光儲微電網鋅溴電池儲能系統功率優化控制

馮鑫振，胡金杭，桑丙玉，劉歡，呂振華

(1.中國電力科學研究院，江蘇南京210003；2.國網江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103)

光儲微電網鋅溴電池儲能系統功率優化控制

馮鑫振1，胡金杭1，桑丙玉1，劉歡1，呂振華2

(1.中國電力科學研究院，江蘇南京210003；2.國網江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103)

隨著分布式風電、光伏等可再生能源的不斷發展，可再生能源本身具有間歇性、隨機性特征，給電網安全穩定運行帶來很大挑戰。針對平抑光儲微電網中光伏發電功率波動的需求，提出一種采用鋅溴液流電池儲能的功率優化控制策略。首先，基于鋅溴液流電池的工作原理，建立了其等效電路模型；然后，采用儲能變流器級聯多重雙向直流變換器電路拓撲，分別建立了以穩定直流母線電壓為目的的儲能變流器矢量控制策略和以電池荷電狀態為約束的鋅溴電池充放電切換的DC/DC變換器雙閉環控制策略；以電池荷電狀態和直流母線電壓為約束條件，提出一種新型的鋅溴電池儲能系統功率優化控制策略，同時提出了一種減小充放電切換時直流母線電壓突變的混合儲能方法；最后，搭建了25 kW/ 50 kWh鋅溴液流電池儲能系統試驗平臺，在微網并網模式下開展了鋅溴儲能系統充放電特性研究，結果表明，所提功率優化控制策略能夠有效地平抑光伏發電功率波動，所提混合儲能方法很好地解決了直流母線電壓突變問題。

微電網；鋅溴液流電池；充放電控制；儲能；功率優化控制策略

隨著化石能源的枯竭和環保意識的增強，風能、太陽能等可再生能源的開發和利用越來越廣泛。但可再生能源具有波動性和不穩定性，會對電網造成巨大沖擊。儲能技術在很大程度上能夠解決分布式新能源發電的隨機性、波動性問題，可以實現新能源發電的功率平滑輸出，成為智能電網建設的重要組成部分。研究表明電網系統中可再生能源超過總容量20%時不配備儲能系統電網穩定性會變差[1]。

適用于新能源發電的電能存儲方式主要包括電化學儲能、物理儲能、電磁儲能。相比其他儲能電池(如鉛酸電池、鋰電池等)，鋅溴液流儲能電池(Zn-Br)具有許多優點[2－3]：理論比能量為430Wh/kg，實際可以達到65～84Wh/kg；具有良好的循環充放電性能，可實現100%深度充放電而對電池無損害，至少能實現2 000次的深度充放電；平均壽命是鉛酸電池的三倍。基于以上優點，使之有望廣泛地用于可再生能源系統、電力調峰、UPS應急電源、電動汽車和軍用電源等領域。Zn-Br儲能系統已經在多個國家得到了應用驗證：如美國2010年陸續安裝的500 kW/6 h鋅溴液流儲能系統，日本于20世紀90年代安裝了1MW/4MWh的鋅溴液流電池系統。

目前國內針對鋅溴液流電池文獻主要側重于原理性和化學特性的描述，國外對鋅溴電池在電網調峰、新能源發電、電動汽車領域應用、電池性能測試等方面開展了一些研究。文獻[4]分析了鋅溴液流電池工作原理、功能特點及工業應用情況，但未涉及電池的運行控制。針對不同狀況下鋅溴電池運行特性及電池本身性能進行了研究，其中在不同溫度、充放電倍率等條件下研究了電池的充放電效率。文獻[5]提出了鋅溴液流電池在混合動力汽車應用的數學模型。上述文獻中對鋅溴電池研究主要側重于原理性描述和電池性能測試，針對鋅溴儲能系統在光儲微電網中功率波動平抑研究較少。

為了平抑光儲微電網中光伏發電功率波動，基于鋅溴電池工作特性，本文建立了以穩定直流母線電壓為目的的儲能變流器矢量控制策略和以電池荷電狀態為約束的鋅溴電池充放電切換的DC/DC變換器雙閉環控制策略。以電池組SOC和直流母線電壓為約束條件，實現平抑功率的合理分配。同時針對鋅溴電池充放電切換電壓波動特性，提出了一種減小充放電切換時直流母線電壓突變的混合儲能方法。

