基于變下垂系數的蓄電池充放電管理?

郝玉倩 郭英軍 孫鶴旭 郭亞潔

（河北科技大學電氣工程學院 石家莊 050018）

1 引言

近年來分布式發電技術受到國內外學者的廣泛關注。由于分布式發電單元的一次能源多為可再生的光能、風能，受自然環境影響較大，因此需要在微電網中加入能量儲存單元，以解決能量供給的間歇性，不穩定性的問題。蓄電池的過度充放電或者長時間大電流放電，都會嚴重縮短蓄電池的使用壽命［1］。因此需要進行科學的能量管理，合理控制電池的充放電，防止電池在充放的過程中損壞，以延長蓄電池的使用壽命，降低整個微電網的使用成本［2］。

蓄電池在整個微電網系統中起到削峰填谷的作用。文獻［3］提出了一種定量分析方法配置蓄電池所需最小容量，通過模型求解確定實現微網總成本最低所需配置的蓄電池蓄電池容量。文獻［4］根據微網運行特點，蓄電池儲能單元采用PQ控制以維持系統孤島運行模式下的功率平衡，有效地調節光伏單元輸出功率和蓄電池儲能單元充放電電流。文獻［5］通過考慮儲能充放電功率，剩余電量等約束條件的微網混合儲能容量優化模型，提出了協調蓄電池與超級電容器運行的微網系統功率分配策略。現有大多數文獻都只根據蓄電池的SOC調節蓄電池的充放電，本文不僅根據蓄電池的SOC來控制電池的充放電，還根據蓄電池的充放電電流來控制蓄電池。

當電池的充電、放電狀態相互過渡時，為了避免將蓄電池充（放）電的暫態下垂系數帶到放（充）電狀態中，要在充放電狀態改變時恢復下垂系數。

2 系統結構和能量管理方案

2.1 系統結構

孤島微電網系統結構如圖1所示。系統包括光伏發電單元和蓄電池單元以及其他微源（風電、燃料電池等）。與單級式結構相比，兩級式結構在直流源的選取上更加的靈活，在實際應用中實用性更強［6］。蓄電池的雙向DC/DC變換器通過調節交流母線電壓，來平衡系統的功率。當系統發電功率大于負荷消耗的功率，蓄電池充電，逆變器工作在整流狀態。當系統供小于求時，蓄電池向系統提供功率，逆變器工作在逆變狀態。

圖1 光伏、蓄電池、燃料電池微網結構

2.2 下垂控制在能量管理中的應用

傳統下垂控制可表示為［7］

式中，f和V分別表示逆變器的輸出頻率和電壓。fref和Vref表示額定電壓和頻率。kp和kq表示有功、無功功率的下垂系數。Pref和Qref表示輸出額定輸出功率，P和Q表示實際輸出功率。

可知可通過改變Pref［8］和改變kp［9］的值來改變逆變器的輸出功率，滿足系統的能量平衡［10］。本文采用變下垂系數來調節逆變器輸出的控制方案。

3 能量管理方案

3.1 基于蓄電池的充放電電流和SOC的管理策略

根據蓄電池的充放電電流和SOC，設定七種工作模態，ibat為蓄電池的充放電電流，-ibat,c,max為蓄電池所允許最大充電電流，ibat,d,max為蓄電池所允許最大放電電流。SOCmin為蓄電池SOC的下限值，SOCmax為蓄電池SOC的上限值。

模態1：蓄電池滿足-ibat,c,max＜ibat＜ibat,d,max，SOCmin＜SOC＜SOCmax的狀態，蓄電池處于正常工作狀態，電池的下垂系數不變；

模態2：蓄電池充電，充電電流滿足-ibat,c,max＞ibat，這時要增加蓄電池的下垂系數；

模態3：蓄電放電，放電電流滿足ibat＞ibat,d,max，增大蓄電池的下垂系數；

模態4：電池充電電流處于安全值范圍內，隨著電池的充電，電池的SOC逐漸升高，直到電池SOC滿足SOC＞SOCmax，增大電池的下垂系數；

模態5：電池放電電流處于安全值范圍內，隨著電池的放電，電池的SOC逐漸降低，直到電池SOC滿足SOCmin＞SOC，增大電池下垂系數；

模態6：蓄電池處于充電狀態，并且充電電流大于充電電流最大值，隨著蓄電池充電，蓄電池SOC增大，當滿足SOC＞SOCmax，蓄電池下垂系數增大；

模態7：蓄電池處于放電狀態，且放電電流大于放電最大值，蓄電池的下垂系數增大，隨著蓄電池放電，蓄電池SOC減小，當滿足SOCmin＞SOC，蓄電池下垂系數增大。

3.2 接口逆變器控制

蓄電池有功功率/頻率下垂曲線如圖2所示。當系統頻率小于fref，蓄電池工作在B區域，電池輸出功率；頻率大于fref，蓄電池工作在A區域，電池吸收功率。正常運行時，蓄電池接口逆變器按曲線1所示P/f特性運行。當蓄電池的放電電流超過最大值或SOCmin＞SOC，增大下垂系數，按曲線3運行，蓄電池輸出功率減小；當蓄電池充電電流超過最大值或SOC＞SOCmax，增大下垂系數，按曲線2運行，蓄電池吸收功率減小。

