基于变下垂系数的蓄电池充放电管理∗

郝玉倩 郭英军 孙鹤旭 郭亚洁

（河北科技大学电气工程学院 石家庄 050018）

1 引言

近年来分布式发电技术受到国内外学者的广泛关注。由于分布式发电单元的一次能源多为可再生的光能、风能，受自然环境影响较大，因此需要在微电网中加入能量储存单元，以解决能量供给的间歇性，不稳定性的问题。蓄电池的过度充放电或者长时间大电流放电，都会严重缩短蓄电池的使用寿命［1］。因此需要进行科学的能量管理，合理控制电池的充放电，防止电池在充放的过程中损坏，以延长蓄电池的使用寿命，降低整个微电网的使用成本［2］。

蓄电池在整个微电网系统中起到削峰填谷的作用。文献［3］提出了一种定量分析方法配置蓄电池所需最小容量，通过模型求解确定实现微网总成本最低所需配置的蓄电池蓄电池容量。文献［4］根据微网运行特点，蓄电池储能单元采用PQ控制以维持系统孤岛运行模式下的功率平衡，有效地调节光伏单元输出功率和蓄电池储能单元充放电电流。文献［5］通过考虑储能充放电功率，剩余电量等约束条件的微网混合储能容量优化模型，提出了协调蓄电池与超级电容器运行的微网系统功率分配策略。现有大多数文献都只根据蓄电池的SOC调节蓄电池的充放电，本文不仅根据蓄电池的SOC来控制电池的充放电，还根据蓄电池的充放电电流来控制蓄电池。

当电池的充电、放电状态相互过渡时，为了避免将蓄电池充（放）电的暂态下垂系数带到放（充）电状态中，要在充放电状态改变时恢复下垂系数。

2 系统结构和能量管理方案

2.1 系统结构

孤岛微电网系统结构如图1所示。系统包括光伏发电单元和蓄电池单元以及其他微源（风电、燃料电池等）。与单级式结构相比，两级式结构在直流源的选取上更加的灵活，在实际应用中实用性更强［6］。蓄电池的双向DC/DC变换器通过调节交流母线电压，来平衡系统的功率。当系统发电功率大于负荷消耗的功率，蓄电池充电，逆变器工作在整流状态。当系统供小于求时，蓄电池向系统提供功率，逆变器工作在逆变状态。

图1 光伏、蓄电池、燃料电池微网结构

2.2 下垂控制在能量管理中的应用

传统下垂控制可表示为［7］

式中，f和V分别表示逆变器的输出频率和电压。fref和Vref表示额定电压和频率。kp和kq表示有功、无功功率的下垂系数。Pref和Qref表示输出额定输出功率，P和Q表示实际输出功率。

可知可通过改变Pref［8］和改变kp［9］的值来改变逆变器的输出功率，满足系统的能量平衡［10］。本文采用变下垂系数来调节逆变器输出的控制方案。

3 能量管理方案

3.1 基于蓄电池的充放电电流和SOC的管理策略

根据蓄电池的充放电电流和SOC，设定七种工作模态，ibat为蓄电池的充放电电流，-ibat,c,max为蓄电池所允许最大充电电流，ibat,d,max为蓄电池所允许最大放电电流。SOCmin为蓄电池SOC的下限值，SOCmax为蓄电池SOC的上限值。

模态1：蓄电池满足-ibat,c,max＜ibat＜ibat,d,max，SOCmin＜SOC＜SOCmax的状态，蓄电池处于正常工作状态，电池的下垂系数不变；

模态2：蓄电池充电，充电电流满足-ibat,c,max＞ibat，这时要增加蓄电池的下垂系数；

模态3：蓄电放电，放电电流满足ibat＞ibat,d,max，增大蓄电池的下垂系数；

模态4：电池充电电流处于安全值范围内，随着电池的充电，电池的SOC逐渐升高，直到电池SOC满足SOC＞SOCmax，增大电池的下垂系数；

模态5：电池放电电流处于安全值范围内，随着电池的放电，电池的SOC逐渐降低，直到电池SOC满足SOCmin＞SOC，增大电池下垂系数；

模态6：蓄电池处于充电状态，并且充电电流大于充电电流最大值，随着蓄电池充电，蓄电池SOC增大，当满足SOC＞SOCmax，蓄电池下垂系数增大；

模态7：蓄电池处于放电状态，且放电电流大于放电最大值，蓄电池的下垂系数增大，随着蓄电池放电，蓄电池SOC减小，当满足SOCmin＞SOC，蓄电池下垂系数增大。

3.2 接口逆变器控制

蓄电池有功功率/频率下垂曲线如图2所示。当系统频率小于fref，蓄电池工作在B区域，电池输出功率；频率大于fref，蓄电池工作在A区域，电池吸收功率。正常运行时，蓄电池接口逆变器按曲线1所示P/f特性运行。当蓄电池的放电电流超过最大值或SOCmin＞SOC，增大下垂系数，按曲线3运行，蓄电池输出功率减小；当蓄电池充电电流超过最大值或SOC＞SOCmax，增大下垂系数，按曲线2运行，蓄电池吸收功率减小。

