基于直流微電網的蓄電池儲能控制方法研究*

謝 琪

（四川信息職業技術學院，四川 廣元 628040）

由于全球能源危機的加劇，我國提出了“碳達峰”“碳中和”的目標，清潔能源得到了社會各界的廣泛重視。在直流微電網系統中，可再生能源電力存在供電波動以及電力用戶負載波動等問題。這些電壓問題可能導致許多直流設備工作失常，最終影響用電設備的安全運行，甚至關系到人身安全[1]。因此，直流微電網迫切需要能夠改善電能質量和提高供電穩定性、安全性的儲能裝置，通過實時、高效、智能化的能量調控，來保證直流微電網的安全、經濟、高效運行，從而滿足電力用戶高供電品質的需求[2-3]。

1 蓄電池BES直流斬波器原理分析

蓄電池是一種以電能形式存儲的，可以實現化學能和電能相互轉換的儲能裝置[4]。為將蓄電池用于不同電壓等級的線路補償之中，吸收線路多余的能量，補償線路需求的能量，需要在線路和蓄電池之間加入蓄電池直流斬波器[5]。

蓄電池直流斬波器的電路拓撲結構如圖1 所示，其中，U為直流電壓源，Rs為電源電阻，π 型電纜包含電纜電阻、電纜電感和電纜電容，R為負載電阻，C1、C2為緩沖電容，S1、S2為功率開關管MOSFET，D1、D2為功率二極管，L為電感，BES 為蓄電池。將直流電源U、電源電阻Rs、π 型電纜、負載電阻R構成的回路統稱為負載系統。

圖1 蓄電池直流斬波器的電路拓撲結構

通過對功率開關管S1、S2的導通控制，可以將蓄電池直流斬波電路的運行狀態分為升壓斬波電路和降壓斬波電路。當開關管S1截止時，蓄電池BES、電感L、開關管S2、功率二極管D1以及電容C1組成了升壓斬波電路（Boost 電路），使蓄電池向負載系統供電。當開關管S2截止時，電感L、開關管S1、功率二極管D2等器件組成了降壓斬波電路（Buck 電路），負載系統將向蓄電池充電[6]。

1.1 升壓斬波電路

當開關管S1截止，開關管S2導通時，蓄電池BES經過開關管S2向電感L充電，電容C1向負載供電，假設電容C1的值很大，負載端電壓維持Uload恒定值。當S2截止時，蓄電池BES 和電感L共同向電容C1和負載端供電。假設開關管S2的導通時間為ton1，截止的時間為toff1，電感L的電流為I1。由能量守恒定理可得蓄電池電壓UBES和負載端電壓Uload的關系式為：

若將占空比α2表示開關管S2導通時間占整個周期T的比例，即，則可以得到：

由此，當負載系統的電壓小于額定值時，蓄電池BES 經過直流升壓斬波電路向負載系統放電。通過PI 算法控制開關管S2的占空比，調節直流升壓斬波電路的輸出電壓大小，滿足負載電壓的需求，維持外界電壓的穩定。

1.2 降壓斬波電路

假設開關管S1處于導通狀態的時間為ton2，此時負載系統向電感L和蓄電池充電。假設開關管S1處于斷態的時間為toff2，電感L經續流二極管D2向蓄電池充電，續流二極管為理想二極管。假設電感L的電感值很大，電感電流基本恒定為I2。在一個周期T中，電感吸收的能量和釋放的能量相同，將占空比α1表示開關管S1導通時間占整個周期的比例，由能量守恒原則可以得到：

由公式（3）可知，當負載電壓高于額定電壓時，蓄電池BES 將經過降壓斬波電路吸收負載系統多余的能量，并將其轉化為化學能存儲起來，維持負載系統的穩定運行。通過PI 算法控制降壓斬波電路的開關管S1的占空比，可以控制蓄電池吸收電能的大小，動態調節負載系統的電壓穩定性[7]。

