基于鋰電池系統(tǒng)模塊化和PCS控制策略的研究

陳 晨， 何 樂， 趙 翔

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

隨著人類社會需求的不斷提高和變化，電能用量也在不斷增加，而日益增加的多樣化需求使得原本電網(wǎng)所承受的壓力隨之增加,傳統(tǒng)電氣設(shè)備的逐漸老化與過時也使壓力進(jìn)一步增大。想要解決這些問題,首先電力系統(tǒng)的規(guī)模和質(zhì)量必須隨之?dāng)U大和提高，但這樣會使得電網(wǎng)的復(fù)雜程度也逐漸增強(qiáng)，所以就要求電網(wǎng)輸出的電能質(zhì)量和供電能力可靠性更加優(yōu)化1]。為了緩解各種用電壓力，國家開始促使各界發(fā)展新型能源。新能源無污染以及可再生的優(yōu)點使得其快速發(fā)展，但是并網(wǎng)的問題很大程度上限制了其發(fā)展。為了解決新能源對電網(wǎng)污染的壓力，同時緩解各地用電時空不均的問題，儲能設(shè)備應(yīng)運而生[2]。

儲能單元既可作為發(fā)電單元又可作為負(fù)荷單元，靈活的雙向性使其在能源的使用和電網(wǎng)環(huán)節(jié)提高電源可靠性等方面發(fā)揮著重要作用。目前儲能應(yīng)用主要配置在電源側(cè)、系統(tǒng)側(cè)、負(fù)荷側(cè)。但是電池儲存的是直流電，并網(wǎng)的時候需要進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換[3]，這樣就存在很多并網(wǎng)問題，而并網(wǎng)的關(guān)鍵就是變流器的運用和控制策略的配合?，F(xiàn)在的并網(wǎng)技術(shù)發(fā)展已經(jīng)較為成熟，但是各種并網(wǎng)技術(shù)并不是非常完美，都存在一些缺點。本文就負(fù)荷側(cè)蓄電池并網(wǎng)存在的問題行分析和研究，對比常用的控制策略，選擇更適合于用電側(cè)儲能并網(wǎng)的控制。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 電池系統(tǒng)

對于蓄電池環(huán)節(jié)，目前用得較多、效果較好的就是鋰電池了[4]。但因其單體存儲的能量有限，要滿足并網(wǎng)需求必須要用大量的電池單體進(jìn)行串并聯(lián)，但是傳統(tǒng)的電池系統(tǒng)存在各種不足，不能充分利用電池組的容量，降低了供電可靠性，影響了電池壽命[5]。為了更有效地利用電池的容量，提出了利用模塊化結(jié)構(gòu)對電池單體進(jìn)行處理以提高電池可靠性的觀點。模塊化思路包括對電池單體、均衡電路、電池管理系統(tǒng)(BMS)和變換電路進(jìn)行融合處理。電池系統(tǒng)中的BMS由主控制器和設(shè)置在每個電池模塊內(nèi)部的控制器件集合而成；CPU和控制單元通過總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互、執(zhí)行監(jiān)控、管理等；均衡電路是BMS的執(zhí)行單元。

本文在電池系統(tǒng)中加了一種新型的雙向半橋BUCK/BOOST變換器，組成了一個電池功率模塊，如圖1所示。DC/DC[6]變換器作為電池系統(tǒng)的升降壓電路，可與外界進(jìn)行能量交互，同時還可以把電池功率模塊進(jìn)行拼接從而形成大功率電池系統(tǒng)。這樣不僅可以簡化均衡電路的復(fù)雜性，還可以提高電池系統(tǒng)容量的利用率。此外雙向半橋Buck/Boost變換器除不可以保證電能的雙向流動外，其開關(guān)管和二極管的通態(tài)損耗較小，電路簡單可靠，效率也更高。

圖1 電池功率模塊Fig.1 Battery power module

對于雙向DC/DC變換器的控制方案，選擇采用獨立的PWM控制方法對兩個開關(guān)管分別進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)Buck模式和Boost模式的切換，如圖2所示。其中，當(dāng)S2關(guān)斷，S1處于PWM調(diào)制時，變換器處于Buck電路模式，蓄電池處于充電狀態(tài)；當(dāng)S1關(guān)斷，S2處于PWM調(diào)制時，變換器處于Boost電路模式，蓄電池處于放電狀態(tài)。采用此控制方式雖然相對于互補(bǔ)PWM控制來說復(fù)雜了一些，但是對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性來說，卻得到了很大的提升，所以選擇此控制方法。

