電池儲能雙向變流系統(tǒng)控制方法的研究

袁 泉，曾國宏，金新民

（1.中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣東廣州 510600；2.國家能源主動配電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心（北京交通大學(xué)），北京 100044）

0 引言

在節(jié)能減排和積極推進(jìn)智能電網(wǎng)的大背景下，以風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電為代表的新能源發(fā)電技術(shù)越來越受到國家的重視，與之相關(guān)的大容量電池儲能技術(shù)也受到廣泛的關(guān)注[1-2]。大容量電池儲能系統(tǒng)可以應(yīng)用于新能源發(fā)電領(lǐng)域、微電網(wǎng)領(lǐng)域和應(yīng)急電源領(lǐng)域[3]。

電池儲能系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PCS:Power Con?version System），可以實現(xiàn)能量在電池與電網(wǎng)之間的雙向傳輸[4-7]。僅由單個PWM變流器構(gòu)成的傳統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)無法靈活配置儲能系統(tǒng)的容量，也無法分組管理電池簇。

本文作者研究了一種在電池側(cè)引入了雙向DC/DC變換器，從而可以靈活配置電池容量的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PCS）以及相應(yīng)的控制策略。對多電池組雙向變流系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了分析，特別是對于各個部分的控制策略以及相互間的協(xié)調(diào)策略進(jìn)行了重點(diǎn)研究，搭建了Maltab仿真模型。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，可以實現(xiàn)對多簇電池進(jìn)行充/放電控制，并且能實現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。

1 電池儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PCS）功率采用15個雙向DC/DC變換器（DC/DC）和1個雙向PWM并網(wǎng)變流器(DC/AC)并聯(lián)的形式，可以分別和15簇不同的電池組相連。其中將每3個雙向DC/DC變換器設(shè)計在1個DC/DC功率柜體中，構(gòu)成一個DC/DC模塊。如圖1所示。雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種，該項目的雙向DC/DC變換器選擇非隔離半橋型電路，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。由于采用多個雙向DC/DC變換器，電池簇之間可以實現(xiàn)單獨(dú)充放電，從而電池簇之間不會產(chǎn)生環(huán)流。同時使得電池工作電壓范圍得以擴(kuò)大。全橋型電壓型電路的雙向PWM變流器采用SVPWM算法，具有直流電壓利用率高，動態(tài)響應(yīng)快的特點(diǎn)。

圖1 電池儲能系統(tǒng)PCS結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Thesystemstructureof PCS

圖2 雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology structureof DC/DC

2 控制策略

電池儲能系統(tǒng)的控制策略主要有2個部分，分別是DC/DC控制策略和DC/AC控制策略，可以實現(xiàn)儲能系統(tǒng)不同的工作模式運(yùn)行，主要有恒流模式和恒壓模式兩種運(yùn)行方式。

2.1 DC/DC控制原理

雙向DC/DC變換器與電池簇相連接，按指令控制電池側(cè)的充/放電電流。

放電狀態(tài)下，雙向DC/DC變換器處于boost電路模式。在任意占空比D的情況下，電流iL的變化過程如圖3所示。

可以推出：

式中：I0-4為電流；T為開關(guān)時間；Ton為開關(guān)導(dǎo)通時間；D=Ton/T

由式（1）推出：

由式（3）可以看出，穩(wěn)態(tài)時占空比Dw只與電池側(cè)電壓Vb和中間直流側(cè)Vdc有關(guān)；從式（4）可以看出，電流的增量ΔI與占空比的增量ΔD有關(guān)；電流變化量可以通過式（5）來調(diào)整占空比的增量ΔD，從而實現(xiàn)控制電流的目的。

充電模式下，雙向DC/DC變換器處于buck電路模式。分析其電流變化過程，也可以得到與式（5）相同的結(jié)論。

圖3 放電狀態(tài)下電流變化示意圖Fig.3 Current changein dischargestate

3.2 恒流模式

恒流模式下雙向DC/DC變流器對電池組的充電/放電電流保持恒定不變，雙向PWM變流器以±1功率因數(shù)并網(wǎng)，處于整流/逆變狀態(tài)。雙向DC/DC變流器主要作用是按照指令電流對電池組進(jìn)行充電/放電。采用電流閉環(huán)控制，比較電感電流實際值iL與指令值iL*，產(chǎn)生誤差控制信號Δi，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，然后經(jīng)過上述公式計算出對應(yīng)的占空比，從而產(chǎn)生PWM脈沖信號，使實際電流跟蹤指令值。

雙向PWM變流器一般采用雙閉環(huán)控制，即采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的控制方法，維持中間直流側(cè)的電壓的恒定。

圖4 雙向DC/DC變換器電流環(huán)控制框圖Fig.4 Current loop control block blocks

3.3 穩(wěn)壓模式

穩(wěn)壓模式下，雙向PWM變流器以±1功率因數(shù)并網(wǎng)，處于整流/逆變狀態(tài)，控制整個電池儲能系統(tǒng)的輸出功率；雙向DC/DC變流器，根據(jù)雙向PWM變流器的輸入/輸出功率，對電池組進(jìn)行充電/放電，維持中間直流側(cè)的電壓的恒定，但是充/放電流不再保持恒定不變。

