電池儲能接入系統拓撲及其控制策略

張紅艷， 張建坡

(1.風帆有限責任公司 徐水工業電池分公司，河北 保定 071003； 2.華北電力大學 電氣與電子工程學院， 河北 保定 071003)

0 引言

近年來伴隨著大規模可再生能源發電在整個電網中所占比例的增加，其本身固有出力不穩定特性對電力系統調峰以及安全運行的影響問題得到廣泛地關注。而儲能技術能夠應對風電、光伏發電的間歇性、波動性和隨機性等并網問題，提高能源利用效率，改善電網電能質量，是消除可再生能源大規模開發利用瓶頸的關鍵技術之一。同時儲能技術做為能量緩沖單元，也是智能電網的重要組成環節，涵蓋了電力系統中發電、輸電、變電、配電和終端用電5個階段，可有效降低功率波動對發電機調頻影響，同時也能在一定程度上提高現有配用電設備的利用率、降低運行成本[1～5]。 當前蓄電池儲能技術在能量管理，能量密度方面都有了長足的發展，已經成為組建大容量儲能系統的一種可行方案。然而受蓄電池單體電壓、容量較低限制，儲能單元之間不得不進行串并聯聯接，以提升電壓構建大容量儲能系統。而受蓄電池單元參數差異的影響，各儲能單元串聯時，某些蓄電池單元電壓在充放電過程中可能過低或過高，從而導致過度充電和放電的后果，影響整個蓄電池儲能系統的可靠性[6,7]。電網接入系統(Power Conversion System, PCS)做為電池儲能系統的重要組成環節，主要負責交流電網與儲能電池之間交、直流電能變換與雙向能量傳送功能[8]，其拓撲結構和控制性能的好壞直接關系到儲能系統可靠高效運行，因此開展PCS研究具有重要的實際意義。文獻[9]從PCS拓撲單元入手，歸納總結了兩種PCS的優缺點，分析了運行特性。文獻[7]則分析了可再生能源發電PCS系統中涉及的電池配置、功率調節和系統集成問題。文獻[10,11]提出一種基于公共直流母線的鏈式電池儲能系統，借助多組移相全橋DC/DC 變流器替代工頻變壓器，實現與公共直流母線的連接。文獻[12] 針對微網孤島運行中，由于儲能逆變器帶非線性負載時電流波動較大問題，提出了基于支持向量機的復合逆控制策略，以提高系統控制性能。文獻[13]為實現鋰離子電池儲能系統的有效能量管控，對由大量鋰離子電池組成的儲能系統結構進行研究，提出了分組、分層次、自治的設計方法，并針對電池儲能系統提出了一種基于電池荷電狀態的充電管理策略，以提高充電效率，延長使用壽命。上述研究成果為PCS拓撲及控制的研究工作提供了一定的借鑒意義。

在分析總結電池儲能接入系統拓撲結構特點基礎上，首先針對具有雙向能量控制的全H橋鏈式物理拓撲，建立其數學模型；然后從能量平衡角度出發，在兩相同步旋轉坐標系下采用雙閉環矢量控制，以比例積分控制器作為功率外環和電流內環控制器，實現有功、無功功率的調節控制；同時利用水平控制實現三相橋臂之間的能量平衡，通過垂直控制實現橋臂內儲能單元間能量平衡；最后在PSCAD下搭建仿真模型，對其拓撲及其控制有效性進行仿真驗證。

1 PCS物理模型和數學模型研究

圖1是兩種類型PCS拓撲。圖1(a)具有控制簡單運行可靠優點，對于小容量儲能系統，可以直接采取該類變流器拓撲直接并網。而當電池儲能系統應用在負荷中心配電網時，其容量要求往往在MW級以上，從而首先需要大量儲能電池單元串并聯，然后再利用PCS接入系統。如果仍然采取上述拓撲，受電池組端電壓限制，無法直接接入中壓電網而需要升壓措施。

圖1 PCS 拓撲圖

近年來，電壓源型多電平變流技術得到不斷推廣和應用。模塊化多電平變流器作為多電平變流器拓撲之一，通過子模塊級聯能夠實現任意電壓電平輸出，總諧波畸變較低。同時不僅有效避免了功率器件直接串聯帶來動態均壓問題，還可以通過低電壓子模塊的級聯達到較高電壓等級的能量轉換，避免利用變壓器升壓，從而在體積、占地及成本上具有明顯優勢，且擴展性好，因此在新能源并網、中壓大功率交流調速、電力系統靜止無功補償、統一電能質量控制器等領域得到了廣泛的應用和研究[14～16]。圖1(b)所示為蓄電池采用鏈式模塊化多電平變流器PCS拓撲之一，每一相均采用多個H 橋儲能單元級聯結構。

根據圖1(b)所示電壓電流參考方向，可得到PCS三相靜止坐標系下電壓電流方程如式(1)所示。

(1)

ia+ib+ic=0

(2)

式中：usa，usb，usc為換流器接入電網交流電壓；ua，ub，uc為換流器側交流電壓；ia，ib，ic為交流電流。

根據瞬時無功功率理論，A B C三相靜止坐標系下，交流電網向儲能系統輸送有功功率和無功功率為式(3)所示。

(3)

為提高控制性能和簡化控制器設計，對式(1)(3)進行Park變換，可轉換為式(4)(5)所示dq同步旋轉坐標下數學模型。其中下標dq分別代表同步旋轉坐標系下電壓、電流dq兩軸分量。

(4)

(5)

