用戶多電源供電儲能系統(tǒng)蓄電池充放電控制研究

沈?qū)W良，王賀云，賈亞飛，胡亞博，楊振華

(1.國網(wǎng)雄安新區(qū)供電公司，河北 雄安新區(qū) 071000；2.平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467000)

0 引言

電力儲能中存儲的能量是由電能轉(zhuǎn)換而成，并以短暫的形式存儲，在需要時，將這些能量轉(zhuǎn)換為電能輸出[1-3]。蓄電池儲能技術(shù)在儲能系統(tǒng)中經(jīng)常被應(yīng)用，尤其適用于電力儲能系統(tǒng)[4]。蓄電池儲能技術(shù)的優(yōu)點是成熟、安全、容量大、簡單與適應(yīng)性強(qiáng)等。

蓄電池能夠提升發(fā)電裝置功率輸出特性、確保負(fù)荷供電質(zhì)量與保持配電網(wǎng)穩(wěn)定[5]。綜合考慮蓄電池與供電儲能系統(tǒng)性能，使其互相配合，能夠避免并網(wǎng)運(yùn)行時擾動配電網(wǎng)的情況，使供電儲能系統(tǒng)和電力負(fù)荷電能供需不平衡狀況得到解決，增強(qiáng)供電儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提升電能質(zhì)量。供電儲能系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行過程中，蓄電池經(jīng)過充放電可穩(wěn)定由無功不平衡導(dǎo)致的電壓波動；在配電網(wǎng)出現(xiàn)故障情況下，供電儲能系統(tǒng)由并網(wǎng)運(yùn)行變成離網(wǎng)運(yùn)行，此時供電儲能系統(tǒng)穩(wěn)定電壓與頻率的支撐來源于蓄電池，供電儲能系統(tǒng)的功率缺失由蓄電池充放電實施補(bǔ)充[6]。一般廠商是通過充電(放電)設(shè)備對蓄電池實施充電(放電)，充放電設(shè)備均有電阻負(fù)載，在充放電時，未能完全利用充放電電能，導(dǎo)致能源浪費(fèi)，這就表明研究蓄電池充放電控制策略尤為重要。本文研究了用戶多電源供電儲能系統(tǒng)蓄電池充放電控制，以提升蓄電池充放電控制的準(zhǔn)確性。

1 蓄電池充放電控制策略

1.1 雙向AC/DC變換器模型

通過設(shè)計雙向AC/DC變換器實現(xiàn)用戶多電源供電儲能系統(tǒng)蓄電池充放電控制[7]，該變換器屬于蓄電池儲能直流能量和配電網(wǎng)交流能量轉(zhuǎn)換與雙向傳遞的裝置。雙向AC/DC變換器的一般數(shù)學(xué)模型是在三相靜止坐標(biāo)系下構(gòu)建的:優(yōu)點是容易理解；缺點是隨著時間的改變，模型內(nèi)的變量也隨之改變，增加控制策略設(shè)計的難度。在一般數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，通過加入同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，變換三相靜止坐標(biāo)系內(nèi)的量，將其變換為與電網(wǎng)基波頻率一致、同步旋轉(zhuǎn)的兩相直角坐標(biāo)系內(nèi)的量，避免出現(xiàn)隨著時間改變，變量隨之改變的問題[8]。兩相直角坐標(biāo)系中控制變量均變換為直流量，利于設(shè)計控制策略。

雙向AC/DC變化器的一般數(shù)學(xué)模型為：

(1)

(2)

假設(shè)θ是d軸與a軸間的夾角，兩相直角坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)速度是ω且θ=ωt，以d軸與a軸重合為時間t起始點。三相靜止坐標(biāo)系與同步旋轉(zhuǎn)的兩相直角坐標(biāo)系關(guān)系如圖1所示。