1 Zn-Br儲能系統建模

1.1 鋅溴液流電池工作原理

鋅溴液流儲能電池是一種新型、高效的電化學儲能設備，主要由三部分組成，包括液路循環及輔助系統、電解液以及電堆。Zn-Br液流電池電解液流動原理如圖1所示。

圖1 鋅溴儲能系統中電解液流動示意圖

鋅溴液流電池的反應活性物質為溴化鋅，基礎電化學反應可表示如下(不考慮溴的其它高階數離子)：

鋅溴電池電解質溶液(儲能介質)存儲在電解液罐中，電池工作時正負極電解液由各自的動力泵強制在儲液罐和電池構成的閉合回路中進行循環流動。由原理圖1可知，鋅被電鍍在電池內部負極側，溴伴隨自由電子的產生在電池的正極側。充電時鋅沉積在負極上，在正極生成的溴會馬上把電解液中的溴絡合劑絡合成油狀物質，這種絡合物使水溶液相中的溴含量大幅度減少，且該物質密度大于電解液，會在液體循環過程中逐漸沉積在儲罐底部，大大減小了溴的蒸汽壓，提高了系統安全性。放電時正極儲罐的二相閥打開，儲罐里的絡合溴會與正極電解液充分混合打散，在正極表面發生反應生成溴離子，附近的金屬鋅溶解成為鋅離子，電解液重新回到溴化鋅溶液的狀態，反應是完全可逆的。

1.2 鋅溴電池模型

鋅溴電池儲能系統等效電路如圖2所示[6]。考慮鋅溴電池的物理和數學特性，該電池模型由三個元素組成：UOCV(SOC)表示電池的開路電壓，Rselfdischarge表示自放電電阻，Rinternal(SOC)表示電池內阻，這三個元素都是電池荷電狀態(SOC)的函數。圖2中Idischarge表示電池放電電流值，Iselfdischarge(SOC)表示電池自放電電流值。

圖2 鋅溴儲能系統等效電路

為保證電池運行安全和鋅溴電池運行于線性工作區間，SOC此處取值大于20%。其SOC隨充放電時間變化特性可表示：

式中：SOCk+1為電池下一時刻的SOC值，SOCk為電池當前時刻的SOC值，h表示電池的效率，Cn表示鋅溴儲能系統的額定容量，D T表示采樣時間，ik為電池充放電電流值，此處一般取恒定電流值。

電池端電壓Ub表示為：

式中：Ub為電池的端電壓；UOCV(SOC)為電池的開路電壓；Idischarging表示電池放電電流；放電時表示為負數；其中電池內阻Rinternal可由式(6)求出

鋅溴電池自放電電阻Rselfdischarge表示為：

式中：D t為電池自放電時間，D qlost為電池自放電時間損耗的總電荷。

2 多級Zn-Br儲能的微電網功率平抑系統

2.1 含Zn-Br儲能微電網功率平抑系統結構

為了提高光儲微電網系統的穩定性和動態響應能力，考慮電池的經濟性和安全性能，同時提高儲能系統的功率傳輸能力，本文采用四象限交直流儲能變流器級聯多重雙向Buck-Boost直流變換器作為Zn-Br儲能系統的能量轉換的接口。整體系統結構如圖3所示。

圖3 含鋅溴電池儲能的微網連接示意圖

圖3 中光伏發電系統通過并網點開關連接到配電網，由4級鋅溴電池電堆組構成的儲能單元，通過多重雙向DC/DC變換器級聯四象限儲能變流器，35 kW可調電阻負荷連接在由儲能系統形成的交流母線處。經由并網點開關，整個光儲微電網系統接入配電網。

2.2 Zn-Br的儲能變流器控制策略

在Zn-Br儲能系統中，直流母線是電池和電網進行能量交換的通道，維持著電池組、DC/DC變換器、儲能變流器和電網的功率平衡。因此，建立儲能變流器的控制目標為維持直流母線電壓恒定并且保持系統功率因數為1。本文采取前饋解耦方法，采用基于網側電壓定向矢量控制的變換器d-q坐標系下的動態模型為：

式中：R、L代表線路電阻和電感；ud、uq分別為交流側電壓d、q軸分量；id、iq分別為交流側電流的d、q軸分量；w為交流側電壓的角頻率。

其儲能變流器控制策略采用電流內環和電壓外環的雙閉環控制，其中外環調節的輸出作為內環電流的給定值，內環用以實現電流參考值的快速跟蹤和電流限流功能。采用的儲能系統交直流變流器控制框圖如圖4所示。

圖4 儲能變流器恒壓控制框圖

圖4 中可見直流電壓外環調節量經限幅后作為電流內環有功電流給定值，通過控制交流側電流的d軸分量id可實現電網與儲能變流器的有功功率控制和直流側母線電壓Vdc調節，通過對q軸分量iq的控制實現電網與儲能變流器的無功功率調節。