圖2 蓄電池有功功率/頻率下垂曲線

本文采用改變下垂系數的方法，來改變蓄電池吸收或釋放的功率。采用的下垂公式如下：

kp(s)為變化的下垂系數。根據電池的電流和SOC來改變kp(s)的值，來改變蓄電池輸出吸收的功率。

下垂系數的控制結構如圖3所示。電流判斷單元用來判斷蓄電池的電流是否超過所允許的最大值，當蓄電池電流超過最大電流，電流判斷單元將兩者的電流差值送到PI控制器的輸入端；當蓄電池電流在正常值范圍內時，電流判斷將零送到PI中。

圖3 蓄電池系統控制框圖

4 方案的驗證研究

本文以一臺光伏，兩臺蓄電池單元組成的孤島微電網為例，來驗證提出的能量管理策略。圖4～圖5給出了相應的模態切換仿真波形。

4.1 蓄電池充電

蓄電池處于充電狀態時，系統模態切換的工作過程如圖4所示。

圖4（a）所示，t1時刻前，蓄電池都處于充電狀態，系統工作在模態；t1時刻光照增加，此時蓄電池1的充電電流超過電流最大值，系統進入模態2；t2時刻，系統負荷增大，電池1充電電流小于滯環比較的下限值，此時恢復下垂系數，系統進入模態1；t3時刻，負荷減小，蓄電池1的電流再次超過最大值，系統進入模態2；t4時刻負荷再次增大，蓄電池1的下垂系數恢復，系統恢復至模態1。由仿真可知，系統可以在負載連續變化的情況下，穩定地進行模態轉換。

圖4 系統工作模態切換仿真

圖4（b）所示，t1時刻前，蓄電池充電，系統工作模態1；t1時刻，光伏輸出增加，蓄電池1電流超過最大值，系統進入模態2；t2時刻，系統負荷增加，充電電流小于滯環比較下限值，下垂系數恢復；t3時刻，SOC＞SOCmax，系統進入模態4，蓄電池下垂系數增加，減小充電功率。

圖4（c）所示，t1時刻前，蓄電池充電，系統工作在模態1；t1時刻，光伏輸出增加，蓄電池1電流超過最大值，系統進入模態2，電池1的下垂系數增大，蓄電池1的充電電流減小，直到電流小于最大值；t2時刻，蓄電池1滿足SOC＞SOCmax，這時系統進入模態6，蓄電池1的下垂系數繼續增大，減小蓄電池1的吸收功率。

4.2 蓄電池放電

蓄電池處于放電狀態時的系統模態切換的工作過程如圖5所示。

圖5 系統工作模態切換仿真

圖5（a）所示，t1時刻前，蓄電池處于放電狀態，系統工作在模態1；t1時刻，負荷增大，蓄電池1電流超過最大值，系統進入模態3；t2時刻，負荷減小，電池電流小于滯環比較的下限值，蓄電池1恢復下垂系數，系統進入模態1；t3時刻，負荷再次增大，蓄電池1電流超過最大值，系統進入模態3；t4時刻，負荷減小，蓄電池電流小于滯環比較器的下限值，下垂系數恢復，系統進入模態1。由仿真結果可知，在蓄電池放電的狀態下，系統可以在頻繁的轉換工作模態的工況下穩定運行。

圖5（b）所示，t1時刻前，蓄電池放電，系統工作在模態1；t1時刻，負荷增大，蓄電池1放電電流超過最大值，系統進入模態3；t2時刻，負荷減小，放電電流小于滯環比較下限值，下垂系數恢復，系統工作在模態1；t3時刻，SOCmin＞SOC，系統進入模態5，電池1下垂系數增加，減小電池放電功率。

圖5（c）所示，t1時刻前，蓄電池放電，系統工作在模態1；t1時刻，負荷增大，蓄電池1放電電流超過最大值，系統進入模態3，隨著蓄電池的放電，電池的SOC值減小；t2時刻蓄電池1滿足SOCmin＞SOC，系統工作在模態7，蓄電池1的下垂系數繼續增大，放電功率減小，缺額的負載功率由蓄電池2提供。

5 結語

本文提出了一種將蓄電池的充放電電流和SOC相結合的能量管理方案。該方案通過對逆變器端的控制，通過改變逆變器的下垂系數，在功率分配端將功率進行重新分配從而控制蓄電池的充放電。這樣不僅可以將蓄電池的SOC值控制在安全范圍內，也可以在因系統負荷突然地變化，導致蓄電池電流超過允許的最大值時，將蓄電池的充放電電流控制在安全范圍內。各個單元均采用下垂控制，不依賴通信線，實現了本地管理，同時提高了系統的可靠性。