圖1 坐標(biāo)系關(guān)系示意

通過推理獲取將三相靜止坐標(biāo)系變換成同步旋轉(zhuǎn)的兩相直角坐標(biāo)系的變換矩陣Yabc/dq，公式為

Yabc/dq=

(3)

結(jié)合式(1)～式(3)，能夠獲取同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的雙向AC/DC變換器的dq模型為：

(4)

(5)

1.2 控制策略

1.2.1 并網(wǎng)控制策略

所研究的用戶多電源供電儲能系統(tǒng)以最大功率輸出，不能調(diào)度，僅可通過蓄電池充放電即吸收(釋放)功率，消納(補(bǔ)充)系統(tǒng)內(nèi)的功率差值，實現(xiàn)用戶多電源供電儲能系統(tǒng)蓄電池充放電過程中的功率平衡控制[9]。

在用戶多電源供電儲能系統(tǒng)屬于并網(wǎng)運(yùn)行模式過程中，蓄電池輸出的功率值是通過儲能系統(tǒng)中央控制層給定的，所以雙向AC/DC變換器需利用PQ控制策略，實現(xiàn)蓄電池充放電過程中的功率平衡控制[10]。PQ控制的原理是設(shè)置雙向AC/DC變換器輸出的有功功率P與無功功率Q，經(jīng)過控制使雙向AC/DC變換器依據(jù)設(shè)置的有功功率與無功功率實施輸出，完成對應(yīng)的控制目標(biāo)[11]。

根據(jù)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中雙向AC/DC變換器的數(shù)學(xué)模型可知，需利用雙環(huán)控制方式實現(xiàn)PQ控制，雙環(huán)控制方式指功率外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)。功率外環(huán)可以確保雙向AC/DC變換器的輸出跟蹤基準(zhǔn)功率，功率外環(huán)控制方程公式為

(6)

Pref為有功功率的給定值；Qref為無功功率的給定值；P為有功功率的實際值；Q為無功功率的實際值；id,ref為并網(wǎng)電流d軸分量參考值；iq,ref為q軸分量參考值；kP為PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；kI為PI調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)。

通過PQ控制器獲取雙向AC/DC變換器輸出的有功功率P與無功功率Q，分別為

(7)

電流內(nèi)環(huán)控制方程為

(8)

vfd為調(diào)制電壓d軸分量；vfq為調(diào)制電壓q軸分量；kP為PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；kI為PI調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)；ω為儲能換流器控制系統(tǒng)的角頻率。

通過式(6)與式(8)，獲取蓄電池充放電過程中PQ控制的恒功率控制原理，如圖2所示。

圖2 蓄電池充放電過程中的恒功率控制原理

d軸與q軸的電壓及電流利用Park變換出口三相電壓與并網(wǎng)三相電流獲取，通過功率計算公式獲取實際輸出功率，對比實際輸出功率與參考功率后，利用PI調(diào)節(jié)形成電流參考信號，然后和并網(wǎng)電流d軸與q軸分量的實際值對比，對比后實施PI調(diào)節(jié)，再由電壓前饋解耦控制輸出電壓控制信號。電壓控制信號按順序通過反Park變換與SPWM(Sinusoidal PWM)調(diào)制，獲取正弦調(diào)制信號，完成PQ控制，實現(xiàn)蓄電池充放電過程中的功率平衡控制[12]。

1.2.2 離網(wǎng)控制策略

因為在用戶多電源供電儲能系統(tǒng)屬于離網(wǎng)運(yùn)行模式過程中，蓄電池要為負(fù)荷提供電壓與頻率支撐，還要迅速響應(yīng)負(fù)荷的變換，為儲能系統(tǒng)提供功率補(bǔ)償[13]，所以雙向AC/DC變換器需利用V/f控制策略，實現(xiàn)蓄電池充放電過程中電壓與頻率的控制。

