電池儲能技術(shù)控制方法研究

李建林

（中國電力科學(xué)研究院，北京 100192）

隨著大規(guī)模間歇式能源并網(wǎng)，其特有的波動性和隨機(jī)性對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了影響，而儲能技術(shù)是解決這些問題的有效手段之一。其中，儲能系統(tǒng)的充放電特性對其在并網(wǎng)中的配置、不同工況的作用效果有著深遠(yuǎn)的影響，特別是在實際運(yùn)行中，儲能與負(fù)荷之間通過變化器進(jìn)行能量交換，其控制方式直接影響電池性能和使用壽命。

基于此，本文總結(jié)了儲能若干控制策略，基于功率型儲能電池響應(yīng)快、壽命長、容量小，能夠高頻快速充放電，適合補(bǔ)償短時功率波動和能量型儲能電池大容量、響應(yīng)慢，低頻充放電，適合補(bǔ)償長時功率波動的不同特點。針對某一實例，分別對網(wǎng)側(cè)變流器以及雙向DC/DC變流器進(jìn)行了設(shè)計，組成用于風(fēng)儲混合系統(tǒng)的PCS仿真。

1 幾種常見控制方法簡介

1）滯環(huán)控制

滯環(huán)控制，也叫作Bang-Bang控制或紋波調(diào)節(jié)器控制，即將輸出電壓維持在內(nèi)部參考電壓為中心的滯環(huán)寬度內(nèi)。滯環(huán)控制屬于閉環(huán)電流跟蹤控制方法，最初用于控制電壓型逆變器的交流電流輸出，是最簡單的電流控制方式。滯環(huán)電流控制的特點是：控制方式簡單、動態(tài)響應(yīng)快、具有內(nèi)在的電流限制能力。電流滯環(huán)瞬時比較控制不依賴于變流器系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)參數(shù)，從而也不需要對系統(tǒng)模型進(jìn)行近似和簡化處理。但是，滯環(huán)控制的開關(guān)頻率不固定，使電路工作可靠性下降，輸出電壓的頻譜變差，對系統(tǒng)性能不利。

2）無差拍控制

無差拍控制是一種基于被控制對象精確數(shù)學(xué)模型的控制方法。控制的基本思想是根據(jù)逆變器的狀態(tài)方程和輸出反饋信號（通常是輸出濾波電容的電壓和電流）推算出下一個開關(guān)周期的PWM脈沖寬度。由于采樣和計算延時，要做到當(dāng)拍計算當(dāng)拍輸出必然使輸出脈沖的占空比受到限制，這就降低了輸入直流電壓的利用率。另外，系統(tǒng)的魯棒性較差。

3）滑模控制

滑模控制是一種非線性控制，這種控制的特點是控制的非連續(xù)性，它使系統(tǒng)在一定條件下沿著規(guī)定的軌跡作高頻率、小振幅的上下運(yùn)動。由于系統(tǒng)的特性和參數(shù)只取決于設(shè)計的切換超平面而與外界干擾沒有關(guān)系，所以滑模變結(jié)構(gòu)控制具有很強(qiáng)的魯棒性，但也存在控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)效果不佳、理想滑模切換面難于選取、控制效果受采樣率的影響等弱點。

4）重復(fù)控制

重復(fù)控制是一種基于內(nèi)模原理的控制方法，其控制思想是假定前一周期出現(xiàn)的輸出電壓波形畸變將在下一周期的同一時刻再次出現(xiàn)，控制器根據(jù)參考信號和輸出電壓反饋信號的誤差來確定所需的校正信號，然后，在下一個基波周期將此校正信號疊加在原控制信號上，這樣就可以消除輸出電壓的周期性畸變。

重復(fù)控制器可以消除周期性干擾產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差，但是，由于重復(fù)控制延時一個工頻周期的控制特點，使得單獨使用重復(fù)控制的變流器動態(tài)特性極差，無法滿足變流器的指標(biāo)要求。

5）模糊控制

模糊控制屬于智能控制的范疇，其具有很強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)性。逆變器采用模糊控制有利于提高控制的實時性，改善逆變器輸出電壓波形質(zhì)量。模糊控制主要依賴模糊規(guī)則和模糊變量的隸屬度函數(shù)。模糊控制類似于傳統(tǒng)的PD控制，因而，這種控制有很快的響應(yīng)速度，但是其靜態(tài)特性不令人滿意。

6）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是模擬人腦神經(jīng)中樞系統(tǒng)智能活動的一種控制方式。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性映射能力，并行計算能力和較強(qiáng)的魯棒性等優(yōu)點，已廣泛地應(yīng)用于控制領(lǐng)域，尤其是非線性系統(tǒng)領(lǐng)域。但是，由于硬件系統(tǒng)的限制，目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制還無法實現(xiàn)對逆變器輸出電壓波形進(jìn)行在線控制，多數(shù)應(yīng)用都是采用離線學(xué)習(xí)獲得優(yōu)化的控制規(guī)律，然后利用得到的規(guī)律實現(xiàn)在線控制。

