電池儲能雙向變流系統控制方法的研究

袁 泉，曾國宏，金新民

（1.中國南方電網電力調度控制中心，廣東廣州 510600；2.國家能源主動配電網技術研發中心（北京交通大學），北京 100044）

0 引言

在節能減排和積極推進智能電網的大背景下，以風力發電、光伏發電為代表的新能源發電技術越來越受到國家的重視，與之相關的大容量電池儲能技術也受到廣泛的關注[1-2]。大容量電池儲能系統可以應用于新能源發電領域、微電網領域和應急電源領域[3]。

電池儲能系統中的能量轉換系統（PCS:Power Con?version System），可以實現能量在電池與電網之間的雙向傳輸[4-7]。僅由單個PWM變流器構成的傳統能量轉換系統無法靈活配置儲能系統的容量，也無法分組管理電池簇。

本文作者研究了一種在電池側引入了雙向DC/DC變換器，從而可以靈活配置電池容量的能量轉換系統（PCS）以及相應的控制策略。對多電池組雙向變流系統的工作原理進行了分析，特別是對于各個部分的控制策略以及相互間的協調策略進行了重點研究，搭建了Maltab仿真模型。實驗結果表明，該系統運行可靠，可以實現對多簇電池進行充/放電控制，并且能實現穩定運行。

1 電池儲能系統結構

該能量轉換系統（PCS）功率采用15個雙向DC/DC變換器（DC/DC）和1個雙向PWM并網變流器(DC/AC)并聯的形式，可以分別和15簇不同的電池組相連。其中將每3個雙向DC/DC變換器設計在1個DC/DC功率柜體中，構成一個DC/DC模塊。如圖1所示。雙向DC/DC變換器拓撲結構有很多種，該項目的雙向DC/DC變換器選擇非隔離半橋型電路，其拓撲結構如圖2所示。由于采用多個雙向DC/DC變換器，電池簇之間可以實現單獨充放電，從而電池簇之間不會產生環流。同時使得電池工作電壓范圍得以擴大。全橋型電壓型電路的雙向PWM變流器采用SVPWM算法，具有直流電壓利用率高，動態響應快的特點。

圖1 電池儲能系統PCS結構圖Fig.1 Thesystemstructureof PCS

圖2 雙向DC/DC變換器拓撲結構Fig.2 Topology structureof DC/DC

2 控制策略

電池儲能系統的控制策略主要有2個部分，分別是DC/DC控制策略和DC/AC控制策略，可以實現儲能系統不同的工作模式運行，主要有恒流模式和恒壓模式兩種運行方式。

2.1 DC/DC控制原理

雙向DC/DC變換器與電池簇相連接，按指令控制電池側的充/放電電流。

放電狀態下，雙向DC/DC變換器處于boost電路模式。在任意占空比D的情況下，電流iL的變化過程如圖3所示。

可以推出：

式中：I0-4為電流；T為開關時間；Ton為開關導通時間；D=Ton/T

由式（1）推出：

由式（3）可以看出，穩態時占空比Dw只與電池側電壓Vb和中間直流側Vdc有關；從式（4）可以看出，電流的增量ΔI與占空比的增量ΔD有關；電流變化量可以通過式（5）來調整占空比的增量ΔD，從而實現控制電流的目的。

充電模式下，雙向DC/DC變換器處于buck電路模式。分析其電流變化過程，也可以得到與式（5）相同的結論。

圖3 放電狀態下電流變化示意圖Fig.3 Current changein dischargestate

3.2 恒流模式

恒流模式下雙向DC/DC變流器對電池組的充電/放電電流保持恒定不變，雙向PWM變流器以±1功率因數并網，處于整流/逆變狀態。雙向DC/DC變流器主要作用是按照指令電流對電池組進行充電/放電。采用電流閉環控制，比較電感電流實際值iL與指令值iL*，產生誤差控制信號Δi，經過PI調節器，然后經過上述公式計算出對應的占空比，從而產生PWM脈沖信號，使實際電流跟蹤指令值。

雙向PWM變流器一般采用雙閉環控制，即采用電壓外環和電流內環的控制方法，維持中間直流側的電壓的恒定。

圖4 雙向DC/DC變換器電流環控制框圖Fig.4 Current loop control block blocks

3.3 穩壓模式

穩壓模式下，雙向PWM變流器以±1功率因數并網，處于整流/逆變狀態，控制整個電池儲能系統的輸出功率；雙向DC/DC變流器，根據雙向PWM變流器的輸入/輸出功率，對電池組進行充電/放電，維持中間直流側的電壓的恒定，但是充/放電流不再保持恒定不變。