電壓外環(huán)的控制方程為

(9)

vd,ref為變換器出口電壓d軸分量給定值；vq,ref為變換器出口電壓q軸分量給定值。

電流內(nèi)環(huán)屬于精細(xì)調(diào)節(jié)部分，根據(jù)外環(huán)獲取的參考信號確保蓄電池充放電過程中電壓與頻率的穩(wěn)定，快速的動態(tài)響應(yīng)，能夠提升雙向AC/DC變換器的電能質(zhì)量。電流內(nèi)環(huán)控制方程為式(8)。

通過式(8)與式(9)獲取蓄電池充放電過程中V/f控制的恒壓恒頻控制原理，如圖3所示。

圖3 蓄電池充放電過程中的恒壓恒頻控制原理

d軸與q軸的電壓及電流利用Park變換出口三相電壓與并網(wǎng)三相電流獲取。通過對比電壓d軸、q軸分量實際值和給定值，獲取電壓偏差，利用PI調(diào)節(jié)電壓偏差形成電流參考信號，和電流d軸、q軸分量實際值對比，對比后實施PI調(diào)節(jié)，再由電壓前饋解耦控制獲取電壓控制信號。通過積分后的參考頻率，獲取用于反Park變換的相角，利用該相角用來確保蓄電池充放電過程中的頻率恒定[14]。電流控制器的輸出電壓通過反Park變換與SPWM調(diào)制，獲取正弦調(diào)制信號，完成V/f控制，實現(xiàn)蓄電池充放電過程中的電壓與頻率的平衡控制[15]。圖3中，vd,ref=vref,vq,ref=0。

2 實驗分析

以國網(wǎng)雄安新區(qū)供電公司的多電源供電儲能系統(tǒng)為實驗對象，該多電源供電儲能系統(tǒng)中磷酸鐵鋰電池組的端電壓為500 V，雙向AC/DC變換器的直流側(cè)電壓為900 V，配電網(wǎng)電壓幅值為322 V，頻率為50 Hz，濾波電感為5 mH，濾波電容為200 μF，可變?yōu)V波電阻為7 Ω，初始狀態(tài)母線電壓為30 V。

2.1 蓄電池充放電控制分析

初始狀態(tài)母線電壓為30 V，在20 s時，調(diào)節(jié)可變?yōu)V波電阻，增強(qiáng)母線電壓至34 V，查看蓄電池是否順利進(jìn)入充電模式；經(jīng)過8 s后，繼續(xù)調(diào)節(jié)可變?yōu)V波電阻，將母線電壓下降到充電邊界電壓32 V，查看蓄電池是否自動結(jié)束充電模式。母線電壓與蓄電池電流變化情況如圖4所示。

圖4 母線電壓與蓄電池電流變化

由圖4可知，當(dāng)母線電壓通過電壓源控制在30 V時，蓄電池沒有充放電電流產(chǎn)生；在20 s時，調(diào)節(jié)可變?yōu)V波電阻，其值為0，這時母線電壓直接提升到34 V，蓄電池馬上進(jìn)入充電模式，蓄電池充電電流是0.8 A；在28 s時，不斷加強(qiáng)可變?yōu)V波電阻，這時出口電壓逐漸下降，當(dāng)母線電壓下降到32 V時，蓄電池結(jié)束充電模式，蓄電池充電電流是0。實驗證明：本文策略能夠有效實現(xiàn)蓄電池充放電控制。

2.2 蓄電池充放電過程中恒功率控制分析

利用本文策略控制該公司多電源供電儲能系統(tǒng)在并網(wǎng)運(yùn)行模式過程中蓄電池的充放電，驗證本文策略的有效性。利用改變有功功率與無功功率的參考值符號，改變蓄電儲的充放電狀態(tài)，驗證本文策略的準(zhǔn)確性。設(shè)置蓄電池在4 s時改變蓄電池功率參考值的運(yùn)算符號。

