電池儲能接入系統(tǒng)拓撲及其控制策略

張紅艷， 張建坡

(1.風帆有限責任公司 徐水工業(yè)電池分公司，河北 保定 071003； 2.華北電力大學 電氣與電子工程學院， 河北 保定 071003)

0 引言

近年來伴隨著大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電在整個電網(wǎng)中所占比例的增加，其本身固有出力不穩(wěn)定特性對電力系統(tǒng)調峰以及安全運行的影響問題得到廣泛地關注。而儲能技術能夠應對風電、光伏發(fā)電的間歇性、波動性和隨機性等并網(wǎng)問題，提高能源利用效率，改善電網(wǎng)電能質量，是消除可再生能源大規(guī)模開發(fā)利用瓶頸的關鍵技術之一。同時儲能技術做為能量緩沖單元，也是智能電網(wǎng)的重要組成環(huán)節(jié)，涵蓋了電力系統(tǒng)中發(fā)電、輸電、變電、配電和終端用電5個階段，可有效降低功率波動對發(fā)電機調頻影響，同時也能在一定程度上提高現(xiàn)有配用電設備的利用率、降低運行成本[1～5]。 當前蓄電池儲能技術在能量管理，能量密度方面都有了長足的發(fā)展，已經(jīng)成為組建大容量儲能系統(tǒng)的一種可行方案。然而受蓄電池單體電壓、容量較低限制，儲能單元之間不得不進行串并聯(lián)聯(lián)接，以提升電壓構建大容量儲能系統(tǒng)。而受蓄電池單元參數(shù)差異的影響，各儲能單元串聯(lián)時，某些蓄電池單元電壓在充放電過程中可能過低或過高，從而導致過度充電和放電的后果，影響整個蓄電池儲能系統(tǒng)的可靠性[6,7]。電網(wǎng)接入系統(tǒng)(Power Conversion System, PCS)做為電池儲能系統(tǒng)的重要組成環(huán)節(jié)，主要負責交流電網(wǎng)與儲能電池之間交、直流電能變換與雙向能量傳送功能[8]，其拓撲結構和控制性能的好壞直接關系到儲能系統(tǒng)可靠高效運行，因此開展PCS研究具有重要的實際意義。文獻[9]從PCS拓撲單元入手，歸納總結了兩種PCS的優(yōu)缺點，分析了運行特性。文獻[7]則分析了可再生能源發(fā)電PCS系統(tǒng)中涉及的電池配置、功率調節(jié)和系統(tǒng)集成問題。文獻[10,11]提出一種基于公共直流母線的鏈式電池儲能系統(tǒng)，借助多組移相全橋DC/DC 變流器替代工頻變壓器，實現(xiàn)與公共直流母線的連接。文獻[12] 針對微網(wǎng)孤島運行中，由于儲能逆變器帶非線性負載時電流波動較大問題，提出了基于支持向量機的復合逆控制策略，以提高系統(tǒng)控制性能。文獻[13]為實現(xiàn)鋰離子電池儲能系統(tǒng)的有效能量管控，對由大量鋰離子電池組成的儲能系統(tǒng)結構進行研究，提出了分組、分層次、自治的設計方法，并針對電池儲能系統(tǒng)提出了一種基于電池荷電狀態(tài)的充電管理策略，以提高充電效率，延長使用壽命。上述研究成果為PCS拓撲及控制的研究工作提供了一定的借鑒意義。

在分析總結電池儲能接入系統(tǒng)拓撲結構特點基礎上，首先針對具有雙向能量控制的全H橋鏈式物理拓撲，建立其數(shù)學模型；然后從能量平衡角度出發(fā)，在兩相同步旋轉坐標系下采用雙閉環(huán)矢量控制，以比例積分控制器作為功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制器，實現(xiàn)有功、無功功率的調節(jié)控制；同時利用水平控制實現(xiàn)三相橋臂之間的能量平衡，通過垂直控制實現(xiàn)橋臂內(nèi)儲能單元間能量平衡；最后在PSCAD下搭建仿真模型，對其拓撲及其控制有效性進行仿真驗證。

1 PCS物理模型和數(shù)學模型研究

圖1是兩種類型PCS拓撲。圖1(a)具有控制簡單運行可靠優(yōu)點，對于小容量儲能系統(tǒng)，可以直接采取該類變流器拓撲直接并網(wǎng)。而當電池儲能系統(tǒng)應用在負荷中心配電網(wǎng)時，其容量要求往往在MW級以上，從而首先需要大量儲能電池單元串并聯(lián)，然后再利用PCS接入系統(tǒng)。如果仍然采取上述拓撲，受電池組端電壓限制，無法直接接入中壓電網(wǎng)而需要升壓措施。

