電池儲能技術控制方法研究

李建林

（中國電力科學研究院，北京 100192）

隨著大規模間歇式能源并網，其特有的波動性和隨機性對電網的安全穩定運行帶來了影響，而儲能技術是解決這些問題的有效手段之一。其中，儲能系統的充放電特性對其在并網中的配置、不同工況的作用效果有著深遠的影響，特別是在實際運行中，儲能與負荷之間通過變化器進行能量交換，其控制方式直接影響電池性能和使用壽命。

基于此，本文總結了儲能若干控制策略，基于功率型儲能電池響應快、壽命長、容量小，能夠高頻快速充放電，適合補償短時功率波動和能量型儲能電池大容量、響應慢，低頻充放電，適合補償長時功率波動的不同特點。針對某一實例，分別對網側變流器以及雙向DC/DC變流器進行了設計，組成用于風儲混合系統的PCS仿真。

1 幾種常見控制方法簡介

1）滯環控制

滯環控制，也叫作Bang-Bang控制或紋波調節器控制，即將輸出電壓維持在內部參考電壓為中心的滯環寬度內。滯環控制屬于閉環電流跟蹤控制方法，最初用于控制電壓型逆變器的交流電流輸出，是最簡單的電流控制方式。滯環電流控制的特點是：控制方式簡單、動態響應快、具有內在的電流限制能力。電流滯環瞬時比較控制不依賴于變流器系統的數學模型、系統參數，從而也不需要對系統模型進行近似和簡化處理。但是，滯環控制的開關頻率不固定，使電路工作可靠性下降，輸出電壓的頻譜變差，對系統性能不利。

2）無差拍控制

無差拍控制是一種基于被控制對象精確數學模型的控制方法。控制的基本思想是根據逆變器的狀態方程和輸出反饋信號（通常是輸出濾波電容的電壓和電流）推算出下一個開關周期的PWM脈沖寬度。由于采樣和計算延時，要做到當拍計算當拍輸出必然使輸出脈沖的占空比受到限制，這就降低了輸入直流電壓的利用率。另外，系統的魯棒性較差。

3）滑?？刂?/p>

滑?？刂剖且环N非線性控制，這種控制的特點是控制的非連續性，它使系統在一定條件下沿著規定的軌跡作高頻率、小振幅的上下運動。由于系統的特性和參數只取決于設計的切換超平面而與外界干擾沒有關系，所以滑模變結構控制具有很強的魯棒性，但也存在控制系統穩態效果不佳、理想滑模切換面難于選取、控制效果受采樣率的影響等弱點。

4）重復控制

重復控制是一種基于內模原理的控制方法，其控制思想是假定前一周期出現的輸出電壓波形畸變將在下一周期的同一時刻再次出現，控制器根據參考信號和輸出電壓反饋信號的誤差來確定所需的校正信號，然后，在下一個基波周期將此校正信號疊加在原控制信號上，這樣就可以消除輸出電壓的周期性畸變。

重復控制器可以消除周期性干擾產生的穩態誤差，但是，由于重復控制延時一個工頻周期的控制特點，使得單獨使用重復控制的變流器動態特性極差，無法滿足變流器的指標要求。

5）模糊控制

模糊控制屬于智能控制的范疇，其具有很強的魯棒性和自適應性。逆變器采用模糊控制有利于提高控制的實時性，改善逆變器輸出電壓波形質量。模糊控制主要依賴模糊規則和模糊變量的隸屬度函數。模糊控制類似于傳統的PD控制，因而，這種控制有很快的響應速度，但是其靜態特性不令人滿意。

6）神經網絡控制

神經網絡控制是模擬人腦神經中樞系統智能活動的一種控制方式。神經網絡具有非線性映射能力，并行計算能力和較強的魯棒性等優點，已廣泛地應用于控制領域，尤其是非線性系統領域。但是，由于硬件系統的限制，目前神經網絡控制還無法實現對逆變器輸出電壓波形進行在線控制，多數應用都是采用離線學習獲得優化的控制規律，然后利用得到的規律實現在線控制。

