摘要:快速充电桩等大功率负荷的频繁投切使得高速公路服务区微电网安全稳定运行遭遇挑战，容易导致微电网母线电压和系统频率的大幅波动。针对这一问题，提出一种基于T型三电平储能变流器的高速公路服务区微电网系统及其控制策略。为了让所研究的储能变流器可以灵活适用于多种储能装置，提高储能变流器的通用性，研究了电压源型T型三电平储能变流器。分析T型三电平变流器开关管动作特性，基于基尔霍夫定律建立系统数学模型。设计微电网孤岛和并网运行两种模式下的控制策略，并基于无源控制理论，通过建立端口受控哈密尔顿模型、设定平衡点、求解能量匹配方程等步骤设计两个无源控制器以实现控制目标。在Matlab中搭建仿真模型，仿真试验结果表明，快速充电桩负荷投切时功率动态响应时间小于0.01s，系统频率抖动小于0.03Hz，母线电压波形非常平滑，无明显波动，微电网系统在并网和孤岛模式下都具有较高的稳定性。

　　关键词:微电网;T型三电平;储能变流器;无源控制

　　０引言

　　微电网是一种将分布式发电单元、储能设备、用电负荷、控制单元等结合起来的小型电力网络。储能设备可以通过高吞低吐平抑功率波动，进而保持微电网母线电压和系统频率的稳定。储能变流器是实现储能设备与微电网之间功率传输、能量交换的枢纽。因此，如何改进变流器结构、优化控制策略，是提高微电网在大功率负荷投切时稳定性的关键。

　　近年来，电动新能源汽车的快速普及推动了公路沿线快速充电站建设的高潮［１］。但在远离城镇的高速公路服务区，目前仍普遍面临供电线路太长、电源容量不足、供电成本较高等诸多问题。

　　在风光资源充足的地区，光电、风电等新能源可以作为供电电源的重要补充。微电网技术的发展，为解决新能源电力并网提供了解决方案［２］。通过引入储能单元［３］和控制单元，微电网可以解决风电、光电的波动性问题［４］，有力保障电网设备的安全稳定运行，成为风光资源充足的偏远地区解决供电问题的可行方案［５］。

　　在高速公路服务区微电网中，快速充电桩功率较大，单个快充端口的功率可达60kW甚至更高，并且快速充电桩负荷具有一定的间歇性、随机性”。储能装置可以通过高吞低吐来平抑微电网中功率的波动(”，实现快速充电桩等负荷与市电、新能源发电等电源之间功率的实时动态平衡，因而十分重要”。

　　在微电网储能系统中，变流器是实现储能系统和电网之间功率交换的枢纽，其运行性能直接影响微电网的安全稳定”。传统两电平三相桥式变流器可以实现功率的双向传输控制，但是其谐波电流较大、开关器件损耗较大”。为进一步改善微电网运行性能，本文研究基于T型三电平储能变流器的高速公路服务区微电网。

　　此外，储能变流器的控制策略也会直接影响微电网的运行性能。由于储能变流器具有非线性特征和强耦合特性"，传统的比例积分控制”存在动态响应和超调量之间的矛盾，难以实现很好的控制性能。无源控制是一种非线性控制策略，它基于控制系统能量流动即可控制系统状态变量的观点来设计控制器。文献[13]将无源控制应用在机械臂控制领域，文献[14]将无源控制应用在无人机领域，文献[15]将无源控制应用在汽轮机调速领域，都取得了较好的控制效果。变流器作为电能变换枢纽，自身没有内部电源，因而具有无源性"。通过控制注入变流器的能量即可使得变流器运行在期望状态[”。目前，也有一些无源控制在变流器控制领域的应用，文献[18]将无源控制应用于LCL型逆变器，文献[19]将无源控制应用直流变换器，文献[20]和文献[21]将无源控制应用于模块化多电平变流器，都取得了很好的控制性能。但是，针对日益增长的快速充电桩等大功率负荷，目前仍然缺少无源控制在高速公路服务区微电网控制中的研究，尤其是大功率频繁投切时微电网能否保持稳定的研究。

　　因此，本文以高速公路服务区微电网为研究对象，采用T型三电平拓扑结构的储能变流器，基于无源控制理论，设计微电网并网和孤岛两种运行模式下的控制策略，并通过仿真验证快速充电桩等大功率负荷投切时微电网电压和频率的稳定性。

　　1系统的结构

　　1.1主结构

　　高速公路服务区微电网如图1所示，包括新能源发电单元、充电站负荷、其他负荷、储能系统等。在高速公路服务区微电网中，当联络开关S1闭合，微电网运行在并网模式，储能装置可以平抑新能源发电单元的功率波动。当联络开关S1断开，微电网运行在孤岛模式，储能装置可以释放能量与新能源发电单元一起出力，维持微电网母线电压和系统频率的稳定，并保证服务区充电桩单元继续运行一段时间。

　　1.2 T型三电平变流器

　　在高速公路服务区微电网储能系统中，变流器是功率交换的核心枢纽。基于T型三电平拓扑结构的变流器(3LTC)，相比传统普通三相桥式变流器，具有更高的并网电流质量和更低的开关损耗。T型三电平变流器拓扑结构如图2所示。由图可知，T型三电平变流器每相桥臂由4个开关组成，三相共计12个开关管。T型三电平变流器左边与电网相连，右边提供一种通用电压源型接口与储能装置相连。

　　如图3所示，蓄电池储能、超级电容储能、超导磁储能等各种储能装置实质上都可以等效为一个电压源，可以连接于T型三电平变流器的直流侧。因此，基于T型三电平拓扑结构的电压源型储能变流器可以提供一个通用接口，既可以连接应用广泛的蓄电池储能，也可以连接超级电容储能或超导磁储能，对T型三电平变流器的研究具有广泛的应用价值。

