLD 除辅助DSP芯片对输入输出的数字信号进行逻辑控制外，还虚拟成外设 RAM 扩大控制系统的存储空间。为实现大功率 输出，逆变桥采用半桥模块FF1400R12IP4,如 图 2 所示，两个FF1400R12IP4并联组成一个半桥桥 臂，由2QD30A17K-I 驱动核构成驱动模块，对同 一桥臂的两个IGBT半桥模块采用同一信号进行 驱动，通过NTC 检测对IGBT 模块工作温度进行 监控。同一半桥的两个模块安装在同一块散热器 上，保证模块温度接近，能够根据模块正温度系数 实现模块间自动均流。
控制系统辅助电源采用交流电网e 和直流电源 U. 的双供电模式以保证控制系统的供电可 靠性。为减少蓄电池的使用以降低储能系统度电 成本、并提高供电电源的效率，优先使用eae 给辅助电源供电。
直接功率并网控制
在此采用两相静止坐标系下的直接功率并网控制策略实现 PCS 有功与无功的瞬时功率直接控 制。根据图1,忽略馈线阻抗，可得 PCS 在三相静止坐标系下的数学模型：
根据以上分析，所提直接功率控制系统框图如图3所示。
实验分析
根据以上分析，这里研制了一台额定功率为500kW 的 PCS 样机，输出三相交流电压为315V, 直流输入电压为480~820V,外形尺寸为1200 mmx 1982 mm×870 mm,实现PCS的高功率密度。
为验证所提控制策略，搭建如图4所示的实验系统，通过AC/DC全控整流平台得到直流源作 为PCS 直流输入，PCS 和整流平台共用一个电网 接口，电网供电仅需满足 PCS 和整流平台的损 耗，降低了实验系统对交流配电容量的要求。
如图5所示，AC/DC 全控整流平台通过对Ud的稳压控制实现对电池的模拟，并对PCS输出的无功功率进行补偿以降低配电需求，uc为电容C₂的端电压，Udae 为直流给定参考电压，ed为整流平台并网电压的d,q轴分量，e₁₅=0,Ea 为电压幅值，w 为电网角频率，Q 为公共并网点的并网无功功率，i为整流平台输出电流的d,q轴分量，GR(s),Gp₂(s),Gp₃(s)为PI 调节器。图6为有功功率给定 值为-295kW、无功功率给定值为-320 kvar 时PCS的并网实验波形，图6可验证所提控制策略具有 良好的稳态性能。
图 7 为 PCS 并网功率跳变下的实验波形。由 图7可得，并网电流能实现平稳跳变，验证所提 控制策略具有良好的动态性能。
结 论
这里给出了大功率储能 PCS 的硬件系统结构，详细介绍了控制系统、主电路拓扑、三相逆 变桥构成和控制系统辅助电源的工作原理。采用 两相静止坐标系下的直接功率控制，实现了有功 功率和无功功率的直接控制。制作了高功率密度 500kW PCS 样机，搭建全控整流平台模拟电池进 行实验分析，实验结果证明了所提控制方法具有良好的稳态和动态性能。
