光伏微電網(wǎng)中電儲能系統(tǒng)與控制探究

程益德，劉 嘉，關(guān)學(xué)忠

（南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，光伏微電網(wǎng)應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注，要重視儲能系統(tǒng)的應(yīng)用要點，滿足技術(shù)保障的同時實現(xiàn)系統(tǒng)控制的目標(biāo)，從而實現(xiàn)經(jīng)濟效益和社會效益的雙贏。

1 光伏微電網(wǎng)中電儲能系統(tǒng)概述

光伏微電網(wǎng)中，電儲能系統(tǒng)是微電網(wǎng)的重要組成部分，能滿足系統(tǒng)能量的雙向流動，不僅可以實現(xiàn)外部系統(tǒng)能量獲取，為電池充電，還可以有效實現(xiàn)電池放電，保證外部系統(tǒng)供電正常。

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成主要包括電池系統(tǒng)（Battery System，BS）、 功 率 變 換 系 統(tǒng)（Power Conversion System，PCS）以及電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）等，如圖1所示。依據(jù)內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)，建立完整的模型，從而開展控制措施，能在強化儲能技術(shù)應(yīng)用效果的基礎(chǔ)上保證微電網(wǎng)運行的規(guī)范性，也為整個系統(tǒng)應(yīng)用效率的提高奠定基礎(chǔ)[1]。

圖1 系統(tǒng)組成

1.2 原理和模型

在光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用過程中，蓄電池是基本的儲能介質(zhì)，內(nèi)部化學(xué)物正負(fù)極活性物質(zhì)的氧化過程和還原過程是為外部傳輸電流提供支持的關(guān)鍵，保證充放電反應(yīng)有序落實，其通用等效電路如圖2所示。

圖2 蓄電池通用等效電路

模型本身是受控電壓源和微小內(nèi)電阻串聯(lián)形成的結(jié)構(gòu)，結(jié)合放電特性測試結(jié)果就能繪制對應(yīng)曲線，然后評估等效模型參數(shù)，就能了解電池充放電狀態(tài)下荷電的變化情況，從而有效建立對應(yīng)合理的控制機制[2]。

1.3 控制方式

對于光伏微電網(wǎng)中電儲能系統(tǒng)應(yīng)用而言，要優(yōu)選蓄電池單元完成充放電控制工作，從而確保功率切換器能結(jié)合實際應(yīng)用情況完善控制方案。在傳統(tǒng)處理體系中，蓄電池的充電方式較多，多數(shù)都是依據(jù)馬斯曲線進行變換，其中較為常見的就是恒流限壓、恒壓限流以及脈沖電流充電等，借助單一電壓或電流變量控制方式，從而完成充電處理。但是這些方式對電池的使用壽命會產(chǎn)生一定程度上的影響，制約充電效果?；诖?，階段式充電受到廣泛關(guān)注，這種方式有效彌補了單一變量控制時間不足的問題，實現(xiàn)二階段充電處理。在充電前進行恒流控制，當(dāng)電池電壓參數(shù)出現(xiàn)升高并達到給定值后，轉(zhuǎn)變?yōu)楹銐嚎刂瞥潆姡軌蛴行а娱L電池的使用壽命，保證充電安全性[3]。

2 光伏微電網(wǎng)中電儲能系統(tǒng)控制要點

為了保證相應(yīng)的控制效果滿足預(yù)期，要整合具體的控制單元和控制規(guī)范，確保電儲能系統(tǒng)控制效果的最優(yōu)化，維持設(shè)計效果的合理性。

2.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

微電網(wǎng)并網(wǎng)處理后，電儲能系統(tǒng)會隨之出現(xiàn)變化，此時設(shè)計光伏微電網(wǎng)電儲能系統(tǒng)控制單元要結(jié)合具體應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)落實具體工作，從而維持系統(tǒng)的總體設(shè)計效果。在整個系統(tǒng)中，除了電網(wǎng)、發(fā)電系統(tǒng)，還包括負(fù)載系統(tǒng)和儲能變換器，結(jié)合電路控制系統(tǒng)，就能建立完整的應(yīng)用模式，匹配儲能控制單元[4]。

