光伏微電網中電儲能系統與控制探究

程益德，劉 嘉，關學忠

（南京國電南自電網自動化有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著科學技術的不斷發展和進步，光伏微電網應用受到了廣泛關注，要重視儲能系統的應用要點，滿足技術保障的同時實現系統控制的目標，從而實現經濟效益和社會效益的雙贏。

1 光伏微電網中電儲能系統概述

光伏微電網中，電儲能系統是微電網的重要組成部分，能滿足系統能量的雙向流動，不僅可以實現外部系統能量獲取，為電池充電，還可以有效實現電池放電，保證外部系統供電正常。

1.1 系統組成

系統組成主要包括電池系統（Battery System，BS）、 功 率 變 換 系 統（Power Conversion System，PCS）以及電池管理系統（Battery Management System，BMS）等，如圖1所示。依據內部組成結構，建立完整的模型，從而開展控制措施，能在強化儲能技術應用效果的基礎上保證微電網運行的規范性，也為整個系統應用效率的提高奠定基礎[1]。

圖1 系統組成

1.2 原理和模型

在光伏微電網系統應用過程中，蓄電池是基本的儲能介質，內部化學物正負極活性物質的氧化過程和還原過程是為外部傳輸電流提供支持的關鍵，保證充放電反應有序落實，其通用等效電路如圖2所示。

圖2 蓄電池通用等效電路

模型本身是受控電壓源和微小內電阻串聯形成的結構，結合放電特性測試結果就能繪制對應曲線，然后評估等效模型參數，就能了解電池充放電狀態下荷電的變化情況，從而有效建立對應合理的控制機制[2]。

1.3 控制方式

對于光伏微電網中電儲能系統應用而言，要優選蓄電池單元完成充放電控制工作，從而確保功率切換器能結合實際應用情況完善控制方案。在傳統處理體系中，蓄電池的充電方式較多，多數都是依據馬斯曲線進行變換，其中較為常見的就是恒流限壓、恒壓限流以及脈沖電流充電等，借助單一電壓或電流變量控制方式，從而完成充電處理。但是這些方式對電池的使用壽命會產生一定程度上的影響，制約充電效果。基于此，階段式充電受到廣泛關注，這種方式有效彌補了單一變量控制時間不足的問題，實現二階段充電處理。在充電前進行恒流控制，當電池電壓參數出現升高并達到給定值后，轉變為恒壓控制充電，能夠有效延長電池的使用壽命，保證充電安全性[3]。

2 光伏微電網中電儲能系統控制要點

為了保證相應的控制效果滿足預期，要整合具體的控制單元和控制規范，確保電儲能系統控制效果的最優化，維持設計效果的合理性。

2.1 控制系統總體設計

微電網并網處理后，電儲能系統會隨之出現變化，此時設計光伏微電網電儲能系統控制單元要結合具體應用標準落實具體工作，從而維持系統的總體設計效果。在整個系統中，除了電網、發電系統，還包括負載系統和儲能變換器，結合電路控制系統，就能建立完整的應用模式，匹配儲能控制單元[4]。

儲能控制單元中，數字信號處理（Digital Signal Process，DSP）控制器和繼電保護電路是主要組成部分，并且控制器利用的是TMS320F28335控制芯片，整體計算應用效能較好。與此同時，雙極式變流結構電路能夠實現儲能功能的變換控制。雙芯片DSP控制四橋臂變流器和DC/DC變換器，而且在控制系統中還存在預充電模塊，能維持電流應用，確保電流變化情況下不會引起開關管的損壞。另外，基于交流負載側設計儲能系統，也要綜合分析光伏發電量和負載消耗情況，確保微網系統調節的合理性，維持儲能和功率的平衡，為系統的安全穩定運行予以支持。

2.2 控制系統應用策略

2.2.1 儲能功率變換器

對于光伏微電網中電儲能系統控制而言，放電狀態和電網系統內部各組成部件的運行情況有著密切的聯系，要想建立完整的控制模式，就要結合實際應用環境，建立完整且合理的檢測機制，從而定期檢測光伏單元發電狀態以及對應的負載要求，以便于明確評估儲能系統充放電運行的策略。基于此，一般采取雙極式四橋臂儲能功率變換器對電網予以有效控制，并能及時分析光伏系統和電流負載參數，評估儲能系統中電池充放電控制的合理性和規范性。