2.3 Zn-Br的雙向直流變換器控制策略

本文采用多重雙向DC-DC變換器級聯鋅溴液流電池，從而實現能量的雙向流動[7]。通過對雙向DC-DC變換器的控制實現每組Zn-Br充放電進行獨立控制，并以電池組SOC及電池端電壓為約束條件，針對各個電堆進行功率優化分配和功率值限定，為保障鋅溴電池功率平抑能力，以電池組SOC為約束條件，提出了電池安全充放電模式切換方法。其多重雙向DC/DC變換器的控制框圖如圖5所示。

圖5 多重雙向DC-DC變換器控制框圖

圖5 中，Pv、P*z-ref分別為光伏發電系統輸出功率和儲能系統平抑功率給定值，Pz-ref、Vref分別為各級電池的充放電功率和電壓給定值，PZ為電池功率實際值，iLiref、iLi(i=1、2、3、4)分別為各級電池側電感電流給定值和實測值。

由圖5所示，鋅溴電池建議充放電區間為20%～90%，基于鋅溴電池充放電特性，鋅溴電池在直流變換器電壓區間(420～450 V)時充電，于電壓區間(350～410V)時放電，分別以每個電堆電壓及電池組SOC作為功率分配和功率限定的約束條件，進而實現平抑的功率能夠有效分配到各個鋅溴電堆。

針對南京某屋頂光伏發電數據，對光伏輸出功率進行頻譜分析，可知功率波動成分的頻率主要集中在8.3×10－5～1.67×10－3Hz，。控制Zn-Br儲能系統在(8.3×10－5，1.67×10－3) Hz內選擇濾波截止頻率，儲能平抑目標功率給定值為，其中濾波時間常數根據濾波器幅頻特性及所平抑功率波動的截止頻率確定。雙向DC-DC變換器采用雙閉環控制方式，內環采用Zn-Br電池側電感峰值電流模式控制，外環根據運行工況選擇恒功率或恒流控制模式。為確保鋅溴儲能系統良好功率平抑性能，將電池SOC限值作為電池運行模式切換條件，當20%

3 Zn-Br液流電池與超級電容混合儲能方法

由于多重雙向DC-DC變換器的控制特性及Zn-Br電池充放電切換時電壓突變特性，在實現充放電功率切換時，需要ms級的充放電切換時間，鋅溴電池在實現充放電切換時直流母線電壓會發生突變，影響儲能系統的功率平抑性能。如圖6所示，采用了一種新型的混合儲能方法，本方案直接將超級電容并聯于PCS直流側，與鋅溴儲能系統在直流側直接相連，超級電容未采用超級電容級聯dc-dc連接方式[8]，相比單純采用電池儲能相比具有更高的功率變化速度和效率。此時超級電容于電池充放電切換時平滑光伏發電系統功率波動和電壓波動，使母線電壓平滑變化。采取本文所提混合儲能方法能夠優化控制電池的充放電電流，延長其壽命周期，超級電容根據直流母線電壓變化出力，具有更快響應速度。

4 含Zn-Br儲能系統的微電網實驗驗證

為驗證所提鋅溴儲能系統平抑光儲微電網中光伏發電功率波動的功率優化控制策略，以及所提混合儲能方法的效果。本文搭建了如圖6所示結構的Zn-Br儲能系統試驗平臺。四路DC-DC雙向變換器并聯后與儲能變流器直流側級聯，儲能變流器通過380 V交流母線與市電連接，超級電容器與電池級聯DC-DC并聯后連接到儲能變流器直流側，50 kW光伏逆變器連接到交流母線上。

圖6 包含混合儲能系統的微電網實驗結構圖

系統參數如下：鋅溴液流電池25 kW/50 kW h，儲能變流器額定功率30 kW，光伏逆變器50 kW，超級電容器30 kW/10 s。儲能變流器開關頻率為6.4 kHz。控制系統基于數字信號處理器TMS320F28335和FPGA實現。

圖7 光伏出力Pv、聯絡線功率Pline及儲能功率PZ波形

本文中功率平滑對象為50 kW屋頂光伏發電系統，取其一天早6點至晚18點的發電數據，如圖7中PV短劃線所示，采樣周期為5m in，最大輸出功率為42 kW，最小輸出功率為1 kW。每5m in最大功率波動為27.3%。Zn-Br儲能系統經由功率優化控制策略控制后儲能實際輸出功率如圖7中實線Pz所示。經過儲能補償后的聯絡線輸出功率波形如圖7中Pline虛線所示。經過儲能補償后聯絡線功率變得比較平滑，每5min的功率波動控制在2%以內。

