基于直流微電網(wǎng)的蓄電池儲能控制方法研究*

謝 琪

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣元 628040）

由于全球能源危機(jī)的加劇，我國提出了“碳達(dá)峰”“碳中和”的目標(biāo)，清潔能源得到了社會各界的廣泛重視。在直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中，可再生能源電力存在供電波動(dòng)以及電力用戶負(fù)載波動(dòng)等問題。這些電壓問題可能導(dǎo)致許多直流設(shè)備工作失常，最終影響用電設(shè)備的安全運(yùn)行，甚至關(guān)系到人身安全[1]。因此，直流微電網(wǎng)迫切需要能夠改善電能質(zhì)量和提高供電穩(wěn)定性、安全性的儲能裝置，通過實(shí)時(shí)、高效、智能化的能量調(diào)控，來保證直流微電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行，從而滿足電力用戶高供電品質(zhì)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(shí)現(xiàn)化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)換的儲能裝置[4]。為將蓄電池用于不同電壓等級的線路補(bǔ)償之中，吸收線路多余的能量，補(bǔ)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(fù)載電阻，C1、C2為緩沖電容，S1、S2為功率開關(guān)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(fù)載電阻R構(gòu)成的回路統(tǒng)稱為負(fù)載系統(tǒng)。

圖1 蓄電池直流斬波器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通過對功率開關(guān)管S1、S2的導(dǎo)通控制，可以將蓄電池直流斬波電路的運(yùn)行狀態(tài)分為升壓斬波電路和降壓斬波電路。當(dāng)開關(guān)管S1截止時(shí)，蓄電池BES、電感L、開關(guān)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(fù)載系統(tǒng)供電。當(dāng)開關(guān)管S2截止時(shí)，電感L、開關(guān)管S1、功率二極管D2等器件組成了降壓斬波電路（Buck 電路），負(fù)載系統(tǒng)將向蓄電池充電[6]。

1.1 升壓斬波電路

當(dāng)開關(guān)管S1截止，開關(guān)管S2導(dǎo)通時(shí)，蓄電池BES經(jīng)過開關(guān)管S2向電感L充電，電容C1向負(fù)載供電，假設(shè)電容C1的值很大，負(fù)載端電壓維持Uload恒定值。當(dāng)S2截止時(shí)，蓄電池BES 和電感L共同向電容C1和負(fù)載端供電。假設(shè)開關(guān)管S2的導(dǎo)通時(shí)間為ton1，截止的時(shí)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(fù)載端電壓Uload的關(guān)系式為：

若將占空比α2表示開關(guān)管S2導(dǎo)通時(shí)間占整個(gè)周期T的比例，即，則可以得到：

由此，當(dāng)負(fù)載系統(tǒng)的電壓小于額定值時(shí)，蓄電池BES 經(jīng)過直流升壓斬波電路向負(fù)載系統(tǒng)放電。通過PI 算法控制開關(guān)管S2的占空比，調(diào)節(jié)直流升壓斬波電路的輸出電壓大小，滿足負(fù)載電壓的需求，維持外界電壓的穩(wěn)定。

1.2 降壓斬波電路

假設(shè)開關(guān)管S1處于導(dǎo)通狀態(tài)的時(shí)間為ton2，此時(shí)負(fù)載系統(tǒng)向電感L和蓄電池充電。假設(shè)開關(guān)管S1處于斷態(tài)的時(shí)間為toff2，電感L經(jīng)續(xù)流二極管D2向蓄電池充電，續(xù)流二極管為理想二極管。假設(shè)電感L的電感值很大，電感電流基本恒定為I2。在一個(gè)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(guān)管S1導(dǎo)通時(shí)間占整個(gè)周期的比例，由能量守恒原則可以得到：

由公式（3）可知，當(dāng)負(fù)載電壓高于額定電壓時(shí)，蓄電池BES 將經(jīng)過降壓斬波電路吸收負(fù)載系統(tǒng)多余的能量，并將其轉(zhuǎn)化為化學(xué)能存儲起來，維持負(fù)載系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。通過PI 算法控制降壓斬波電路的開關(guān)管S1的占空比，可以控制蓄電池吸收電能的大小，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)負(fù)載系統(tǒng)的電壓穩(wěn)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(huán)PI 算法控制，該雙閉環(huán)PI 算法，將負(fù)載電壓作為外環(huán)控制，將蓄電池電流作為內(nèi)環(huán)控制[8-10]。在外環(huán)控制中，將實(shí)時(shí)的負(fù)載電壓與負(fù)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(fù)載電壓，?U為負(fù)載電壓在額定電壓上下允許的電壓差值。