儲能控制單元中，數(shù)字信號處理（Digital Signal Process，DSP）控制器和繼電保護電路是主要組成部分，并且控制器利用的是TMS320F28335控制芯片，整體計算應(yīng)用效能較好。與此同時，雙極式變流結(jié)構(gòu)電路能夠?qū)崿F(xiàn)儲能功能的變換控制。雙芯片DSP控制四橋臂變流器和DC/DC變換器，而且在控制系統(tǒng)中還存在預(yù)充電模塊，能維持電流應(yīng)用，確保電流變化情況下不會引起開關(guān)管的損壞。另外，基于交流負(fù)載側(cè)設(shè)計儲能系統(tǒng)，也要綜合分析光伏發(fā)電量和負(fù)載消耗情況，確保微網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的合理性，維持儲能和功率的平衡，為系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行予以支持。

2.2 控制系統(tǒng)應(yīng)用策略

2.2.1 儲能功率變換器

對于光伏微電網(wǎng)中電儲能系統(tǒng)控制而言，放電狀態(tài)和電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部各組成部件的運行情況有著密切的聯(lián)系，要想建立完整的控制模式，就要結(jié)合實際應(yīng)用環(huán)境，建立完整且合理的檢測機制，從而定期檢測光伏單元發(fā)電狀態(tài)以及對應(yīng)的負(fù)載要求，以便于明確評估儲能系統(tǒng)充放電運行的策略?；诖?，一般采取雙極式四橋臂儲能功率變換器對電網(wǎng)予以有效控制，并能及時分析光伏系統(tǒng)和電流負(fù)載參數(shù)，評估儲能系統(tǒng)中電池充放電控制的合理性和規(guī)范性。

2.2.2 儲能功率變換系統(tǒng)

光伏微電網(wǎng)的電儲能系統(tǒng)控制方案設(shè)計中，要確保儲能功率變換系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，維持在三相電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中及時調(diào)整電壓參數(shù)和電流參數(shù)，并實現(xiàn)蓄電池的持續(xù)性放電，保證充放電的平衡性（圖3）。依據(jù)光伏微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的運行情況可知，儲能系統(tǒng)配置儲能單元功率的要求較高，一般會擴充為電池組。與此同時，要結(jié)合光伏發(fā)電并網(wǎng)和自動重合閘、繼電保護之間的關(guān)系，維持變換處理參數(shù)的合理性[5]。

圖3 充放電狀態(tài)

2.2.3 DSP核心控制電路

在DSP核心控制電路中，要利用運算處理的方式完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采樣操作，并結(jié)合設(shè)定目標(biāo)予以控制，及時依據(jù)實際情況發(fā)送實時性控制指令，保證控制目標(biāo)得以實現(xiàn)。值得一提的是，DSP核心控制電路中，芯片能對運算速度以及外設(shè)接口等功能予以處理，滿足變流器具體應(yīng)用的要求，符合雙向半橋DC/DC電路升降壓模式切換控制過程，從而及時完成充放電的控制處理。

DC/DC變換器電路如圖4所示，濾波電容、開關(guān)管以及儲能電感是基本組成元件，在開關(guān)管V9處于導(dǎo)通工作狀態(tài)下，脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）狀態(tài)啟動，此時V10關(guān)閉，四橋臂變流器就會借助V9與儲能電感Lb完成充電；而在V9處于關(guān)閉狀態(tài)下，整體電路結(jié)構(gòu)也逐漸處于降壓充電的趨勢。與此相對的，功率管V10處于開通狀態(tài)下，整個結(jié)構(gòu)進入PWM階段，V9關(guān)閉，電感Lb利用V10完成放電操作；而在V10關(guān)閉后，二極管VD1實現(xiàn)持續(xù)電流處理，電感能量向四橋臂變流器側(cè)完成傳遞，就會形成Boost電路模式，實現(xiàn)升壓放電[6]。

