基于锂电池系统模块化和PCS控制策略的研究

陈 晨， 何 乐， 赵 翔

(安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

随着人类社会需求的不断提高和变化，电能用量也在不断增加，而日益增加的多样化需求使得原本电网所承受的压力随之增加,传统电气设备的逐渐老化与过时也使压力进一步增大。想要解决这些问题,首先电力系统的规模和质量必须随之扩大和提高，但这样会使得电网的复杂程度也逐渐增强，所以就要求电网输出的电能质量和供电能力可靠性更加优化1]。为了缓解各种用电压力，国家开始促使各界发展新型能源。新能源无污染以及可再生的优点使得其快速发展，但是并网的问题很大程度上限制了其发展。为了解决新能源对电网污染的压力，同时缓解各地用电时空不均的问题，储能设备应运而生[2]。

储能单元既可作为发电单元又可作为负荷单元，灵活的双向性使其在能源的使用和电网环节提高电源可靠性等方面发挥着重要作用。目前储能应用主要配置在电源侧、系统侧、负荷侧。但是电池储存的是直流电，并网的时候需要进行电能转换[3]，这样就存在很多并网问题，而并网的关键就是变流器的运用和控制策略的配合。现在的并网技术发展已经较为成熟，但是各种并网技术并不是非常完美，都存在一些缺点。本文就负荷侧蓄电池并网存在的问题行分析和研究，对比常用的控制策略，选择更适合于用电侧储能并网的控制。

1 系统结构

1.1 电池系统

对于蓄电池环节，目前用得较多、效果较好的就是锂电池了[4]。但因其单体存储的能量有限，要满足并网需求必须要用大量的电池单体进行串并联，但是传统的电池系统存在各种不足，不能充分利用电池组的容量，降低了供电可靠性，影响了电池寿命[5]。为了更有效地利用电池的容量，提出了利用模块化结构对电池单体进行处理以提高电池可靠性的观点。模块化思路包括对电池单体、均衡电路、电池管理系统(BMS)和变换电路进行融合处理。电池系统中的BMS由主控制器和设置在每个电池模块内部的控制器件集合而成；CPU和控制单元通过总线进行数据交互、执行监控、管理等；均衡电路是BMS的执行单元。

本文在电池系统中加了一种新型的双向半桥BUCK/BOOST变换器，组成了一个电池功率模块，如图1所示。DC/DC[6]变换器作为电池系统的升降压电路，可与外界进行能量交互，同时还可以把电池功率模块进行拼接从而形成大功率电池系统。这样不仅可以简化均衡电路的复杂性，还可以提高电池系统容量的利用率。此外双向半桥Buck/Boost变换器除不可以保证电能的双向流动外，其开关管和二极管的通态损耗较小，电路简单可靠，效率也更高。

图1 电池功率模块Fig.1 Battery power module

对于双向DC/DC变换器的控制方案，选择采用独立的PWM控制方法对两个开关管分别进行控制，从而实现Buck模式和Boost模式的切换，如图2所示。其中，当S2关断，S1处于PWM调制时，变换器处于Buck电路模式，蓄电池处于充电状态；当S1关断，S2处于PWM调制时，变换器处于Boost电路模式，蓄电池处于放电状态。采用此控制方式虽然相对于互补PWM控制来说复杂了一些，但是对于系统的稳定性来说，却得到了很大的提升，所以选择此控制方法。

1.2 功率转换系统拓扑结构

PCS[7]是连接电池系统与电网的桥梁，是储能系统与外界能量进行交互的关键部分。电池系统是直流电源，要想并网使用必须经过PCS系统的转换，变成交流量，从而缓解因居民用电不均对电网产生的冲击。但是如果并入电网的交流电与电网自身电压的频率、幅值不匹配，谐波含量过多，不仅不能缓解电网压力，还会对电网产生负担，污染电网的电能质量，严重的还会造成系统崩溃。所以选择合适的PCS拓扑结构是很重要的一步。

图2 双向半桥BUCK/BOOST变换电路Fig.2 Bidirectional half-bridge BUCK/BOOST conversion circuit

对于PCS拓扑结构，目前研究现状比较成熟，主要有单级式工频隔离型、双极式工频隔离型、双极式高频隔离型、模块化多电平储能变换器。而本文在电池系统的设计过程中加入了DC/DC转换模块，主要是对电网的变压器所产生的压力进行处理，所以选择了单级式工频隔离型拓扑结构。此结构运行效率较高、技术较为成熟而且对于提高系统可靠性和并网的电流质量都有很大的帮助。

