基于SPWM的高效能電網(wǎng)充放電控制算法研究

上海市機(jī)械設(shè)備成套（集團(tuán)）有限公司 祝晟卿 張 翔 王軍民 謝英杰

1 引言

能源需求的增加和可再生能源的普及，電網(wǎng)充放電技術(shù)成為了解決能源儲存和供需平衡的關(guān)鍵。在電網(wǎng)充放電系統(tǒng)中，控制算法的設(shè)計對系統(tǒng)的效率和性能起著至關(guān)重要的作用。因此，研究高效能的電網(wǎng)充放電控制算法具有實(shí)際意義和應(yīng)用價值。

2 電網(wǎng)充放電控制存在問題

2.1 過載問題

電網(wǎng)過載是指電網(wǎng)承載的負(fù)荷超過其能力所造成的現(xiàn)象。當(dāng)充電和放電的負(fù)荷超過電網(wǎng)的承載能力時，可能導(dǎo)致電網(wǎng)頻率下降、電壓波動、電能供應(yīng)不穩(wěn)定等問題。如果這種情況持續(xù)存在，并且沒有及時采取措施進(jìn)行調(diào)整和平衡, 電網(wǎng)可能會崩潰，即引發(fā)嚴(yán)重的電力故障或事故，對電網(wǎng)設(shè)備、用戶設(shè)備和人員安全造成嚴(yán)重影響。

2.2 電壓波動問題

不合理的充放電控制可能導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動較大。電壓過高會超過設(shè)備的額定電壓，使其工作在過大負(fù)荷下，可能導(dǎo)致設(shè)備損壞，例如電機(jī)燒毀、絕緣擊穿等。而電壓過低則可能導(dǎo)致某些設(shè)備無法正常運(yùn)行，例如啟動不成功、傳感器誤判等。

2.3 系統(tǒng)失衡問題

充放電不平衡會導(dǎo)致電網(wǎng)頻率和電壓波動較大，使整個電力系統(tǒng)的運(yùn)行變得不穩(wěn)定。頻率的不穩(wěn)定可能引發(fā)電力負(fù)荷無法匹配，造成供電不足或過剩；電壓的不穩(wěn)定則可能影響連接的設(shè)備，甚至導(dǎo)致設(shè)備損壞。

3 針對電網(wǎng)充放電控制問題的解決對策

3.1 加強(qiáng)電網(wǎng)監(jiān)測與管理，實(shí)施負(fù)荷控制機(jī)制

為了確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)加強(qiáng)對電網(wǎng)負(fù)荷和儲能系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)測。通過建立有效的監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，及時獲取電網(wǎng)和儲能系統(tǒng)的負(fù)荷狀況和運(yùn)行情況[1]。同時，制定合理的負(fù)荷調(diào)度機(jī)制，避免短時間內(nèi)大規(guī)模的充放電行為，減輕電網(wǎng)的壓力。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和負(fù)荷需求的變化，合理安排充放電計劃，避免過度集中的充放電活動，以平穩(wěn)控制負(fù)荷波動，確保電網(wǎng)的承載能力不超過所設(shè)計的范圍。

3.2 設(shè)備調(diào)整和優(yōu)化，控制充電速度

針對充放電設(shè)備進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以提高其響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，減少電網(wǎng)電壓波動。在充電過程中，控制充電速度，避免突然大量充電引起電網(wǎng)電壓波動。采用智能充放電管理系統(tǒng)，根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷情況和能源供需平衡原則，合理分配充放電功率，平滑充放電操作，減輕電網(wǎng)負(fù)擔(dān)，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性。

3.3 實(shí)施平衡策略，系統(tǒng)監(jiān)測與控制

系統(tǒng)通過合理的充放電策略和技術(shù)手段，保持分布式發(fā)電和儲能系統(tǒng)的充放電平衡，避免系統(tǒng)失衡。采用技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)充放電平衡。例如，利用智能調(diào)度和控制系統(tǒng)，結(jié)合先進(jìn)的算法和模型預(yù)測，實(shí)時監(jiān)控和調(diào)整充放電行為。通過精確的功率調(diào)節(jié)和能量管理，進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化協(xié)調(diào)，避免系統(tǒng)不平衡造成的問題。