2.2.1 改變蓄電池的有功功率參考值

通過對比分析蓄電池的有功輸出功率參考值與采用本文策略控制后的實際有功輸出功率值、出口電壓與并網(wǎng)電流、直流側(cè)電容電壓、蓄電池的荷電狀態(tài)，驗證本文策略在改變蓄電池有功參考值情況下恒功率控制的準(zhǔn)確性。并網(wǎng)運(yùn)行時蓄電池各參數(shù)變化情況如圖5～圖8所示。

圖5 輸出有功功率參考值與實際值對比

圖6 出口電壓與并網(wǎng)電流的對比

圖7 直流側(cè)電容電壓變化

根據(jù)圖5～圖8可知，利用本文策略控制后的實際有功功率值與參考有功功率值一致。在有功輸出功率是30 kW時，出口電壓與并網(wǎng)電流方向一致，本文策略中變換器的直流側(cè)電容電壓在900 kV之下，蓄電池的荷電狀態(tài)呈現(xiàn)降低的趨勢；在4～6 s時，蓄電池有功輸出功率改變到-30 kW,這時出口電壓與并網(wǎng)電流方向相反，本文策略中變換器的直流側(cè)電容電壓在900 kV之上，蓄電池的荷電狀態(tài)呈現(xiàn)上升趨勢。在蓄電池的有功功率參考值從正數(shù)變成負(fù)數(shù)過程中，屬于放電模式到充電模式的轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換過程中，本文策略能夠確保有功輸出功率實際值與有功功率參考值保持一致。實驗證明：本文策略可以實現(xiàn)有功輸出功率實際值完全跟蹤有功功率參考值與蓄電池充放電中有功恒功率控制的準(zhǔn)確性。

圖8 蓄電池荷電狀態(tài)變化

2.2.2 改變蓄電池的無功功率參考值

通過對比分析蓄電池的無功輸出功率參考值與采用本文策略控制后的實際無功輸出功率值、出口電壓與并網(wǎng)電流、直流側(cè)電容電壓、蓄電池的荷電狀態(tài)，驗證本文策略在改變蓄電池?zé)o功參考值情況下恒功率控制的準(zhǔn)確性。并網(wǎng)運(yùn)行時,蓄電池各參數(shù)變化情況如圖9～圖12所示。

圖9 輸出無功功率參考值與實際值對比

根據(jù)圖9～圖12可知，前4 s，蓄電池的無功輸出功率是30 kW，出口電壓比并網(wǎng)電流提前90°,在4～6 s時，蓄電池的無功輸出功率改變到-30 kW，這時出口電壓比并網(wǎng)電流延后90°。實驗過程中，本文策略中變換器的直流側(cè)電容電壓始終保持在900 V，蓄電池的荷電狀態(tài)始終呈現(xiàn)降低的趨勢， 根據(jù)這些結(jié)果可知蓄電池始終屬于放電模式，蓄電池的無功輸出功率實際值始終與參考值一致。實驗證明：本文策略可以實現(xiàn)無功輸出功率完全跟蹤無功功率參考值，完成蓄電池充放電過程中的無功功率平衡控制且準(zhǔn)確性高。

圖10 出口電壓與并網(wǎng)電流的對比

圖11 直流側(cè)電容電壓變化

圖12 蓄電池荷電狀態(tài)變化

3 結(jié)束語

蓄電池屬于供電儲能系統(tǒng)的重要組成部分，可以確保供電儲能系統(tǒng)的正常運(yùn)行與負(fù)荷的供電質(zhì)量，因此研究了用戶多電源供電儲能系統(tǒng)蓄電池充放電控制，實現(xiàn)蓄電池充放電過程中的功率平衡控制與電壓及頻率平衡控制，且準(zhǔn)確性高。日后還可以在確?？刂茰?zhǔn)確性的同時，研究雙向AC/DC變換器的效率問題，提升工作效率；根據(jù)蓄電池荷電狀態(tài)與功率限制實現(xiàn)功率分配；增加控制策略的應(yīng)用價值。