2.2.2 儲能功率變換系統

光伏微電網的電儲能系統控制方案設計中，要確保儲能功率變換系統運行的穩定性，維持在三相電網結構中及時調整電壓參數和電流參數，并實現蓄電池的持續性放電，保證充放電的平衡性（圖3）。依據光伏微電網發電系統的運行情況可知，儲能系統配置儲能單元功率的要求較高，一般會擴充為電池組。與此同時，要結合光伏發電并網和自動重合閘、繼電保護之間的關系，維持變換處理參數的合理性[5]。

圖3 充放電狀態

2.2.3 DSP核心控制電路

在DSP核心控制電路中，要利用運算處理的方式完成系統數據的采樣操作，并結合設定目標予以控制，及時依據實際情況發送實時性控制指令，保證控制目標得以實現。值得一提的是，DSP核心控制電路中，芯片能對運算速度以及外設接口等功能予以處理，滿足變流器具體應用的要求，符合雙向半橋DC/DC電路升降壓模式切換控制過程，從而及時完成充放電的控制處理。

DC/DC變換器電路如圖4所示，濾波電容、開關管以及儲能電感是基本組成元件，在開關管V9處于導通工作狀態下，脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）狀態啟動，此時V10關閉，四橋臂變流器就會借助V9與儲能電感Lb完成充電；而在V9處于關閉狀態下，整體電路結構也逐漸處于降壓充電的趨勢。與此相對的，功率管V10處于開通狀態下，整個結構進入PWM階段，V9關閉，電感Lb利用V10完成放電操作；而在V10關閉后，二極管VD1實現持續電流處理，電感能量向四橋臂變流器側完成傳遞，就會形成Boost電路模式，實現升壓放電[6]。

圖4 DC/DC變換器電路

2.2.4 電流環控制器

在光伏微電網中，電儲能系統獲取到指令電流后，在滿足設計要求的基礎上選取匹配的電流進行內環控制管理，能對指令電流予以跟蹤控制，確保四橋臂變流器并網管理結構中能實時性輸送有功電能，確保補償負載諧波、不平衡電流分量等都能得到有效控制。在電流環控制器設計環節中，結合控制目標，在四橋臂變流器并網控制體系下就能對有功功率進行實時性調控，確保諧波抑制、不平衡電流分量等都能得到有效補償和處理，從而為系統提供補償電流，保證動態響應的及時性和規范性。

光伏微電網中電儲能系統控制環節涉及內容較多，電流滯環控制、準比例諧振控制、無差拍控制以及PI控制等都較為常見[7]。（1）電流滯環控制的動態響應效率較好，對應的誤差較小，但是開關頻率存在動態變化，使得整體應用過程難以完全匹配數字化標準，應用頻率降低。（2）準比例諧振控制器能實現對特定頻率交流信號的無差別控制處理，由于多頻率信號讀取過程完整度較好，且多個準比例諧振控制器并聯能大大提升控制準確性，因此實際應用范圍較廣，但是存在響應效率較慢的現象，針對一些對響應速率要求較高的環境不予采用。（3）無差拍控制能夠有效對采樣信息進行預測分析和實時性控制，保證給定電流控制的規范效果，響應快且精度高，但是這種處理方式需要建模，并且要明確參數，一旦建模參數模糊，就會對其穩定性產生影響。（4）PI控制是動態響應效率較好的處理方式，且能實現直流量無靜差控制，但是在諧波交流信號跟蹤控制方面還存在誤差。綜合考量控制器的應用情況以及負載特性，選取PI調節動態控制模式，從變流器對基波有功、多次諧波以及不平衡電流分量跟蹤控制的目的出發，完成跟蹤周期性信號處理工序，確保穩態誤差效果最優化，還能在滿足穩態性能應用管理要求的基礎上，實現對指令電流的跟蹤控制。

2.3 控制效果

在對系統進行仿真驗證后可知，利用MATLAB系統就能搭建完整的模型電路，并且獲取的指令電流、電壓參數以及鎖相環等因素都能匹配實際應用標準和要求，整體發電系統對系統的影響較小，進一步提高了儲能功率管理效果。補償三相負載過程中不平衡電流或者是諧波不當的問題，建構完整的應用控制模式，從而減少應用成本，大大提升了微電網儲能系統和整體電網結構一體化管理的效果，為電網的安全應用管理提供了保障[8]。

3 結 論

智能電網發展進程不斷加快，為了保證應用管控的合理性和規范性，要結合光伏微電網中電儲能系統的控制應用要求，建立更加科學合理的管控模式，確保資源應用效率最優化，落實全面儲能系統控制策略，從而為智能電力系統的可持續發展奠定堅實基礎。