图2 蓄电池有功功率/频率下垂曲线

本文采用改变下垂系数的方法，来改变蓄电池吸收或释放的功率。采用的下垂公式如下：

kp(s)为变化的下垂系数。根据电池的电流和SOC来改变kp(s)的值，来改变蓄电池输出吸收的功率。

下垂系数的控制结构如图3所示。电流判断单元用来判断蓄电池的电流是否超过所允许的最大值，当蓄电池电流超过最大电流，电流判断单元将两者的电流差值送到PI控制器的输入端；当蓄电池电流在正常值范围内时，电流判断将零送到PI中。

图3 蓄电池系统控制框图

4 方案的验证研究

本文以一台光伏，两台蓄电池单元组成的孤岛微电网为例，来验证提出的能量管理策略。图4～图5给出了相应的模态切换仿真波形。

4.1 蓄电池充电

蓄电池处于充电状态时，系统模态切换的工作过程如图4所示。

图4（a）所示，t1时刻前，蓄电池都处于充电状态，系统工作在模态；t1时刻光照增加，此时蓄电池1的充电电流超过电流最大值，系统进入模态2；t2时刻，系统负荷增大，电池1充电电流小于滞环比较的下限值，此时恢复下垂系数，系统进入模态1；t3时刻，负荷减小，蓄电池1的电流再次超过最大值，系统进入模态2；t4时刻负荷再次增大，蓄电池1的下垂系数恢复，系统恢复至模态1。由仿真可知，系统可以在负载连续变化的情况下，稳定地进行模态转换。

图4 系统工作模态切换仿真

图4（b）所示，t1时刻前，蓄电池充电，系统工作模态1；t1时刻，光伏输出增加，蓄电池1电流超过最大值，系统进入模态2；t2时刻，系统负荷增加，充电电流小于滞环比较下限值，下垂系数恢复；t3时刻，SOC＞SOCmax，系统进入模态4，蓄电池下垂系数增加，减小充电功率。

图4（c）所示，t1时刻前，蓄电池充电，系统工作在模态1；t1时刻，光伏输出增加，蓄电池1电流超过最大值，系统进入模态2，电池1的下垂系数增大，蓄电池1的充电电流减小，直到电流小于最大值；t2时刻，蓄电池1满足SOC＞SOCmax，这时系统进入模态6，蓄电池1的下垂系数继续增大，减小蓄电池1的吸收功率。

4.2 蓄电池放电

蓄电池处于放电状态时的系统模态切换的工作过程如图5所示。

图5 系统工作模态切换仿真

图5（a）所示，t1时刻前，蓄电池处于放电状态，系统工作在模态1；t1时刻，负荷增大，蓄电池1电流超过最大值，系统进入模态3；t2时刻，负荷减小，电池电流小于滞环比较的下限值，蓄电池1恢复下垂系数，系统进入模态1；t3时刻，负荷再次增大，蓄电池1电流超过最大值，系统进入模态3；t4时刻，负荷减小，蓄电池电流小于滞环比较器的下限值，下垂系数恢复，系统进入模态1。由仿真结果可知，在蓄电池放电的状态下，系统可以在频繁的转换工作模态的工况下稳定运行。

图5（b）所示，t1时刻前，蓄电池放电，系统工作在模态1；t1时刻，负荷增大，蓄电池1放电电流超过最大值，系统进入模态3；t2时刻，负荷减小，放电电流小于滞环比较下限值，下垂系数恢复，系统工作在模态1；t3时刻，SOCmin＞SOC，系统进入模态5，电池1下垂系数增加，减小电池放电功率。

图5（c）所示，t1时刻前，蓄电池放电，系统工作在模态1；t1时刻，负荷增大，蓄电池1放电电流超过最大值，系统进入模态3，随着蓄电池的放电，电池的SOC值减小；t2时刻蓄电池1满足SOCmin＞SOC，系统工作在模态7，蓄电池1的下垂系数继续增大，放电功率减小，缺额的负载功率由蓄电池2提供。

5 结语

本文提出了一种将蓄电池的充放电电流和SOC相结合的能量管理方案。该方案通过对逆变器端的控制，通过改变逆变器的下垂系数，在功率分配端将功率进行重新分配从而控制蓄电池的充放电。这样不仅可以将蓄电池的SOC值控制在安全范围内，也可以在因系统负荷突然地变化，导致蓄电池电流超过允许的最大值时，将蓄电池的充放电电流控制在安全范围内。各个单元均采用下垂控制，不依赖通信线，实现了本地管理，同时提高了系统的可靠性。