2 實例仿真

電網(wǎng)電壓為380 V，控制直流母線電壓為700 V，系統(tǒng)的容量為100 kW。假設(shè)有2種充放電特性的電池儲能系統(tǒng)。一種是具有響應(yīng)快、長壽命、小容量，能夠高頻快速充放電的功率型儲能電池，這種電池適合補(bǔ)償短時功率波動。另一種是具有大容量、響應(yīng)慢，低頻充放電的能量型儲能電池，這種電池適合補(bǔ)償長時功率波動。通過這兩種電池對風(fēng)電出力進(jìn)行平滑，達(dá)到并網(wǎng)要求。

針對實例，分別對網(wǎng)側(cè)變流器以及雙向DC/DC變流器的進(jìn)行設(shè)計，組成用于風(fēng)儲混合系統(tǒng)的PCS系統(tǒng)并進(jìn)行仿真驗證。

2.1 DC/DC環(huán)節(jié)控制策略

為了對電池進(jìn)行功率和能量管理，必須對雙向DC/DC變流器進(jìn)行閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)對電池儲能的充放電控制。雙向DC/DC變流器采用電感電流內(nèi)環(huán)和瞬時值電壓外環(huán)控制。電流環(huán)采用電感電流內(nèi)環(huán)，在電池儲能狀態(tài)時，電感電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)控制實現(xiàn)了對電池充電電流的控制，保護(hù)開關(guān)管的安全；在電池釋能狀態(tài)時，電感電流內(nèi)環(huán)提高了系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能。電壓環(huán)采用直流母線電壓外環(huán)，目的是維持并網(wǎng)變流器的直流母線電壓穩(wěn)定，使并網(wǎng)變流器能夠輸送恒定功率。

圖1 DC/DC變換器控制框圖Fig.1 DC/DC converter control block diagram

2.2 DC/AC及濾波器環(huán)節(jié)

由于DC/AC變流器的控制參數(shù)采樣來自并網(wǎng)濾波器，因此將兩部分合并分析。

圖2 單電感變流器控制策略圖Fig.2 Single inductance converter control strategy

單電感變流器的控制系統(tǒng)框圖，其中dq軸電流的微分和乘積項可以用PI調(diào)節(jié)器來得到，后面的補(bǔ)償項可以通過簡單的運(yùn)算加到dq軸電壓指令中。

負(fù)反饋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 負(fù)反饋系統(tǒng)Fig.3 Negative feedback system

其中R（s）為給定信號，C（s）為輸出信號，B（s）為反饋采樣信號，E（s）為誤差信號，G（s）為被控系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

由此可以求出系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)：

由此可以求出系統(tǒng)的特征方程：

對于穩(wěn)定的系統(tǒng)，特征方程F（s）的根都在s平面的左半平面，或是說閉環(huán)傳遞函數(shù)的極點都是位于s平面的左半平面。

LCL濾波器是三階傳遞函數(shù)，LCL濾波的逆變器PI控制器設(shè)計復(fù)雜，考慮到LCL濾波器和L濾波器低頻特性一致，因此可以根據(jù)等效的單L濾波的變流器數(shù)學(xué)模型來設(shè)計調(diào)節(jié)器。圖4所示為LCL變流器控制框圖。電感值為LT的純電感并網(wǎng)逆變器的dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：

圖4 LCL變流器控制框圖Fig.4 LCL converter control diagram

考慮用電容電流的引入代替電流補(bǔ)償傳遞函數(shù)。因此，電流內(nèi)環(huán)控制框圖可變?yōu)閳D5：

圖5 加入電容電流補(bǔ)償后的電流內(nèi)環(huán)控制圖Fig.5 Current inner loop control diagram after adding capacitance current compensation

3 仿真結(jié)果

綜合對DC/DC環(huán)節(jié)、DC/AC環(huán)節(jié)和濾波器的分析，提出用于風(fēng)儲混合系統(tǒng)的PCS系統(tǒng)。其整體拓?fù)淇驁D如圖6。

仿真所得關(guān)鍵曲線如圖7~11所示。

圖7所示黑色曲線、綠色曲線分別為平滑前、平滑后輸出曲線，紅色曲線為多類型電池聯(lián)合出力曲線；圖8~9分別電池高頻與低頻充放電功率曲線；圖10~11高、低頻電池SOC曲線。

4 結(jié)論

仿真結(jié)果表明，實例中的電池儲能能夠平滑風(fēng)電輸出的波動，達(dá)到并網(wǎng)要求。2種不同類型的儲能電池，能夠優(yōu)勢互補(bǔ)，利于延長儲能電池壽命。

圖6 PCS系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.6 PCS system topological structure

圖7 平滑輸出曲線Fig.7 Smooth output curve

圖8 電池高頻充放電功率曲線Fig.8 Battery high frequency charging and discharging power curves

圖9 電池低頻充放電功率曲線Fig.9 Battery low frequency charging and discharging power curves

圖10 高頻電池SOC曲線Fig.10 High frequency battery SOC curve

圖11 低頻電池SOC曲線Fig.11 Low frequency battery SOC curve

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