【学术】智能型多台冗余储能变流器在削峰填谷能量补偿中的应用

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阳光电源股份有限公司研究人员江涛、余勇、曹伟，在2014年《电气技术》增刊上撰文，介绍了一种智能型多台冗余储能变流器削峰填谷补偿系统，阐述了智能型多台冗余储能变流器削峰填谷补偿原理。该系统在国内得到较广泛应用，总体运行情况良好，在削峰填谷补偿方面具有诸多的优越性能。

一、削峰填谷能量补偿功能

削峰填谷能量补偿属于电能质量调节技术领域。通过专门的控制器检测电网供电状态，当电网出现波峰扰动时，控制储能变流器通过整流对直流侧蓄能装置充电，将电能进行存储，当电网出现波谷扰动时，控制储能变流器将直流侧能量逆变为交流电并入电网，缓解电网的峰谷波动起到削峰填谷作用。

二、智能型多台冗余储能变流器削峰填谷补偿系统

智能型多台冗余储能变流器应用在削峰填谷能量补偿中，仅需要一台功率分配控制装置就可以实现协调控制多台冗余变流器进行削峰填谷补偿的功能。使其具有更灵活的工程现场应用，扩展了应用范围。同时多台协调控制可以提高补偿系统的可靠性和补偿效果。

智能型多台冗余储能变流器削峰填谷补偿装置由储能变流器、超级电容器阵列、功率分配控制装置和变压器组成。储能变流器是三相PWM变流器，可以实现能量的双向流动。通过PWM控制可以减小网侧的谐波分量。功率分配控制装置通过对电压电流采样计算后，负责协调分配控制命令给多台冗余的储能变流器。功率分配控制装置的核心控制器件是DSP28335芯片。超级电容阵列接在储能变流器的直流侧，交流侧经变压器接入电网。智能型多台冗余储能变流器削峰填谷补偿装置原理如图2。

三、智能型多台冗余储能变流器削峰填谷补偿原理

功率分配控制装置的采样电路将储能变流器交流输出侧电流I1、电网母线总电流I2和电网母线电压U采样后送到功率分配控制装置内部的DSP芯片通过坐标变换得到相应瞬时值UP、I1P、I2P。

功率分配控制装置内部的DSP28335芯片根据UP和I1P计算得到储能变流器输出侧有功功率值P11。功率分配控制装置内部的DSP芯片根据UP和I2P计算得到电网母线有功功率值P12。在功率分配控制装置内部的DSP程序中通过P12和P11做差得到负载功率P。

如果P大于设定的负载功率上限值，此时表示负载从电网瞬时吸收很大能量，导致电网会出现波谷跌落现象，功率分配控制装置内部的DSP芯片会通过CAN通信下发给每台储能变流器放电模式命令和放电功率值，使储能变流器补充负载瞬时吸收的能量，减少负载对电网的冲击，缓电网波谷扰动。

每台储能变流器的放电功率值就是P与设定的负载功率上限值的差值的平均值。如果P小于设定的负载功率下限值，此时表示负载往电网释放很大能量，导致电网会出现波峰现象，功率分配控制装置内部的DSP芯片会通过CAN通信下发给每台储能变流器充电模式命令和充电功率值，使储能变流器瞬时吸收掉引起电网波峰扰动的能量，减少负载对电网的冲击，起到平滑电网作用。

每台储能变流器充电功率值就是设定的负载功率下限值与P的差值的平均值。如果P在允许限值范围内，功率分配控制装置内部的DSP芯片会通过CAN通信下发给每台储能变流器待机模式命令。

四、智能型多台冗余储能变流器削峰填谷补偿在应用中发现的问题

智能型多台储能变流器削峰填谷补偿在国内现场得到较广泛应用，总体运行情况良好，在实际应用中发现还是会存在补偿深度不够的问题，具体如下：

在实际应用中发现，有时在需要系统提供削峰填谷补偿时，多台储能变流器虽然可以正常响应功率分配控制装置下发的补偿指令，但是由于变流器的直流能量存储已经不处于较饱和的补偿状态，所以在补偿过程中会出现部分变流器因为过冲或过放不能提供理想的能量补偿，导致实际的补偿达不到理想效果。