與恒流模式下相比，PWM變流器只有電流內(nèi)環(huán)?？刂瓶驁D如圖5所示。

圖5 雙向PWM變流器單環(huán)控制框圖Fig.5 Singleloop control block

雙向DC/DC變換器主要采用雙閉環(huán)控制，在恒流模式基礎(chǔ)上增加一個電壓外環(huán)。其策略為，先比較中間直流側(cè)電壓Vdc和指令電壓值Vdc*，從而得到指令電流iL*，再比較電感電流實際值與指令值，從而產(chǎn)生誤差控制信號Δi?？刂瓶驁D如圖6所示。

圖6 雙向DC/DC變換器雙閉環(huán)控制框圖Fig.6 Doubleclosed loop control of DC/DC

圖7 電池儲能雙向PCS仿真模型Fig.7 Thesystemsimulation diagram

4 仿真研究

為了驗證上述的控制策略，利用Matlab搭建了100 kW電池儲能系統(tǒng)雙向PCS的仿真模型，如圖7所示。其中包括5路DC/DC雙向變換器，1個雙向PWM整流器。電池組電壓Vbat=650 V，中間直流電壓Vdc=850 V，電網(wǎng)線電壓Vg=380 V，DC/DC開關(guān)頻率10 kHz，PWM整流器開關(guān)頻率3 kHz。

4.1 恒流模式

恒流模式下，PCS以100 kW功率向電網(wǎng)放電，PWM整流器處于逆變狀態(tài)，單組DC/DC雙向變流器功率20 kW，電池組電壓650 V，放電電流指令值31 A。仿真波形如圖8所示。其中，電網(wǎng)側(cè)電流以流出電網(wǎng)為參考正方向。從波形可以看出，放電電流Ib很好地跟蹤了放電電流指令，保持在31 A附近，中間直流電壓穩(wěn)定在850 V。電網(wǎng)側(cè)A相功率因數(shù)接近-1。

同理，令PCS以100 kW功率向電池充電，充電狀態(tài)的仿真波形如圖9所示。從波形可以看出，充電電流Ib很好地跟蹤了放電電流指令，保持在31 A附近，中間直流電壓穩(wěn)定在850 V。電網(wǎng)側(cè)A相功率因數(shù)接近1。

4.2 穩(wěn)壓模式

穩(wěn)壓模式下，PCS以100 kW功率向電網(wǎng)放電，PWM整流器處于逆變狀態(tài)，單組DC/DC雙向變流器功率20 kW，中間直流電壓給定值850 V，此時放電電流大約31 A。仿真波形如圖10所示。從仿真波形可以的看出，電網(wǎng)側(cè)A相功率因數(shù)接近-1，中間直流電壓穩(wěn)定在850 V左右。放電電流Ib很好的維持在30 A附近。PCS處于充電狀態(tài)時，仿真波形與此類似。

5 實驗

研制了一臺電池儲能雙向變流系統(tǒng)樣機(jī)，容量為100 kW，包括1個與電網(wǎng)相連的雙向PWM變流器，5個DC/DC模塊，一共15路DC/DC變換器分別與電池簇相連。采用單體額定3.2 V的磷酸亞鐵鋰電池，中間直流側(cè)的電壓為Vdc=850 V，電網(wǎng)側(cè)線電壓有效值Vg=380 V；DC/DC變換器開關(guān)頻率為10 kHz，PWM變流器開關(guān)頻率為3 kHz。

圖8 恒流模式放電波形Fig.8 Dischargewaveform

圖10 穩(wěn)壓模式放電波形Fig.10 Dischargewaveform

電池簇放電波形如圖11所示，指令電流為15A，以流出電池方向為正參考方向。從圖11以看出放電電流為15A，電流紋波很小，較好地跟蹤了指令電流。

并網(wǎng)波形如圖12所示，其中電流以流向電網(wǎng)為正方向。圖12(a)為電池放電時的波形，可以看出直流電壓穩(wěn)定在850 V，電流和電壓兩者的相位相同，功率因數(shù)接近+1。圖12(b)為電池充電時的波形，可以看出直流電壓穩(wěn)定在850 V，電流和電壓兩者的相位相反，功率因數(shù)接近-1。

圖9 恒流模式充電波形Fig.9 Chargewaveform

圖11 恒流放電實驗波形Fig.11 Dischargeexperimental waveform

圖12 并網(wǎng)實驗波形Fig.12 Waveformof grid-connectingexperiments

5 結(jié)論

對于電池儲能系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了分析，研究了一種由多個DC/DC模塊和DC/AC模塊構(gòu)成的多電池組雙向變流系統(tǒng)的相互協(xié)調(diào)控制策略。搭建了Maltab仿真模型，提出了恒流控制和穩(wěn)壓控制兩種控制方法，仿真驗證了控制策略的有效性。搭建了的試驗樣機(jī)表明，該控制方法能對多簇電池進(jìn)行充/放電控制，其功率因數(shù)很高，運(yùn)行可靠，為其他多電池組雙向變流的設(shè)計提供了一種可行的參考方案。