1）當(dāng)負(fù)載電壓Uload大于上限參考值Uload_ref_H時(shí)，蓄電池吸收電能，蓄電池直流斬波器調(diào)節(jié)為升壓斬波電路模式。此時(shí)，將負(fù)載電壓Uload與電壓上限參考值的差值用作電壓外環(huán)PI 調(diào)節(jié)器的輸入，而電壓外環(huán)PI 調(diào)節(jié)器的輸出作為蓄電池電流的參考值。

2）若負(fù)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(diào)節(jié)為降壓斬波電路模式。此時(shí)將電壓下限參考值Uload_ref_L與負(fù)載電壓的差值用作電壓外環(huán)PI 調(diào)節(jié)器的輸入，而電壓外環(huán)PI 調(diào)節(jié)器的輸出作為蓄電池電流的參考值。

3）當(dāng)負(fù)載電壓既小于電壓上限參考值，又大于電壓下限參考值時(shí)，蓄電池電流的參考值則為蓄電池穩(wěn)定時(shí)的恒定電流Icc。

蓄電池電流參考值與實(shí)時(shí)蓄電池電流的差值作為電流內(nèi)環(huán)PI 調(diào)節(jié)器的輸入，電流內(nèi)環(huán)PI 調(diào)節(jié)器的輸出則經(jīng)過PWM 信號發(fā)生器用于控制蓄電池直流斬波器開關(guān)管S1、S2的占空比調(diào)節(jié)。

3 仿真驗(yàn)證及結(jié)果分析

本研究通過PLECS 仿真軟件，搭建出直流微電網(wǎng)模型以及蓄電池模型。在該直流微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)中，蓄電池額定電壓為200 V，直流微電網(wǎng)的電源電壓為480 V，電源電阻為0.5 Ω，負(fù)載電阻為2.5 Ω，負(fù)載額定電壓為400 V。仿真模擬了當(dāng)直流微電網(wǎng)由于可再生能源出現(xiàn)電壓波動(dòng)的情況下，通過雙閉環(huán)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(fù)載電壓維持穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 所示為直流微電網(wǎng)系統(tǒng)模擬帶電源電壓發(fā)生電壓暫升波動(dòng)時(shí)，負(fù)載電壓的波形。其中，虛線為未加儲能裝置時(shí)的負(fù)載電壓波形，實(shí)線為引入雙閉環(huán)PI 控制的蓄電池儲能裝置后的負(fù)載電壓波形。在電源電壓從額定值480 V 升高到540 V 時(shí)，直流微電網(wǎng)的負(fù)載電壓升高到450 V，當(dāng)加入蓄電池儲能裝置后，能夠在0.01 s 內(nèi)將負(fù)載電壓穩(wěn)定到額定電壓，且最大波動(dòng)電壓不超過401 V，波動(dòng)范圍僅為額定電壓的1%。

圖2 電源電壓升高時(shí)的負(fù)載電壓

圖3 所示為直流微電網(wǎng)系統(tǒng)模擬帶電源電壓發(fā)生電壓暫降波動(dòng)時(shí)，負(fù)載電壓的波形。在電源電壓從480 V 降低到420 V 時(shí)，直流微電網(wǎng)的負(fù)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(nèi)將負(fù)載電壓穩(wěn)定到400 V，出現(xiàn)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(wǎng)的穩(wěn)定供電。

圖3 電源電壓降低時(shí)的負(fù)載電壓

4 結(jié)論

針對直流微電網(wǎng)中普遍存在的電源電壓波動(dòng)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(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，根據(jù)其電路特點(diǎn)，采用電壓電流雙閉環(huán)的PI 控制策略；通過對負(fù)載電壓與閾值電壓的比較進(jìn)行PI 控制，最終輸出PWM 波形控制蓄電池直流斬波器電路進(jìn)行充放電；通過PLECS 仿真軟件對直流微電網(wǎng)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，蓄電池儲能裝置能夠有效解決直流微電網(wǎng)由于可再生能源引起的電源電壓波動(dòng)問題，當(dāng)電源電壓升高到540 V 時(shí)，可以在0.01 s 內(nèi)將負(fù)載電壓穩(wěn)定到額定值400 V；當(dāng)電源電壓降低時(shí)，負(fù)載電壓差值在額定電壓的4%以內(nèi)，保證了直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性和供電質(zhì)量。