双向储能逆变器框图

双向PCS储能变流器（一）基于I型NPC三电平逆变器拓扑的单级式PCS MATLAB/Simulink仿真实现

       在电网系统中，电力负荷周期性变化，峰谷差大，为满足高峰负荷需求，电网公司需投资大量输配电设备，导致设备利用率低，整体负荷率下降。分布式发电和智能电网的大规模应用推动了储能技术的发展，储能系统可平抑可再生能源发电并网功率波动，缓解高峰负荷需求，起到“削峰填谷”作用，维持微电网功率平衡，改善电能质量，提高电网设备利用率，减少电网建设投资，降低运营成本。能量转换系统（PCS），即储能变流器，作为储能载体与电网的接口装置，起着能量双向交换的重要作用。

       PCS电路拓扑分为单级式和双级式两种。单级式PCS仅含有一个双向DC/AC变流器，电路拓扑结构和控制简单，效率较高，但储能单元容量选择不够灵活，电池需要串并联成高压大电流电池组后，才能接入直流母线。

       双级式PCS拓扑相对于单级式拓扑多了一个前级的双向DC/DC变流器。双级式电路拓扑结构直流侧接入电池电压范围较宽，电池组配置更加灵活，但由于多了一个双向DC/DC环节，结构和控制系统较复杂，系统效率降低。

       不管是单级式PCS还是双级式PCS，都需要双向DC/AC变流器。双向DC/AC变流器可以采用两电平或三电平变流器拓扑结构。相比于两电平变流器，三电平变流器具有以下优点：

       （1）桥臂上单个功率开关管承受的电压仅为直流母线电压的一半，降低了器件耐压等级的要求，从技术和经济方面都是可实现的，同时避免了器件串联时的动态均压问题，保证了系统的稳定性和可靠性；

       （2）在相同调制频率下，每个开关管的开关频率是两电平的一半，交流侧电流谐波含量低，直流电压纹波小，器件损耗和应力小，电磁干扰小，减小了旋转用电设备的振荡，提高了系统的性能。

       下文展示了一个50kW双向单级式PCS的MATLAB/Simulink仿真案例，主电路原理如下图，双向DC/AC变流器采用I型二极管中点钳位(Neutral Point Clamped, NPC)三电平逆变器，实现DC/AC逆变并网和AC/DC整流能量双向流动的功能。

       三相电网电压3AC380V，频率50Hz，直流电压DC800V，储能变流器开关频率10kHz。AC/DC变换时负载功率50kW，DC/AC变换时并网功率P=50kW，Q=25kVar。

       电压外环采用PI控制器，PQ控制时计算dq电流参考值。电流内环采用PI控制器，dq电流解耦，电网电压前馈。采用三电平SVPWM空间矢量调制。含中点电位平衡控制。含锁相环（基于单同步旋转坐标系的锁相环SRF-PLL）。控制算法框图如下图。

       0-0.5s储能变流器工作在整流AC/DC模式，控制整流输出电压为DC800V，直流负载50kW，单位功率因数运行。0.5-1s储能变流器工作在逆变并网DC/AC模式，采用有功功率无功功率PQ控制，P为50kW，Q为25kVar。仿真结果如下。

       基于I型二极管中点钳位(Neutral Point Clamped, NPC)三电平逆变器的双向单级式PCS的MATLAB/Simulink仿真案例，实现了DC/AC逆变并网和AC/DC整流能量双向流动的功能，具备中点电位平衡功能，上电容电压与下电容电压稳态偏差在±5V以内，同时具有较低的电流畸变率，电流THD<1%。

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