4 基于SPWM 的高效能電網(wǎng)充放電控制的實(shí)際應(yīng)用

基于上述解決對策的方案設(shè)計，設(shè)計關(guān)于SPWM 方面的充放電控制算法，解決電網(wǎng)充放電控制存在的異?，F(xiàn)狀。

4.1 設(shè)計基于SPWM 的充放電控制算法

4.1.1 頻率和占空比調(diào)整原理

基于可調(diào)諧諧波發(fā)生器（Tunable Harmonic Generator，THG）的正弦波脈寬調(diào)制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM） 技術(shù)是電網(wǎng)充放電頻率和占空比調(diào)整的一種高效能方法[2]。SPWM 技術(shù)基于電力電子技術(shù)的應(yīng)用，在儲能系統(tǒng)中被廣泛采用，以實(shí)現(xiàn)高效準(zhǔn)確的電能調(diào)控。在SPWM 技術(shù)中，通過調(diào)整波形的頻率和脈寬占空比來控制電網(wǎng)的充放電行為。首先，SPWM 技術(shù)采用可調(diào)的THG 來產(chǎn)生諧波波形，在儲能系統(tǒng)中應(yīng)用主要是三次諧波。這樣可以使諧波信號具有較高的頻率，使得儲能系統(tǒng)的充放電更加平滑，減少功率損耗和電壓波動。

4.1.2 電池充放電過程的準(zhǔn)確控制

電池充放電過程的準(zhǔn)確控制對于電池的性能和壽命至關(guān)重要。在電動車、儲能系統(tǒng)等領(lǐng)域，確保電池的穩(wěn)定運(yùn)行和高效能利用是關(guān)鍵目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制，需要關(guān)注幾個方面。首先，對于充電過程，準(zhǔn)確控制充電電流和電壓是必要的。充電電流的準(zhǔn)確控制可以通過電流傳感器和反饋控制實(shí)現(xiàn)。根據(jù)充電需求和電池特性，設(shè)定合適的電流大小，以避免過大過小的充電電流帶來的問題。不同充電需求和電池特性下的電流設(shè)置值范圍見表1。

表1 不同充電需求和電池特性下的電流設(shè)置值范圍

通過使用電流傳感器和反饋控制技術(shù)，可以監(jiān)測和調(diào)整充電電流，確保其控制在設(shè)定的范圍內(nèi)。當(dāng)充電電流超出設(shè)定范圍時，控制系統(tǒng)可以采取相應(yīng)的措施，如自動降低電流或中斷充電過程，以保護(hù)電池的安全性和延長壽命。

同時，電壓的監(jiān)測與控制能夠確保充電時電壓不超過設(shè)定范圍，保護(hù)電池的安全性。其次，電池放電過程的準(zhǔn)確控制也尤為重要。為了滿足電網(wǎng)接入規(guī)范以及保護(hù)電池的安全性，在電池逆變器系統(tǒng)中，應(yīng)滿足以下條件。一是逆變器輸出的頻率要與電網(wǎng)頻率相同；二是逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓相匹配，在最大誤差范圍內(nèi)不超過5%；三是發(fā)電機(jī)的相序與系統(tǒng)的相序一致；四是發(fā)電機(jī)的電壓相位與系統(tǒng)的電壓相位保持一致。

為了達(dá)到這些條件，可以采用一種技術(shù)方案，即通過獲取電網(wǎng)波形和三角波進(jìn)行比較來產(chǎn)生使MOS 管工作的SPWM（正弦脈寬調(diào)制）信號。這種方案能夠確保逆變器輸出的頻率與電網(wǎng)頻率保持一致，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電網(wǎng)接入[3]。在升壓回路方面，由于電池在輸出過程中電壓會逐漸降低，為了保證入網(wǎng)電壓的質(zhì)量，對于電池充電過程的電壓監(jiān)測與控制，一種常見的方式是使用電壓傳感器來實(shí)時測量電池的電壓，并通過反饋控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)充電電流，以確保充電時電壓不超過設(shè)定范圍。利用自然采樣法來實(shí)現(xiàn)SPWM，其基本原理是將基準(zhǔn)正弦波與一個三角載波進(jìn)行比較，通過交點(diǎn)的方式確定逆變器的開關(guān)模式。其中，采樣周期Ts 等于三角波的周期Tt 的1/2。

利用自然采樣法可以得到舉例公式：

式中，d（t）為輸出的PWM 信號。

通過比較基準(zhǔn)正弦波與三角波的相位差，得到最終的開關(guān)模式。當(dāng)基準(zhǔn)正弦波的幅值大于三角波，在交點(diǎn)之前的時間段內(nèi)，PWM 信號為高電平；當(dāng)基準(zhǔn)正弦波的幅值小于三角波，在交點(diǎn)之后的時間段內(nèi)，PWM 信號為低電平。三角波產(chǎn)生電路如圖1所示。

圖1 三角波產(chǎn)生電路

對于不對稱規(guī)則采樣法來實(shí)現(xiàn)SPWM，采樣點(diǎn)在三角波的頂點(diǎn)位置和底點(diǎn)位置進(jìn)行采樣，從而形成階梯波形。由采樣點(diǎn)與三角波的交點(diǎn)位置確定脈沖寬度，但在一個三角波周期內(nèi)，這些交點(diǎn)的位置是不對稱的。舉例公式：