圖1 PCS 拓撲圖

近年來，電壓源型多電平變流技術得到不斷推廣和應用。模塊化多電平變流器作為多電平變流器拓撲之一，通過子模塊級聯(lián)能夠實現(xiàn)任意電壓電平輸出，總諧波畸變較低。同時不僅有效避免了功率器件直接串聯(lián)帶來動態(tài)均壓問題，還可以通過低電壓子模塊的級聯(lián)達到較高電壓等級的能量轉換，避免利用變壓器升壓，從而在體積、占地及成本上具有明顯優(yōu)勢，且擴展性好，因此在新能源并網(wǎng)、中壓大功率交流調速、電力系統(tǒng)靜止無功補償、統(tǒng)一電能質量控制器等領域得到了廣泛的應用和研究[14～16]。圖1(b)所示為蓄電池采用鏈式模塊化多電平變流器PCS拓撲之一，每一相均采用多個H 橋儲能單元級聯(lián)結構。

根據(jù)圖1(b)所示電壓電流參考方向，可得到PCS三相靜止坐標系下電壓電流方程如式(1)所示。

(1)

ia+ib+ic=0

(2)

式中：usa，usb，usc為換流器接入電網(wǎng)交流電壓；ua，ub，uc為換流器側交流電壓；ia，ib，ic為交流電流。

根據(jù)瞬時無功功率理論，A B C三相靜止坐標系下，交流電網(wǎng)向儲能系統(tǒng)輸送有功功率和無功功率為式(3)所示。

(3)

為提高控制性能和簡化控制器設計，對式(1)(3)進行Park變換，可轉換為式(4)(5)所示dq同步旋轉坐標下數(shù)學模型。其中下標dq分別代表同步旋轉坐標系下電壓、電流dq兩軸分量。

(4)

(5)

2 PCS控制策略研究

2.1 附加控制研究

附加控制主要實現(xiàn)三相儲能單元內(nèi)部的能量均衡控制。理論上在三相對稱工況下，功率控制可以實現(xiàn)系統(tǒng)正常運行。大容量儲能系統(tǒng)包含大量的蓄電池單元，而這些單元之間又存在串并聯(lián)關系。受電路參數(shù)和電池單元充放電影響，三相橋臂間以及單相橋臂內(nèi)部存在著能量不平衡情況，導致某些蓄電池單元電壓可能過高或過低，降低整個蓄電池儲能系統(tǒng)的可靠性[17]。目前主要是通過對蓄電池BSOC檢測控制實現(xiàn)，電池BSOC定義如式(6)所示。

(6)

如果三相橋臂蓄電池BSOC等于三相橋臂總BSOC平均值，則能夠保證橋臂之間不存在能量水平流動。為了實現(xiàn)控制目標，定義系統(tǒng)單相和三相BSOC平均值分別如式(7)(8)所示。

(7)

BSOC_Avg=(BA_SOC_Avg+BB_SOC_Avg+BC_SOC_Avg)/3

(8)

借鑒文獻[16]，設計水平能量控制邏輯如圖2所示，輸出控制均衡電壓uAvg_ref。

圖2 水平能量控制

橋臂內(nèi)儲能單元均衡可以借鑒橋臂間均衡控制原理，保證每一個蓄電池單元SOC等于本相橋臂儲能單元SOC平均值，則可以實現(xiàn)橋臂內(nèi)單元均衡。電阻耗能作為均衡各電池單元電壓的一種技術手段，雖然成本低，但也存在損耗大，均衡速度慢，靈活性差的弊端[17,18]。而改進式蓄電池單元電壓均衡通過控制電容、電感儲能元件與各電池單元間的能量交換，改變各蓄電池單體能量以實現(xiàn)均壓。考慮到電容作為儲能元件具有結構簡單優(yōu)點，因此通過控制電容電壓間接實現(xiàn)單體之間均衡。

圖3是蓄電池工作于不同狀態(tài)時的電路示意圖。圖3(a)(b)是電池處于旁路狀態(tài)，蓄電池能量保持不變；圖3(c)是蓄電池充電狀態(tài)，而3(d)是處于放電狀態(tài)。通過觸發(fā)邏輯調整充放電時間也可實現(xiàn)蓄電池能量的微調。為了實現(xiàn)上述控制目標，采用文獻[19,20]所提通用均衡方法，為每一個儲能單元配置一個比例控制器，產(chǎn)生相應的微調參考波調整各個單體的充放電時間實現(xiàn)蓄電池單體之間的能量均衡。

