基于蓄電池的儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電研究

閆姝含，張俊國(guó)

（黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022）

0 引 言

在微電網(wǎng)中，直流微電網(wǎng)的功率波動(dòng)會(huì)引起直流側(cè)母線電壓隨之波動(dòng)，從而導(dǎo)致直流側(cè)母線電壓內(nèi)部負(fù)荷進(jìn)一步受到關(guān)聯(lián)影響[1-3]。如果分布式電源的輸出功率和實(shí)際的負(fù)荷出現(xiàn)不平衡狀況，此時(shí)多余能量則被儲(chǔ)能裝置吸收，這部分系統(tǒng)不足的能量則需要由儲(chǔ)能裝置進(jìn)行彌補(bǔ)。本文所用蓄電池的充放電控制策略，即并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)處于待機(jī)狀態(tài)，而孤島運(yùn)行時(shí)采用恒壓充（放）電控制。

1 儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

該系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)能裝置接入直流微電網(wǎng)示意圖

當(dāng)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)功率平衡時(shí)，滿足關(guān)系式：

式中，PS代表儲(chǔ)能裝置的吸收功率，PDG代表電源發(fā)出功率，PLOAD代表整個(gè)電網(wǎng)內(nèi)部負(fù)荷功率，PG代表該微電網(wǎng)系統(tǒng)與大電網(wǎng)并入后的實(shí)際功率。本文選用鉛酸蓄電池組完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2 鉛酸蓄電池模型

鉛酸蓄電池是一種常見的電量?jī)?chǔ)存裝置，電路模型有很多，常見的歸納總結(jié)如下。

2.1 蓄電池理想模型

鉛酸蓄電池理想模型的輸出電壓計(jì)算公式如下：

式中，Ebat代表蓄電池電動(dòng)勢(shì)；RS代表該電池的等效內(nèi)阻，往往可以從實(shí)驗(yàn)中獲得。

這個(gè)模型中，相應(yīng)的參數(shù)都是恒定不變的狀態(tài)，能夠有效反映在蓄電池中向電量的具體變化情況，也可以結(jié)合各模型綜合演變而來(lái)。但是，這一模型并沒(méi)有全面考慮蓄電池的消耗狀況，在時(shí)間應(yīng)用過(guò)程中也不符合常理，所以應(yīng)用也存在一定的局限性。

2.2 蓄電池的改進(jìn)模型

假設(shè)蓄電池是開路狀態(tài)，同時(shí)電壓穩(wěn)定不變，它的內(nèi)阻大小與荷電狀態(tài)有明確關(guān)聯(lián)，具體的公式表達(dá)如下：

其中SOC代表荷電狀態(tài)，R0代表在電池充電狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的內(nèi)部電阻值大小。如果該蓄電池的電荷狀態(tài)為滿狀態(tài)，那么R0取值為100%。k則代表與該電池放電速度相關(guān)的函數(shù)。

荷電狀態(tài)具體的表達(dá)公式為：

式中，Q代表蓄電池容量大小，Cbat代表電池容量，ibat代表平均放電電流的變化量。

3 蓄電池充放電路及控制策略

雙向DC/DC轉(zhuǎn)換電路中包含兩個(gè)IGBT，能量在雙向流動(dòng)的過(guò)程中可以通過(guò)對(duì)兩個(gè)IGBT的控制進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)間接控制[4-5]。由于變換器能夠?qū)⒛芰糠聪蜻M(jìn)行輸入，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在各類能量?jī)?chǔ)存裝置中，原理如圖2所示。其中，U為電源側(cè)電壓，US為蓄電池端電壓。

圖2 雙向DC/DC變換電路

對(duì)于整個(gè)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)而言，由于建設(shè)成本限制和電源分布有一定的隨機(jī)性等特點(diǎn)，在儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì)上需要考慮部分特殊性質(zhì)。綜合考慮后，本文采用恒壓充放電控制策略。