2 蓄電池BES直流斬波器控制原理

本研究的蓄電池直流斬波器采用雙閉環PI 算法控制，該雙閉環PI 算法，將負載電壓作為外環控制，將蓄電池電流作為內環控制[8-10]。在外環控制中，將實時的負載電壓與負載電壓的上下閾值作比較，閾值的取值如下：

其中，Uload_ref為額定負載電壓，?U為負載電壓在額定電壓上下允許的電壓差值。

1）當負載電壓Uload大于上限參考值Uload_ref_H時，蓄電池吸收電能，蓄電池直流斬波器調節為升壓斬波電路模式。此時，將負載電壓Uload與電壓上限參考值的差值用作電壓外環PI 調節器的輸入，而電壓外環PI 調節器的輸出作為蓄電池電流的參考值。

2）若負載電壓小于電壓下限參考值Uload_ref_L，蓄電池向外放電，蓄電池直流斬波器調節為降壓斬波電路模式。此時將電壓下限參考值Uload_ref_L與負載電壓的差值用作電壓外環PI 調節器的輸入，而電壓外環PI 調節器的輸出作為蓄電池電流的參考值。

3）當負載電壓既小于電壓上限參考值，又大于電壓下限參考值時，蓄電池電流的參考值則為蓄電池穩定時的恒定電流Icc。

蓄電池電流參考值與實時蓄電池電流的差值作為電流內環PI 調節器的輸入，電流內環PI 調節器的輸出則經過PWM 信號發生器用于控制蓄電池直流斬波器開關管S1、S2的占空比調節。

3 仿真驗證及結果分析

本研究通過PLECS 仿真軟件，搭建出直流微電網模型以及蓄電池模型。在該直流微電網仿真系統中，蓄電池額定電壓為200 V，直流微電網的電源電壓為480 V，電源電阻為0.5 Ω，負載電阻為2.5 Ω，負載額定電壓為400 V。仿真模擬了當直流微電網由于可再生能源出現電壓波動的情況下，通過雙閉環控制的蓄電池吸收電源電壓作用在電力用戶上的能量，使負載電壓維持穩定運行。

圖2 所示為直流微電網系統模擬帶電源電壓發生電壓暫升波動時，負載電壓的波形。其中，虛線為未加儲能裝置時的負載電壓波形，實線為引入雙閉環PI 控制的蓄電池儲能裝置后的負載電壓波形。在電源電壓從額定值480 V 升高到540 V 時，直流微電網的負載電壓升高到450 V，當加入蓄電池儲能裝置后，能夠在0.01 s 內將負載電壓穩定到額定電壓，且最大波動電壓不超過401 V，波動范圍僅為額定電壓的1%。

圖2 電源電壓升高時的負載電壓

圖3 所示為直流微電網系統模擬帶電源電壓發生電壓暫降波動時，負載電壓的波形。在電源電壓從480 V 降低到420 V 時，直流微電網的負載電壓為350 V。在加入蓄電池儲能仿真模型后，能夠在0.1 s內將負載電壓穩定到400 V，出現最大的電壓差值為16 V，為額定電壓的4%，能夠滿足直流微電網的穩定供電。

圖3 電源電壓降低時的負載電壓

4 結論

針對直流微電網中普遍存在的電源電壓波動問題，本研究分別搭建蓄電池直流斬波器電路的升壓斬波電路和降壓斬波電路的數學模型進行分析，根據其電路特點，采用電壓電流雙閉環的PI 控制策略；通過對負載電壓與閾值電壓的比較進行PI 控制，最終輸出PWM 波形控制蓄電池直流斬波器電路進行充放電；通過PLECS 仿真軟件對直流微電網模型進行仿真驗證。結果表明，蓄電池儲能裝置能夠有效解決直流微電網由于可再生能源引起的電源電壓波動問題，當電源電壓升高到540 V 時，可以在0.01 s 內將負載電壓穩定到額定值400 V；當電源電壓降低時，負載電壓差值在額定電壓的4%以內，保證了直流微電網的穩定性和供電質量。