1.2 功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

PCS[7]是連接電池系統(tǒng)與電網(wǎng)的橋梁，是儲能系統(tǒng)與外界能量進(jìn)行交互的關(guān)鍵部分。電池系統(tǒng)是直流電源，要想并網(wǎng)使用必須經(jīng)過PCS系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，變成交流量，從而緩解因居民用電不均對電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊。但是如果并入電網(wǎng)的交流電與電網(wǎng)自身電壓的頻率、幅值不匹配，諧波含量過多，不僅不能緩解電網(wǎng)壓力，還會對電網(wǎng)產(chǎn)生負(fù)擔(dān)，污染電網(wǎng)的電能質(zhì)量，嚴(yán)重的還會造成系統(tǒng)崩潰。所以選擇合適的PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是很重要的一步。

圖2 雙向半橋BUCK/BOOST變換電路Fig.2 Bidirectional half-bridge BUCK/BOOST conversion circuit

對于PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，目前研究現(xiàn)狀比較成熟，主要有單級式工頻隔離型、雙極式工頻隔離型、雙極式高頻隔離型、模塊化多電平儲能變換器。而本文在電池系統(tǒng)的設(shè)計過程中加入了DC/DC轉(zhuǎn)換模塊，主要是對電網(wǎng)的變壓器所產(chǎn)生的壓力進(jìn)行處理，所以選擇了單級式工頻隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)運行效率較高、技術(shù)較為成熟而且對于提高系統(tǒng)可靠性和并網(wǎng)的電流質(zhì)量都有很大的幫助。

圖3為采用的PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電池系統(tǒng)經(jīng)直流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)后接入PCS系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換成交流電，經(jīng)LCL[9-10]濾波對電流高次諧波產(chǎn)生有效抑制，再接通△-Y型變壓器并網(wǎng)。L1為逆變器側(cè)電感，L2為變壓器側(cè)電感，C2為濾波電容。

2 PCS控制策略

2.1 控制策略的選擇

PCS的控制策略是整個系統(tǒng)穩(wěn)定、安全、可靠運行的關(guān)鍵技術(shù)之一，對能否安全有效地并網(wǎng)以及緩解變壓器的壓力發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。而控制策略的目標(biāo)則是維持變換器直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，控制變換器的開關(guān)，調(diào)節(jié)并網(wǎng)電流使其與電網(wǎng)電壓保持同頻同相，此外更要保證并網(wǎng)電流諧波總畸變率滿足規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。在過去的并網(wǎng)控制策略中，由于PI[7]控制技術(shù)較為成熟，并且因其結(jié)構(gòu)較為簡單，可靠性高以及魯棒性較強(qiáng)的特點而被廣泛應(yīng)用。但是其缺點也較為明顯，只能對直流信號進(jìn)行無靜差追蹤。其在對正弦信號進(jìn)行追蹤時存在誤差，而且它的抗干擾能力也有所欠缺，所以需要尋求更加可靠的控制策略。

圖3 PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 PCS topology structure

為了彌補(bǔ)PI控制的不足，引入了PR控制策略[11-13]，其由比例調(diào)節(jié)器和諧振調(diào)節(jié)器構(gòu)成，此控制策略能夠?qū)λ枰恼倚盘栠M(jìn)行準(zhǔn)確的誤差追蹤，但是這種控制策略也有缺陷：對電網(wǎng)頻率偏移的抗性能力較差，抑制電網(wǎng)引起的諧波能力較弱。為了解決這些缺陷，對PR控制進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種準(zhǔn)PR的控制策略[14-15]，下面對準(zhǔn)PR控制進(jìn)行研究。

準(zhǔn)PR控制器采用交流側(cè)電流內(nèi)環(huán)的控制方法，以電網(wǎng)側(cè)電壓為參考坐標(biāo)系，利用Clarke變換將三相靜止坐標(biāo)系(abc)轉(zhuǎn)換成兩相靜止坐標(biāo)系(α-β)，變換后得到交流量實時追蹤反Park變換后的指令量，以完成目標(biāo)。與PI控制相比簡化了坐標(biāo)變換，省略了電流d，q軸分量之間的耦合關(guān)系。準(zhǔn)PR控制器是對PR控制器的改進(jìn)，使其對頻率的適應(yīng)性大大提高，此外還提高了系統(tǒng)在諧振頻率附近的帶寬，有效地解決了在電網(wǎng)頻率偏移時對并網(wǎng)電流產(chǎn)生的負(fù)面影響，增加了PCS的穩(wěn)定性和抗干擾能力。其傳遞函數(shù)如下：

(1)