式中，Ts 為采樣周期；P 為相位偏移。采樣點(diǎn)分別在三角波的頂點(diǎn)位置和底點(diǎn)位置，根據(jù)采樣點(diǎn)與三角波的交點(diǎn)位置，確定PWM 信號的脈沖寬度。當(dāng)基準(zhǔn)正弦波的幅值大于三角波時，在交點(diǎn)之前的時間段內(nèi)，PWM 信號為高電平；當(dāng)基準(zhǔn)正弦波的幅值小于三角波時，在交點(diǎn)之后的時間段內(nèi)，相比于對稱規(guī)則采樣法，SPWM 的高效能電網(wǎng)充放電控制可以更靈活地調(diào)整采樣點(diǎn)的位置和脈沖寬度，以滿足具體需求。這種采樣方法在實(shí)際應(yīng)用中常用于調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)輸出功率。

4.2 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證算法效果

4.2.1 精確控制高效能電網(wǎng)充放電功率的脈沖寬度調(diào)節(jié)算法

首先，根據(jù)需要調(diào)節(jié)的電網(wǎng)輸出功率以及系統(tǒng)要求，確定采樣點(diǎn)在三角波的頂點(diǎn)位置和底點(diǎn)位置。這個過程可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行靈活調(diào)整。根據(jù)采樣點(diǎn)與三角波的交點(diǎn)位置，可以確定PWM 信號的脈沖寬度。當(dāng)基準(zhǔn)正弦波的幅值大于三角波時，在交點(diǎn)之前的時間段內(nèi)，PWM 信號為高電平；當(dāng)基準(zhǔn)正弦波的幅值小于三角波時，在交點(diǎn)之后的時間段內(nèi)，PWM 信號為低電平。根據(jù)電網(wǎng)輸出功率需求和系統(tǒng)要求，可以通過調(diào)整三角波的頻率和幅值來影響脈沖寬度。較高的頻率可以提供更高的精度和響應(yīng)速度，而較大的幅值可以提供更大的功率范圍,以實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)充放電功率的精確控制。

4.2.2 高效能電網(wǎng)充放電控制算法與傳統(tǒng)控制方案的比較

在高效能電網(wǎng)充放電控制算法的性能指標(biāo)下，電網(wǎng)充放電系統(tǒng)的效率和性能指標(biāo)可能會有所變化。通過分析電芯充放電功率特性，并結(jié)合動力電池在不同環(huán)境、不同工況下的充放電能力，提出合理的充放電條件及閾值。根據(jù)電池特性和系統(tǒng)需求，設(shè)定適當(dāng)?shù)姆烹婋娏魃舷藓拖孪?，確保電池在安全范圍內(nèi)進(jìn)行放電。監(jiān)測電池的輸出電壓和溫度，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的上限時采取相應(yīng)的措施，如降低放電電流或停止放電，以保護(hù)電池的安全性。監(jiān)測電池組的總電壓、單體電壓、電流和溫度。高效能電網(wǎng)充放電控制算法與傳統(tǒng)充放電控制對比見表2。

表2 高效能電網(wǎng)充放電控制算法與傳統(tǒng)充放電控制對比

通過調(diào)節(jié)脈沖寬度，充放電系統(tǒng)可以根據(jù)電網(wǎng)需求實(shí)時調(diào)整充放電功率，以滿足不同負(fù)荷條件的要求。這確保了電網(wǎng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，并避免因充放電功率波動引起的能量浪費(fèi)或電網(wǎng)瞬態(tài)過載。該算法的性能對比分析主要包括與傳統(tǒng)充放電控制的比較以及不同SPWM 調(diào)制方式的對比。與傳統(tǒng)的充放電控制算法相比，基于SPWM 的算法具有更高的精度和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)算法容易受到干擾和參數(shù)變化的影響，導(dǎo)致充放電過程的不穩(wěn)定性和效率較低。而基于SPWM 的算法利用精確的信號調(diào)制技術(shù)，可在實(shí)時動態(tài)環(huán)境下迅速響應(yīng)電網(wǎng)的變化，并準(zhǔn)確控制充放電過程，提高了電池的使用效率和壽命。

5 結(jié)語

基于SPWM 的充放電控制算法在電網(wǎng)充放電系統(tǒng)中具有一定的技術(shù)優(yōu)勢。該算法能夠提高充放電效率、減少能源損耗并保證電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。未來可以進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)該算法，結(jié)合智能化和自適應(yīng)控制技術(shù)，以滿足不斷發(fā)展的能源領(lǐng)域的需求，并提高電網(wǎng)充放電系統(tǒng)的效能和可靠性。