根據(jù)圖3可知，完成對(duì)蓄電池充電過(guò)程電壓的恒定本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是要保證電壓的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)這一效果必須要采用電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。假定該蓄電池參考電壓大小為Ubref，實(shí)際的蓄電池端的電壓大小為Ubat，將兩者進(jìn)行比對(duì)后可以得出參考電流信號(hào)Ibref，將該信號(hào)經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器處理后，可以借助調(diào)制器進(jìn)一步生成PWM信號(hào)，后續(xù)可以通過(guò)該控制波對(duì)充電電路開關(guān)管進(jìn)行有效控制，從而防止充電過(guò)程出現(xiàn)電流過(guò)大的現(xiàn)象，最終對(duì)系統(tǒng)的各部分原件起到良好的保護(hù)作用[6]。

對(duì)于蓄電池恒壓放電控制來(lái)說(shuō)，與恒壓充電原理類似，首先從內(nèi)環(huán)和外環(huán)兩個(gè)部分分別對(duì)放電測(cè)的電流值和直流測(cè)的電壓值進(jìn)行全面控制。對(duì)于外環(huán)而言，母線端電壓Udc需要實(shí)時(shí)與參考值U'dc進(jìn)行比對(duì)，兩者之間的差量會(huì)被傳輸?shù)絇I調(diào)節(jié)器。在完成一個(gè)電流限幅的環(huán)節(jié)后，它會(huì)輸入給定的電流參考值Iref給內(nèi)環(huán)，并與實(shí)際的蓄電池內(nèi)電流Ibat作出比對(duì)。這部分信號(hào)也會(huì)由PI調(diào)節(jié)器生成，相關(guān)的PWM控制波能夠完成對(duì)該電路的全面控制。

圖3 蓄電池恒壓充電原理示意框圖

由于蓄電池使用有一定的壽命，為了延長(zhǎng)該電池的使用時(shí)間，本文設(shè)定了合理的蓄電池充放電運(yùn)行區(qū)間，如圖4所示。在達(dá)到90%電荷狀態(tài)時(shí)停止充電；如果電荷狀態(tài)在40%以下，則不讓變流器工作，蓄電池此時(shí)則不能執(zhí)行放電動(dòng)作，需調(diào)整負(fù)載進(jìn)一步降低對(duì)電池的使用壓力。

4 仿真結(jié)果分析

系統(tǒng)的整體仿真模型如圖5所示。系統(tǒng)仿真中，電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)分別設(shè)置為Kp=0.3，Ki=15；電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)分別設(shè)置為Kp=1，Ki=30。另外，為了模擬蓄電池的充放電控制，采用受控電壓源進(jìn)行模擬設(shè)置。其中，t=0.4～1.2 s時(shí)負(fù)載特性為消耗蓄電池電能，t=1.2 s轉(zhuǎn)換為給蓄電池進(jìn)行充電。仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖4 蓄電池充放電運(yùn)行區(qū)間

圖5 系統(tǒng)整體仿真

圖6 蓄電池的輸出功率變化曲線

圖7 蓄電池SOC的變化曲線

圖6和圖7分別反映了蓄電池輸出功率和內(nèi)部電量SOC的變化曲線。當(dāng)蓄電池輸出功率為正或者SOC逐步減小時(shí)，此時(shí)蓄電池進(jìn)行放電過(guò)程。相反，當(dāng)蓄電池輸出功率為負(fù)數(shù)或者SOC逐步增加時(shí)，此時(shí)蓄電池進(jìn)行充電過(guò)程。通過(guò)仿真驗(yàn)證，得到的仿真結(jié)果與理論分析一致，證明了該系統(tǒng)研究的可行性和正確性。

5 結(jié) 論

本文對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)接入直流微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)開展詳細(xì)分析，選用鉛酸蓄電池并配備全面的充放電電路作為設(shè)計(jì)的主要儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)，分析儲(chǔ)能系統(tǒng)原理和DC/DC換路充放電路的理論，并在Matlab/Simulink仿真軟件中對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的可行性。