其中，ωc為截止頻率；kp，kr分別為比例系數(shù)和諧振系數(shù)；ω0=2πf0為基波角頻率。

圖4為準(zhǔn)PR控制器的波特圖，可以通過改變kp，kr，ωc來改變系統(tǒng)基波頻率以外的幅值增益、低頻和高頻處的幅值增益以及相位裕度、系統(tǒng)的帶寬。僅kp增大時，基波頻率以外頻率的幅值會有所增加；僅增大kr時，控制器的增益會隨之增大；僅增大ωc時，會使控制器帶寬增加和改變增益的變化。準(zhǔn)PR控制器彌補(bǔ)了PR控制器在諧振頻率處增益無窮大的問題，減少了穩(wěn)態(tài)無差；此外控制器在諧振點的帶寬也有所增加，在電網(wǎng)頻率發(fā)生偏移時，控制器依舊可以準(zhǔn)確及時地控制并網(wǎng)電流。

圖4 準(zhǔn)PR控制器的波特圖Fig.4 Porter diagram of quasi PR controller

2.2 準(zhǔn)PR控制器設(shè)計

控制系統(tǒng)采用以準(zhǔn)PR控制為基礎(chǔ)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，外環(huán)為電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。

由于前面已經(jīng)提到了PI控制可以保證直流量的無靜差跟蹤，而本文所探討的正是由蓄電池給變壓器進(jìn)行供電并網(wǎng)，蓄電池所提供的電能正是直流量，在外環(huán)控制中，通過電池側(cè)實際電壓與參考電壓進(jìn)行比較從而得出有功和無功分量，而這一步所利用的正是PI控制器。有功電流輸入為idref, 有功電流輸出為iqref,為保證單位功率因數(shù)運行，讓iqref=0；電壓外環(huán)得到的電流分量，先通過dq-αβ變換，作為內(nèi)環(huán)控制的給定值iαref和iβref，被控量則從變換器側(cè)提取。電流內(nèi)環(huán)由濾波電容電流提供反饋，這樣可以有效抑制諧振峰值。給定值與被測量經(jīng)過差值比較送入PR控制器，把控制器輸出的結(jié)果經(jīng)坐標(biāo)反變換成abc坐標(biāo)量，作為SVPWM的輸入，驅(qū)動PCS中各橋臂開關(guān)動作。電網(wǎng)電壓的相位則利用三相鎖相環(huán)獲取。PCS的控制策略圖如圖5所示。

圖5 PCS準(zhǔn)PR控制策略圖Fig.5 Quasi-PR control strategy diagram of PCS

3 仿真設(shè)計

在MATLAB軟件中搭建基于準(zhǔn)PR控制的儲能PCS控制系統(tǒng)仿真模型。對于仿真設(shè)計參數(shù)如下：鋰電池電壓為400 V；直流側(cè)電容C1=330 mF，電感Lm=1 mH;濾波電感L1=0.56 mH，L2=0.2 mH，濾波電容C2=100 μF;準(zhǔn)PR控制器參數(shù)kp=2，kr=100，ωc=3 rad/s，ω0=100π rad/s；電網(wǎng)電壓為380 V，頻率為50 Hz。仿真達(dá)到的PCS逆變器輸出的電流波形圖如圖6所示。

在仿真結(jié)果可以看出，并入變壓器的波形為完整的正弦波，準(zhǔn)PR控制和PI控制結(jié)合的使用使得電流的諧波畸變相對于其他控制得到明顯改善，總諧波畸變率僅有2.23%，諧波畸變率遠(yuǎn)低于國家要求，符合并網(wǎng)規(guī)范。電流的快速無靜差追蹤保證了并網(wǎng)電流的穩(wěn)定無誤差，把其并網(wǎng)接到變壓器中，使得電池組模塊可以和電網(wǎng)協(xié)同工作，為變壓器提供能量，在用戶側(cè)對電能需求增大的時候，緩解電網(wǎng)輸出不足的缺點，從而保證用戶側(cè)供電的質(zhì)量，保障變壓器的安全正常運行。

圖6 PCS仿真電流波形圖Fig.6 PCS simulation current waveform

4 結(jié)束語

提出的電池系統(tǒng)模塊化設(shè)計與PCS控制策略，使得電池系統(tǒng)在使用的過程中更加安全有效，并網(wǎng)效果也得到提升。在兩電平變換器的基礎(chǔ)上，設(shè)計的PCS系統(tǒng)，將準(zhǔn)PR控制器和PI控制器結(jié)合，并運用SVPWM算法。通過實驗結(jié)果可以了解:準(zhǔn)PR控制不但可以對并網(wǎng)的正弦信號進(jìn)行誤差追蹤，而且對諧波的抑制效果也相當(dāng)好。相比于傳統(tǒng)的PI控制，準(zhǔn)PR控制的諧波畸變率更低，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和并網(wǎng)效率。