圖8為未接入光伏發電系統時，Zn-Br儲能系統并網深度充放電試驗波形，圖8中直流母線電壓Udc控制比較穩定，較好保證了儲能系統與電網之間的功率傳輸。為保障電池充放電時不超過電池的額定功率(充電時不超過19.5 kW，放電時額定功率為25 kW)，充電時母線電壓維持在430 V，放電時母線電壓維持在380 V。鋅溴電池的SOC能夠實現從0～100%的深度充放電，能夠較寬范圍的平滑光伏發電功率波動，對應充電時功率為18 kW，放電功率為24 kW。

圖8 鋅溴儲能系統深度充放電波形

圖9 帶超級電容前后鋅溴儲能系統充放電切換試驗

圖9 (a)鋅溴儲能系統未連接超級電容前充放電切換時直流母線電壓和儲能變流器側電壓電流波形，由圖9(a)中可見由于DC-DC變換器功率切換時存在ms級調節時間及鋅溴電池充放電電壓變換特性會使得直流母線電壓波形在切換時有明顯的突變。由圖9中電壓電流波形可見變流器控制交流側功率因數為1。圖9(b)為采用新型混合儲能連接方式后充放電切換試驗波形，可見在充放電切換時直流母線電壓能實現平滑切換，利用超級電容快速性起到電壓瞬時支撐的作用，由超級電容補償光伏發電系統的功率波動的尖峰，有效延長鋅溴液流電池的使用壽命。

5 結語

本文針對平抑光儲微電網中光伏發電功率波動的應用需求，提出一種采用鋅溴液流電池儲能的功率優化控制策略。分別建立了以穩定直流母線電壓為目的的儲能變流器矢量控制策略和以直流母線電壓區間為約束的鋅溴電池充放電切換的DC/DC變換器雙閉環控制策略；以電池組SOC和端電壓為約束條件，實現平抑功率的合理分配。同時針對鋅溴電池充放電切換電壓波動特性，提出了一種減小充放電切換時直流母線電壓突變的混合儲能方法。試驗結果表明，所提功率優化控制策略能夠有效的平抑可再生能源功率波動，所提混合儲能方法很好的解決了直流母線電壓突變問題。本文的分析和研究可為以后鋅溴液流電池應用提供參考。

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Poweroptim ization controlstrategiesof zinc brom ine flow battery energy storage system in photovoltaic/batterym icro-grid

FENG Xin-zhen1，HU Jin-hang1，SANG Bing-yu1，LIU Huan1，LV Zhen-hua2
(1.China Electric PowerResearch Institute，Nanjing Jiangsu 210003，China; 2.Jiangsu Electric Pow erCompany Research Institute，Nanjing Jiangsu 211103，China)

With the continuous developmentof distributed wind power，solar and other renewable energy sources，renewable energy sou rces which have its own features，such as interm itten tvola tility，bring g reat challenges to the safe and stable operation of power grid.Aim ing atmeeting the requirementof balancing the fluctuating photovoltaic generation of photovoltaic/battery m ic ro grid，the optim ization power control strategies o f the zinc brom ine(Zn-Br) flow battery storage were proposed.Firstly，the equivalentelectrical circuitmodelbased on the working principle of the Zn-Br flow battery was established;secondly，a vector con trol strategy of energy storage converter was p resented to keep the stable DC bus voltage，and a double closed loop control strategy of DC/DC converter was established to sw itch charge-discharge style as a constraintof the SOC for the Zn-Br flow battery by using energy storage converter cascademultiple bi-directiona lDC/DC converter circuit topology.The optim ization power control strategies o f Zn-Br battery energy storage system as a constraintof state of charge(SOC)on the Zn-Br flow battery were proposed，and a hybrid energy storage method was proposed to solve the prob lem of the DC bus voltage mutation when the charging and discharging switch.A 25 kW/50 kWh Zn-Br flow battery energy storage system test p latform w as built，and the charging and discharging characteristics of Zn-Br energy storage system were researched in m icrogird grid-connected mode.The test results show that the proposed power optim ization control strategies for Zn-Br energy storage system can smooth photovo ltaic generation power fluctuation，and that the p roposed hybrid energy storagemethod is a good solution to the problem of the DC bus voltagemutation.

m icrogrid;zinc b rom ine flow battery;charge-discharge control;energy storage;power optim ization controlstrategies

TM 912

A

1002-087X(2016)07-1385-05

2015-12-24

2015國網公司科技項目(5210EF150010)

馮鑫振(1986—)，男，山東省人，碩士生，中級工程師，主要研究方向為儲能變流控制技術。