圖3 蓄電池單元工作邏輯示意圖

2.2 主控制策略研究

主控制策略主要實現(xiàn)變流器與交流系統(tǒng)或負載之間有功和無功功率的調節(jié)控制。直接電流控制又稱為矢量控制，是當前大功率變流器廣泛采用的控制方式，這種控制方式由電壓(功率)外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制兩部分構成。由于為雙閉環(huán)控制，具有控制精度高，電流響應速度快和很好的內(nèi)在限流功能。因此本文采用直接電流控制，外環(huán)和內(nèi)環(huán)控制器為能夠無差跟蹤直流信號的比例積分控制器。

首先將電感電壓電流關系利用比例積分來表示。

為實現(xiàn)對變流器輸出電壓調節(jié)，將電感電壓代人式(4)，則變流器期望輸出電壓為(9)。

(9)

控制如圖4所示，其中ua_ref、ub_ref和uc_ref為變流器三相參考波信號。

圖4 雙閉環(huán)控制

3 仿真分析

為了對PCS系統(tǒng)有效性進行驗證，搭建了如圖5所示仿真模型對PCS有功調節(jié)和無功功率調節(jié)特性進行了仿真驗證。交流系統(tǒng)電壓為10 kV，全橋子模塊數(shù)量為10個，儲能電池等效為受控電壓源。圖5中Pac、Qac為交流系統(tǒng)與負荷和儲能系統(tǒng)間交換的有功和無功功率；PB、QB為儲能系統(tǒng)和交流系統(tǒng)間交換的有功和無功功率；PL、QL為負荷吸收的有功和無功功率。

圖5 仿真拓撲圖

3.1 有功調節(jié)仿真分析

首先仿真負荷增加工況。開始時電網(wǎng)提供有功功率和系統(tǒng)中負荷消耗有功功率處于平衡狀態(tài)，為20 MW。在0.5 s時有5 WM有功負荷接入系統(tǒng)，此時為保證交流系統(tǒng)輸出有功功率不變，PCS系統(tǒng)運行在逆變狀態(tài)，輸出5 MW有功功率。

然后對負荷減少工況進行仿真，在0.5 s時有5 MW的有功負荷退出系統(tǒng)，此時PCS系統(tǒng)將工作于整流狀態(tài)，吸收交流系統(tǒng)額外有功功率，對蓄電池充電，維持有功平衡。仿真波形如圖6所示(負值代表發(fā)出功率)，從中可以看出PCS能夠響應系統(tǒng)有功功率變化，輸出或吸收電源和負載之間的能量差，保證電源輸出有功功率的恒定，消除負荷功率波動的影響。

圖6 有功調節(jié)仿真圖

3.2 無功調節(jié)仿真特性

為驗證PCS系統(tǒng)對無功功率的調節(jié)特性，主要實現(xiàn)交流電網(wǎng)單位功率因數(shù)運行工況，在此過程中有功負荷保持恒定。首先驗證對容性無功的調節(jié)能力，開始系統(tǒng)有5 Mvar容性無功，在0.5 s時變流器發(fā)出5 Mvar無功，此時交流電網(wǎng)輸出無功為零。然后驗證對感性無功的調節(jié)能力，交流系統(tǒng)輸出5 Mvar感性無功，同樣在1 s時變流器發(fā)出5 Mvar的感性無功。從圖7可以看出，PCS能夠滿足無功功率的調節(jié)要求，維持了無功功率的平衡，實現(xiàn)了電網(wǎng)單位功率因數(shù)運行。

圖7 無功調節(jié)仿真圖

4 結論

論文以電池儲能接入系統(tǒng)拓撲和控制策略為研究對象，采用了具有電壓等級、容量擴展容易、輸出電流諧波含量低的模塊化多電平級聯(lián)結構星型聯(lián)接作為PCS拓撲。針對儲能系統(tǒng)和交流電網(wǎng)之間的有功和無功功率調節(jié)，在同步旋轉坐標系下設計實現(xiàn)了技術成熟、結構簡單、跟蹤精度比較高的雙閉環(huán)矢量控制。同時利用三相橋臂SOC平均值和橋臂SOC之間的差值實現(xiàn)PCS內(nèi)部水平能量均衡控制，最后的仿真結果驗證了PCS拓撲和控制策略的有效性，實現(xiàn)了有功和無功功率的動態(tài)調節(jié)。