2 實例仿真

電網電壓為380 V，控制直流母線電壓為700 V，系統的容量為100 kW。假設有2種充放電特性的電池儲能系統。一種是具有響應快、長壽命、小容量，能夠高頻快速充放電的功率型儲能電池，這種電池適合補償短時功率波動。另一種是具有大容量、響應慢，低頻充放電的能量型儲能電池，這種電池適合補償長時功率波動。通過這兩種電池對風電出力進行平滑，達到并網要求。

針對實例，分別對網側變流器以及雙向DC/DC變流器的進行設計，組成用于風儲混合系統的PCS系統并進行仿真驗證。

2.1 DC/DC環節控制策略

為了對電池進行功率和能量管理，必須對雙向DC/DC變流器進行閉環控制，從而實現對電池儲能的充放電控制。雙向DC/DC變流器采用電感電流內環和瞬時值電壓外環控制。電流環采用電感電流內環，在電池儲能狀態時，電感電流內環的閉環控制實現了對電池充電電流的控制，保護開關管的安全；在電池釋能狀態時，電感電流內環提高了系統的快速響應性能。電壓環采用直流母線電壓外環，目的是維持并網變流器的直流母線電壓穩定，使并網變流器能夠輸送恒定功率。

圖1 DC/DC變換器控制框圖Fig.1 DC/DC converter control block diagram

2.2 DC/AC及濾波器環節

由于DC/AC變流器的控制參數采樣來自并網濾波器，因此將兩部分合并分析。

圖2 單電感變流器控制策略圖Fig.2 Single inductance converter control strategy

單電感變流器的控制系統框圖，其中dq軸電流的微分和乘積項可以用PI調節器來得到，后面的補償項可以通過簡單的運算加到dq軸電壓指令中。

負反饋系統的結構如圖3所示。

圖3 負反饋系統Fig.3 Negative feedback system

其中R（s）為給定信號，C（s）為輸出信號，B（s）為反饋采樣信號，E（s）為誤差信號，G（s）為被控系統的傳遞函數。

由此可以求出系統的閉環傳遞函數：

由此可以求出系統的特征方程：

對于穩定的系統，特征方程F（s）的根都在s平面的左半平面，或是說閉環傳遞函數的極點都是位于s平面的左半平面。

LCL濾波器是三階傳遞函數，LCL濾波的逆變器PI控制器設計復雜，考慮到LCL濾波器和L濾波器低頻特性一致，因此可以根據等效的單L濾波的變流器數學模型來設計調節器。圖4所示為LCL變流器控制框圖。電感值為LT的純電感并網逆變器的dq坐標系下的數學模型為：

圖4 LCL變流器控制框圖Fig.4 LCL converter control diagram

考慮用電容電流的引入代替電流補償傳遞函數。因此，電流內環控制框圖可變為圖5：

圖5 加入電容電流補償后的電流內環控制圖Fig.5 Current inner loop control diagram after adding capacitance current compensation

3 仿真結果

綜合對DC/DC環節、DC/AC環節和濾波器的分析，提出用于風儲混合系統的PCS系統。其整體拓撲框圖如圖6。

仿真所得關鍵曲線如圖7~11所示。

圖7所示黑色曲線、綠色曲線分別為平滑前、平滑后輸出曲線，紅色曲線為多類型電池聯合出力曲線；圖8~9分別電池高頻與低頻充放電功率曲線；圖10~11高、低頻電池SOC曲線。

4 結論

仿真結果表明，實例中的電池儲能能夠平滑風電輸出的波動，達到并網要求。2種不同類型的儲能電池，能夠優勢互補，利于延長儲能電池壽命。

圖6 PCS系統拓撲結構Fig.6 PCS system topological structure

圖7 平滑輸出曲線Fig.7 Smooth output curve

圖8 電池高頻充放電功率曲線Fig.8 Battery high frequency charging and discharging power curves

圖9 電池低頻充放電功率曲線Fig.9 Battery low frequency charging and discharging power curves

圖10 高頻電池SOC曲線Fig.10 High frequency battery SOC curve

圖11 低頻電池SOC曲線Fig.11 Low frequency battery SOC curve

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