釩電池儲能系統的控制的MATLAB仿真

趙珊+董睿+楊培新+張獻華

摘要：針對儲能系統中釩電池端電壓及充放電控制模式變換對釩電池安全運行的影響。釩電池是目前集環保、重復利用率高的新型儲能方式，所以研究釩電池儲能系統的控制問題也就成為了當前的研究熱點。

關鍵詞：風電并網；儲能；釩電池；功率控制；

1 引言

本論文利用功率解耦控制的方法研究，基于CLC型濾波器的背靠背的儲能逆變為平臺，研究了基于釩電池儲能的光伏微電網并網運行的控制策略。以仿真為實驗平臺來研究釩電池的充放電控制特性。

2 儲能變流器的主電路圖

釩電池儲能變流器包括有整流逆變功能的DC/AC的變流器，還有具有能量雙向流動功能的DC/DC的變換器完成直流變換，并且能在不同的模式之間自由的切換，以達到對釩電池的快速有效的充放電控制功能。

釩電池儲能控制系統能否高效運行，很大程度上取決于對PWM變流器的控制，通過控制DC/DC變流器既可以準確控制釩電池輸出的有功功率；控制網側變流器DC/AC可以實現網側單位功率因數控制或功率因數調整控制，達到在升壓模式與降壓模式之間可以自由的切換，配合儲能系統其余部分，安全可靠的將釩電池儲存的能量回饋到電網和將電網的富裕的電能儲存到釩電池中。

二、儲能系統變流器的數學模型

Buck-Boost電路中V1保持判斷，V2以一定的占空比通斷，則電路實現Boost功能。反之，電路實現Buck功能。無論電路實現的是Buck功能，還是Boost功能，其數學模型相似，只需考慮電流ib方向的不一致性。下面僅討論電路實現Boost功能時儲能系統主電路的數學模型。當電路Boost實現功能，且V1保持關斷、V2導通時的等效電路如圖2所示。

以下給出上述等效電路D-Q旋轉坐標系下的數學模型，D-Q坐標的旋轉頻率為交流系統頻率，D軸與系統電壓矢量重合，Q軸超前D軸90度。

式中：ib、id、iq、udc分別為儲電池放電電流、交流側電流矢量的D、Q軸分量、直流側電壓；md、mq分別為變流器的開關函數的D、Q軸分量；Lb、R、L、C分別為斬波電路低壓側電感、交流系統等效電阻、等效電感、變流器直流側電容；ω、Esd分別為變流系統電壓的角頻率、交流系統電壓矢量的D軸分量。

當電路實現Boost功能，且V1保持關斷、V2關斷時的等效電路，同理可進行分析。

三、儲能系統變流器的控制策略

圖4所示為釩電池儲能系統的控制系統框圖，整體采用電壓電流雙閉環控制，包括外環電壓PI控制，電流重復控制、及DC/DC側的直流電流PI控制。并網控制系統包括無延時的IP-IQ無功電流檢測。直流側參考電壓與直流側的沒量電壓的差值，作為PI控制器的輸入，PI控制器的輸出進行限幅后，即可獲得內環控制的指令電流值。網側變流器單元的電流內環控制采用重復控制。PWM變流器中死區效應和非線性負載的加入都會影響逆變器輸出電壓的質量。

四、仿真分析

4.1仿真模型的建立

（1）釩電池儲能系統的額定容量為125KW，單元的直流側直流電壓控制在800V；電網電源的母線電壓380V。

（2）整流側采用D-Q同步旋轉坐標系的空間矢量控制策略，逆變側負載采用的是電阻負載定時投切，控制策略為電流PI控制。

4.2釩電池儲能系統的仿真研究

仿真參數：電網電壓的相電壓峰值：310V；直流母線電壓為800V；交流側采用CLC聯接：電容值、電感值與電容值分別對應為40UF、0.2mH、40UF；直流側的電容為500UF；開關頻率為1KHZ；單元的進線與出線側的電抗值為0.5mH。

仿真針對不同的時刻，改變DC/DC側的負載阻抗，進而改變負載側的電流值，從而觀察直流電壓的波動情況及DC/DC單元輸出側的電流波動，同時也觀測了DC/DC單元的載波移相及各分相的電流信號。本仿真只是針對儲能變流器的充電進行了描述，放電原理與充電原理相同，這里就不在重復的仿真與論述。

在T1=0.02S、T1=0.04S及T2=0.06S時刻分別在單元DC/DC的降壓側分時加入了R=6毆姆的負載電阻。當T1=0.02S時，A相、B相、C相的電流值分別為、38A、40A、42A，單元的直流電壓值有S的振蕩后，恢復到設定值800V。當T1=0.04S時，A相、B相、C相的電流值分別為、74A、74A、76A，單元的直流電壓值有S的振蕩后，恢復到設定值800V。當T1=0.06S時，A相、B相、C相的電流值分別為、130A、130A、132A，單元的直流電壓值有S的振蕩后，恢復到設定值800V。單元DC/DC側載波采用的圖6 為單元直流電壓的波動波形。

五、結語

采用重復控制的電流內環直流電壓PI外環控制器，能保證釩電池儲能變流器系統在電網或是負載發生變化時進行快速充放電，平抑風電場輸出波動；采用重復控制的電流內環直流電壓PI外環控制方法實現了儲能系統雙向AC/DC變流器的線性化解耦控制，儲能系統輸出的有功和無功功率可獨立調節。

參考文獻：

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