與恒流模式下相比，PWM變流器只有電流內環。控制框圖如圖5所示。

圖5 雙向PWM變流器單環控制框圖Fig.5 Singleloop control block

雙向DC/DC變換器主要采用雙閉環控制，在恒流模式基礎上增加一個電壓外環。其策略為，先比較中間直流側電壓Vdc和指令電壓值Vdc*，從而得到指令電流iL*，再比較電感電流實際值與指令值，從而產生誤差控制信號Δi?？刂瓶驁D如圖6所示。

圖6 雙向DC/DC變換器雙閉環控制框圖Fig.6 Doubleclosed loop control of DC/DC

圖7 電池儲能雙向PCS仿真模型Fig.7 Thesystemsimulation diagram

4 仿真研究

為了驗證上述的控制策略，利用Matlab搭建了100 kW電池儲能系統雙向PCS的仿真模型，如圖7所示。其中包括5路DC/DC雙向變換器，1個雙向PWM整流器。電池組電壓Vbat=650 V，中間直流電壓Vdc=850 V，電網線電壓Vg=380 V，DC/DC開關頻率10 kHz，PWM整流器開關頻率3 kHz。

4.1 恒流模式

恒流模式下，PCS以100 kW功率向電網放電，PWM整流器處于逆變狀態，單組DC/DC雙向變流器功率20 kW，電池組電壓650 V，放電電流指令值31 A。仿真波形如圖8所示。其中，電網側電流以流出電網為參考正方向。從波形可以看出，放電電流Ib很好地跟蹤了放電電流指令，保持在31 A附近，中間直流電壓穩定在850 V。電網側A相功率因數接近-1。

同理，令PCS以100 kW功率向電池充電，充電狀態的仿真波形如圖9所示。從波形可以看出，充電電流Ib很好地跟蹤了放電電流指令，保持在31 A附近，中間直流電壓穩定在850 V。電網側A相功率因數接近1。

4.2 穩壓模式

穩壓模式下，PCS以100 kW功率向電網放電，PWM整流器處于逆變狀態，單組DC/DC雙向變流器功率20 kW，中間直流電壓給定值850 V，此時放電電流大約31 A。仿真波形如圖10所示。從仿真波形可以的看出，電網側A相功率因數接近-1，中間直流電壓穩定在850 V左右。放電電流Ib很好的維持在30 A附近。PCS處于充電狀態時，仿真波形與此類似。

5 實驗

研制了一臺電池儲能雙向變流系統樣機，容量為100 kW，包括1個與電網相連的雙向PWM變流器，5個DC/DC模塊，一共15路DC/DC變換器分別與電池簇相連。采用單體額定3.2 V的磷酸亞鐵鋰電池，中間直流側的電壓為Vdc=850 V，電網側線電壓有效值Vg=380 V；DC/DC變換器開關頻率為10 kHz，PWM變流器開關頻率為3 kHz。

圖8 恒流模式放電波形Fig.8 Dischargewaveform

圖10 穩壓模式放電波形Fig.10 Dischargewaveform

電池簇放電波形如圖11所示，指令電流為15A，以流出電池方向為正參考方向。從圖11以看出放電電流為15A，電流紋波很小，較好地跟蹤了指令電流。

并網波形如圖12所示，其中電流以流向電網為正方向。圖12(a)為電池放電時的波形，可以看出直流電壓穩定在850 V，電流和電壓兩者的相位相同，功率因數接近+1。圖12(b)為電池充電時的波形，可以看出直流電壓穩定在850 V，電流和電壓兩者的相位相反，功率因數接近-1。

圖9 恒流模式充電波形Fig.9 Chargewaveform

圖11 恒流放電實驗波形Fig.11 Dischargeexperimental waveform

圖12 并網實驗波形Fig.12 Waveformof grid-connectingexperiments

5 結論

對于電池儲能系統的工作原理進行了分析，研究了一種由多個DC/DC模塊和DC/AC模塊構成的多電池組雙向變流系統的相互協調控制策略。搭建了Maltab仿真模型，提出了恒流控制和穩壓控制兩種控制方法，仿真驗證了控制策略的有效性。搭建了的試驗樣機表明，該控制方法能對多簇電池進行充/放電控制，其功率因數很高，運行可靠，為其他多電池組雙向變流的設計提供了一種可行的參考方案。