五、针对智能型多台冗余储能变流器削峰填谷补偿在应用中发现问题的改进

针对上述削峰填谷补偿在实际应用中出现的问题，在削峰填谷补偿控制中添加每台储能变流器直流电压的判断逻辑。

(1)电网正常时：

当功率分配控制装置内部的DSP芯片检测到超级电容器电压低于1.1倍的储能变流器的直流电压最低设定值时，功率分配控制装置会下发充电模式给储能变流器，当检测到超级电容器的电压值高于0.9倍的储能变流器的直流电压最高设定值时，功率分配控制装置会下发放电模式。保持所有的超级电容器均处于较饱满的能量存储状态，可以时时的进行能量补偿。

(2) 电网削峰填谷补偿时：

当负载从电网瞬时吸收很大能量，导致电网会出现波谷跌落现象，功率分配控制装置内部的DSP芯片会通过CAN通信下发给每台储能变流器放电模式命令和放电功率值，使储能变流器补充负载瞬时吸收的能量，减少负载对电网的冲击，缓电网波谷扰动。

每台储能变流器的放电功率值就是P与设定的负载功率上限值的差值的平均值。如果负载往电网释放很大能量，导致电网会出现波峰现象，功率分配控制装置内部的DSP芯片会通过CAN通信下发给每台储能变流器充电模式命令和充电功率值，使储能变流器瞬时吸收掉引起电网波峰扰动的能量，减少负载对电网的冲击。

同时储能变流器的采样电路会采样自己的直流侧超级电容器电压值，然后储能变流器通过CAN通信把采样的直流侧超级电容器电压值上传到功率分配控制装置内部的DSP芯片。

当功率分配控制装置内部的DSP芯片检测到某台储能变流器的超级电容器的电压值低于1.1倍的储能变流器的直流电压最低设定值时，如果功率分配控制装置对该储能变流器要下发的是放电模式命令或待机模式命令，那么放电模式命令或待机模式命令会被转换为充电模式命令再下发给储能变流器；如果功率分配控制装置要下发的是充电模式命令，那么充电模式还是可以正常下发给储能变流器。

当功率分配控制装置内部的DSP芯片检测到某台储能变流器的超级电容器的电压值高于0.9倍的储能变流器的直流电压最高设定值时，如果功率分配控制装置对该储能变流器要下发的是充电模式命令或待机模式命令，那么充电模式命令或待机模式命令会被转换为放电模式命令再下发给储能变流器，如果功率分配控制装置要下发的是放电模式命令，那么放电模式命令还是可以正常下发给储能变流器。

当功率分配控制装置内部的DSP芯片检测到某台储能变流器的超级电容器的电压值大于1.1倍的储能变流器的直流电压最低设定值并且小于0.9倍的储能变流器的直流电压最高设定值时，功率分配控制装置要下发的初始充放电模式命令或初始待机命令模式均可以正常下发给储能变流器。

前面之所以考虑超级电容器的电压值情况，目的是保证超级电容器维持在较饱满的蓄电状态，保证后面充放电补偿效果。

六、结论

智能型多台冗余储能变流器削峰填谷补偿具有以下优越性能：

(1)拓宽应用领域：协调控制多台储能变流器，使得整个补偿装置可以很灵活的搭配组合。较之以往的只对单台变流器控制模式，可以满足不同的应用系统，拓宽了应用领域。

(2)更经济，更可靠：因为是一台功率分配控制装置作为主机去协调控制多台冗余变流器，所以相比以往的控制器与变流器间一对一的单一控制可以降低成本。同时增强了控制的一致性和可靠性。

(3)补偿效果更理想：因为多台储能变流器进行削峰填谷补偿过程中可以通过协调控制保证每台超级电容具有较深度的补偿能力。这样就保证更理想的削峰填谷补偿效果。因为如果只通过一台变流器进行充/放电控制进行削峰填谷的补偿，假定在某一时刻正在给超级电容充电时，系统突然需要进行填谷补偿，此时要么等待充电完成再补偿，但是这样很容易错过补偿时机；要么是立刻转到填谷补偿，但此时由于充电尚未充分，补偿的效果也不会理想。但是，协调控制多台变流器就可以很好的避免上述问题。因为是多台共同提供能量补偿，可以大大提高补偿可靠性。