圖4 DC/DC變換器電路

2.2.4 電流環(huán)控制器

在光伏微電網(wǎng)中，電儲能系統(tǒng)獲取到指令電流后，在滿足設(shè)計要求的基礎(chǔ)上選取匹配的電流進行內(nèi)環(huán)控制管理，能對指令電流予以跟蹤控制，確保四橋臂變流器并網(wǎng)管理結(jié)構(gòu)中能實時性輸送有功電能，確保補償負(fù)載諧波、不平衡電流分量等都能得到有效控制。在電流環(huán)控制器設(shè)計環(huán)節(jié)中，結(jié)合控制目標(biāo)，在四橋臂變流器并網(wǎng)控制體系下就能對有功功率進行實時性調(diào)控，確保諧波抑制、不平衡電流分量等都能得到有效補償和處理，從而為系統(tǒng)提供補償電流，保證動態(tài)響應(yīng)的及時性和規(guī)范性。

光伏微電網(wǎng)中電儲能系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)涉及內(nèi)容較多，電流滯環(huán)控制、準(zhǔn)比例諧振控制、無差拍控制以及PI控制等都較為常見[7]。（1）電流滯環(huán)控制的動態(tài)響應(yīng)效率較好，對應(yīng)的誤差較小，但是開關(guān)頻率存在動態(tài)變化，使得整體應(yīng)用過程難以完全匹配數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用頻率降低。（2）準(zhǔn)比例諧振控制器能實現(xiàn)對特定頻率交流信號的無差別控制處理，由于多頻率信號讀取過程完整度較好，且多個準(zhǔn)比例諧振控制器并聯(lián)能大大提升控制準(zhǔn)確性，因此實際應(yīng)用范圍較廣，但是存在響應(yīng)效率較慢的現(xiàn)象，針對一些對響應(yīng)速率要求較高的環(huán)境不予采用。（3）無差拍控制能夠有效對采樣信息進行預(yù)測分析和實時性控制，保證給定電流控制的規(guī)范效果，響應(yīng)快且精度高，但是這種處理方式需要建模，并且要明確參數(shù)，一旦建模參數(shù)模糊，就會對其穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。（4）PI控制是動態(tài)響應(yīng)效率較好的處理方式，且能實現(xiàn)直流量無靜差控制，但是在諧波交流信號跟蹤控制方面還存在誤差。綜合考量控制器的應(yīng)用情況以及負(fù)載特性，選取PI調(diào)節(jié)動態(tài)控制模式，從變流器對基波有功、多次諧波以及不平衡電流分量跟蹤控制的目的出發(fā)，完成跟蹤周期性信號處理工序，確保穩(wěn)態(tài)誤差效果最優(yōu)化，還能在滿足穩(wěn)態(tài)性能應(yīng)用管理要求的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對指令電流的跟蹤控制。

2.3 控制效果

在對系統(tǒng)進行仿真驗證后可知，利用MATLAB系統(tǒng)就能搭建完整的模型電路，并且獲取的指令電流、電壓參數(shù)以及鎖相環(huán)等因素都能匹配實際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和要求，整體發(fā)電系統(tǒng)對系統(tǒng)的影響較小，進一步提高了儲能功率管理效果。補償三相負(fù)載過程中不平衡電流或者是諧波不當(dāng)?shù)膯栴}，建構(gòu)完整的應(yīng)用控制模式，從而減少應(yīng)用成本，大大提升了微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)和整體電網(wǎng)結(jié)構(gòu)一體化管理的效果，為電網(wǎng)的安全應(yīng)用管理提供了保障[8]。

3 結(jié) 論

智能電網(wǎng)發(fā)展進程不斷加快，為了保證應(yīng)用管控的合理性和規(guī)范性，要結(jié)合光伏微電網(wǎng)中電儲能系統(tǒng)的控制應(yīng)用要求，建立更加科學(xué)合理的管控模式，確保資源應(yīng)用效率最優(yōu)化，落實全面儲能系統(tǒng)控制策略，從而為智能電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。