　　2微电网控制策略

　　2.1控制框图

　　基于T型三电平储能变流器的高速公路服务区微电网，有并网和孤岛两种运行模式，其控制框图如图4所示。

　　2.2 T型三电平变流器数学模型

　　T型三电平变流器的拓扑结构如图2所示，其包含12个开关管。用S表示各开关管状态，其中m表示相，n表示序号。定义:

　　在每一相中，S„和S„互补导通，S„和S互补导通。为了防止某一相直接连通造成短路故障，S和S不允许同时导通。T型三电平变流器的各相开关及对应输出状态如表1所示，用S。表示m相开关的状态。

　　2.3控制器1的设计

　　微电网运行在并网模式时，T型三电平储能变流器应当能够根据系统需要，发出或吸收一定的功率，从而平抑电源和负载的功率波动，维持微电网功率的实时动态平衡。微电网并网运行时，由有功功率指令P、无功功率指令Q辶，得到dq坐标系下储能变流器靠母线侧并网电流参考指令、记，功率指令与电流指令的关系为:

　　2.4控制器2.3的设计

　　根据无源控制理论，系统的端口受控哈密尔顿模型［２２］为：

　　式中：ｘ为表示系统状态变量的矩阵；Ｊ（ｘ）为反映内部互联特性的内部结构矩阵;H(x)为描述系统能量的能量函数;g(x)为描述系统内外部互联特性的端口互联矩阵;u为表示系统输入量的矩阵;y为表示系统输出量的矩阵。

　　根据无源控制理论，首先按照式(8)所示建立系统的端口受控哈密尔顿模型，然后设定系统运行的平衡点，最后通过求解能量匹配方程可得系统的无源控制律。能量匹配方程为:

　　式中，J(x)、R。(x)、H(x)为向系统注人能量H。(x)后期望得到的内部结构矩阵、耗散矩阵和能量存储函数:J(x)、R,(x)为系统新增的内部结构矩阵、耗散矩阵。

　　3仿真分析

　　为验证所提控制策略的有效性，在MATLAB中搭建了如图1所示的高速公路服务区微电网，并进行仿真验证。仿真参数如表2所示。

　　仿真分析针对高速公路服务区微电网并网运行、孤岛运行、并网/孤岛模式切换等情况进行。高速公路服务区微电网设置4台快速充电桩负荷，每台快速充电桩负荷功率为60kW。在0~0.2s和0.3~0.5s时间内，微电网运行在并网模式，储能变流器按照有功指令和无功指令吞吐功率。其中，在0~0.1s时间段，模拟储能能装置吸收功率储存能量;在0.1~0.2s、0.3~0.4s、0.4~0.5s时间段，分别模拟储能装置提供2个、3个、4个快速充电桩的功率(120kW、180kW、240kW)。在0.2~0.3s时间内，微电网运行在孤岛模式，模拟由储能装置提供-台快速充电桩的功率(60kW)。

　　系统的功率响应如图5所示。由图可知，在并网和孤岛模式下，储能变流器都可以追踪功率指令，保障系统安全稳定运行。在0.2s时刻，微电网由并网转为孤岛运行，且有功功率需求由120kW变为60kW。在此微电网运行不利时刻，有功功率超调量仅为14kW，无功功率超调量80kW，仍在合理范围内，且仅经过约0.01s，储能变流器输出的功率即从120kW变为稳定的60kW。系统具有较快的动态调整速度、较小的功率响应超调量和稳定的稳态响应。

　　微电网系统的A相电压瞬时变化情况如图6所示。系统在0.2s时刻由并网模式转为孤岛运行模式，在0.2~0.3s时间内运行于孤岛模式。由图可以看到，采用本文的控制策略，A相电压波形非常平滑，没有畸变，在并网转孤岛瞬间(0.2s时刻)没有出现电压瞬时值的较大波动，在孤岛运行模式下没有出现电压的抖动(0.2~0.3s)。

　　微电网储能系统A相电流响应如图7所示。由图可知，电流能随着功率指令变化而迅速做出动态调整，满足系统运行的需要，且稳定后电流波形非常平滑没有明显畸变。

　　微电网系统的频率响应如图8所示，由图可知，在孤岛运行模式下(0.2~0.3s)，微电网系统频率波动很小，具有较高的频率质量。

　　4结束语

　　本文针对高速公路服务区微电网展开研究，研究了T型三电平储能变流器拓扑结构，并对T型三电平储能变流器进行数学建模。设计了高速公路服务区微电网控制孤岛和并网运行模式下的控制策略，并基于无源控制理论设计控制器以实现控制目标。在Matlab中搭建了高速公路服务区微电网仿真模型进行验证，结论如下。

　　(1)基于T型三电平拓扑的电压源型储能变流器，可以为蓄电池储能、超级电容储能、超导磁储能等提供通用接口，具有广泛应用价值，且输出电流波形平滑，电能质量较高。

　　(2)基于无源控制理论所设计的控制器可以实现对功率指令的追踪，具有较快的动态响应速度、较小的超调量和较高的稳态响应稳定性。

　　(3)所提控制策略可以实现高速公路服务区微电网并网和孤岛两种模式下的稳定运行，并在快速充电桩等大功率负荷投切时保持微电网母线电压和系统频率的稳定。

　　随着未来高速公路服务区微电网快速充电桩功率的不断提升，未来需要进一步提升高速公路服务区微电网储能装置性能，研究超导磁储能等功率型储能装置及其控制策略在高速公路服务区微电网中的应用。

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