2 PCS控制策略研究

2.1 附加控制研究

附加控制主要實現三相儲能單元內部的能量均衡控制。理論上在三相對稱工況下，功率控制可以實現系統正常運行。大容量儲能系統包含大量的蓄電池單元，而這些單元之間又存在串并聯關系。受電路參數和電池單元充放電影響，三相橋臂間以及單相橋臂內部存在著能量不平衡情況，導致某些蓄電池單元電壓可能過高或過低，降低整個蓄電池儲能系統的可靠性[17]。目前主要是通過對蓄電池BSOC檢測控制實現，電池BSOC定義如式(6)所示。

(6)

如果三相橋臂蓄電池BSOC等于三相橋臂總BSOC平均值，則能夠保證橋臂之間不存在能量水平流動。為了實現控制目標，定義系統單相和三相BSOC平均值分別如式(7)(8)所示。

(7)

BSOC_Avg=(BA_SOC_Avg+BB_SOC_Avg+BC_SOC_Avg)/3

(8)

借鑒文獻[16]，設計水平能量控制邏輯如圖2所示，輸出控制均衡電壓uAvg_ref。

圖2 水平能量控制

橋臂內儲能單元均衡可以借鑒橋臂間均衡控制原理，保證每一個蓄電池單元SOC等于本相橋臂儲能單元SOC平均值，則可以實現橋臂內單元均衡。電阻耗能作為均衡各電池單元電壓的一種技術手段，雖然成本低，但也存在損耗大，均衡速度慢，靈活性差的弊端[17,18]。而改進式蓄電池單元電壓均衡通過控制電容、電感儲能元件與各電池單元間的能量交換，改變各蓄電池單體能量以實現均壓。考慮到電容作為儲能元件具有結構簡單優點，因此通過控制電容電壓間接實現單體之間均衡。

圖3是蓄電池工作于不同狀態時的電路示意圖。圖3(a)(b)是電池處于旁路狀態，蓄電池能量保持不變；圖3(c)是蓄電池充電狀態，而3(d)是處于放電狀態。通過觸發邏輯調整充放電時間也可實現蓄電池能量的微調。為了實現上述控制目標，采用文獻[19,20]所提通用均衡方法，為每一個儲能單元配置一個比例控制器，產生相應的微調參考波調整各個單體的充放電時間實現蓄電池單體之間的能量均衡。

圖3 蓄電池單元工作邏輯示意圖

2.2 主控制策略研究

主控制策略主要實現變流器與交流系統或負載之間有功和無功功率的調節控制。直接電流控制又稱為矢量控制，是當前大功率變流器廣泛采用的控制方式，這種控制方式由電壓(功率)外環控制和電流內環控制兩部分構成。由于為雙閉環控制，具有控制精度高，電流響應速度快和很好的內在限流功能。因此本文采用直接電流控制，外環和內環控制器為能夠無差跟蹤直流信號的比例積分控制器。

首先將電感電壓電流關系利用比例積分來表示。

為實現對變流器輸出電壓調節，將電感電壓代人式(4)，則變流器期望輸出電壓為(9)。

(9)

控制如圖4所示，其中ua_ref、ub_ref和uc_ref為變流器三相參考波信號。

圖4 雙閉環控制

3 仿真分析

為了對PCS系統有效性進行驗證，搭建了如圖5所示仿真模型對PCS有功調節和無功功率調節特性進行了仿真驗證。交流系統電壓為10 kV，全橋子模塊數量為10個，儲能電池等效為受控電壓源。圖5中Pac、Qac為交流系統與負荷和儲能系統間交換的有功和無功功率；PB、QB為儲能系統和交流系統間交換的有功和無功功率；PL、QL為負荷吸收的有功和無功功率。

圖5 仿真拓撲圖

3.1 有功調節仿真分析

首先仿真負荷增加工況。開始時電網提供有功功率和系統中負荷消耗有功功率處于平衡狀態，為20 MW。在0.5 s時有5 WM有功負荷接入系統，此時為保證交流系統輸出有功功率不變，PCS系統運行在逆變狀態，輸出5 MW有功功率。

然后對負荷減少工況進行仿真，在0.5 s時有5 MW的有功負荷退出系統，此時PCS系統將工作于整流狀態，吸收交流系統額外有功功率，對蓄電池充電，維持有功平衡。仿真波形如圖6所示(負值代表發出功率)，從中可以看出PCS能夠響應系統有功功率變化，輸出或吸收電源和負載之間的能量差，保證電源輸出有功功率的恒定，消除負荷功率波動的影響。

圖6 有功調節仿真圖

3.2 無功調節仿真特性

為驗證PCS系統對無功功率的調節特性，主要實現交流電網單位功率因數運行工況，在此過程中有功負荷保持恒定。首先驗證對容性無功的調節能力，開始系統有5 Mvar容性無功，在0.5 s時變流器發出5 Mvar無功，此時交流電網輸出無功為零。然后驗證對感性無功的調節能力，交流系統輸出5 Mvar感性無功，同樣在1 s時變流器發出5 Mvar的感性無功。從圖7可以看出，PCS能夠滿足無功功率的調節要求，維持了無功功率的平衡，實現了電網單位功率因數運行。

圖7 無功調節仿真圖

4 結論

論文以電池儲能接入系統拓撲和控制策略為研究對象，采用了具有電壓等級、容量擴展容易、輸出電流諧波含量低的模塊化多電平級聯結構星型聯接作為PCS拓撲。針對儲能系統和交流電網之間的有功和無功功率調節，在同步旋轉坐標系下設計實現了技術成熟、結構簡單、跟蹤精度比較高的雙閉環矢量控制。同時利用三相橋臂SOC平均值和橋臂SOC之間的差值實現PCS內部水平能量均衡控制，最后的仿真結果驗證了PCS拓撲和控制策略的有效性，實現了有功和無功功率的動態調節。