图3为采用的PCS拓扑结构，电池系统经直流转换系统后接入PCS系统，转换成交流电，经LCL[9-10]滤波对电流高次谐波产生有效抑制，再接通△-Y型变压器并网。L1为逆变器侧电感，L2为变压器侧电感，C2为滤波电容。

2 PCS控制策略

2.1 控制策略的选择

PCS的控制策略是整个系统稳定、安全、可靠运行的关键技术之一，对能否安全有效地并网以及缓解变压器的压力发挥着至关重要的作用。而控制策略的目标则是维持变换器直流侧电压的稳定，控制变换器的开关，调节并网电流使其与电网电压保持同频同相，此外更要保证并网电流谐波总畸变率满足规定的标准。在过去的并网控制策略中，由于PI[7]控制技术较为成熟，并且因其结构较为简单，可靠性高以及鲁棒性较强的特点而被广泛应用。但是其缺点也较为明显，只能对直流信号进行无静差追踪。其在对正弦信号进行追踪时存在误差，而且它的抗干扰能力也有所欠缺，所以需要寻求更加可靠的控制策略。

图3 PCS拓扑结构Fig.3 PCS topology structure

为了弥补PI控制的不足，引入了PR控制策略[11-13]，其由比例调节器和谐振调节器构成，此控制策略能够对所需要的正弦信号进行准确的误差追踪，但是这种控制策略也有缺陷：对电网频率偏移的抗性能力较差，抑制电网引起的谐波能力较弱。为了解决这些缺陷，对PR控制进行改进，提出了一种准PR的控制策略[14-15]，下面对准PR控制进行研究。

准PR控制器采用交流侧电流内环的控制方法，以电网侧电压为参考坐标系，利用Clarke变换将三相静止坐标系(abc)转换成两相静止坐标系(α-β)，变换后得到交流量实时追踪反Park变换后的指令量，以完成目标。与PI控制相比简化了坐标变换，省略了电流d，q轴分量之间的耦合关系。准PR控制器是对PR控制器的改进，使其对频率的适应性大大提高，此外还提高了系统在谐振频率附近的带宽，有效地解决了在电网频率偏移时对并网电流产生的负面影响，增加了PCS的稳定性和抗干扰能力。其传递函数如下：

(1)

其中，ωc为截止频率；kp，kr分别为比例系数和谐振系数；ω0=2πf0为基波角频率。

图4为准PR控制器的波特图，可以通过改变kp，kr，ωc来改变系统基波频率以外的幅值增益、低频和高频处的幅值增益以及相位裕度、系统的带宽。仅kp增大时，基波频率以外频率的幅值会有所增加；仅增大kr时，控制器的增益会随之增大；仅增大ωc时，会使控制器带宽增加和改变增益的变化。准PR控制器弥补了PR控制器在谐振频率处增益无穷大的问题，减少了稳态无差；此外控制器在谐振点的带宽也有所增加，在电网频率发生偏移时，控制器依旧可以准确及时地控制并网电流。

图4 准PR控制器的波特图Fig.4 Porter diagram of quasi PR controller

2.2 准PR控制器设计

控制系统采用以准PR控制为基础的双闭环结构，外环为电压环，内环为电流环。

由于前面已经提到了PI控制可以保证直流量的无静差跟踪，而本文所探讨的正是由蓄电池给变压器进行供电并网，蓄电池所提供的电能正是直流量，在外环控制中，通过电池侧实际电压与参考电压进行比较从而得出有功和无功分量，而这一步所利用的正是PI控制器。有功电流输入为idref, 有功电流输出为iqref,为保证单位功率因数运行，让iqref=0；电压外环得到的电流分量，先通过dq-αβ变换，作为内环控制的给定值iαref和iβref，被控量则从变换器侧提取。电流内环由滤波电容电流提供反馈，这样可以有效抑制谐振峰值。给定值与被测量经过差值比较送入PR控制器，把控制器输出的结果经坐标反变换成abc坐标量，作为SVPWM的输入，驱动PCS中各桥臂开关动作。电网电压的相位则利用三相锁相环获取。PCS的控制策略图如图5所示。

图5 PCS准PR控制策略图Fig.5 Quasi-PR control strategy diagram of PCS

3 仿真设计

在MATLAB软件中搭建基于准PR控制的储能PCS控制系统仿真模型。对于仿真设计参数如下：锂电池电压为400 V；直流侧电容C1=330 mF，电感Lm=1 mH;滤波电感L1=0.56 mH，L2=0.2 mH，滤波电容C2=100 μF;准PR控制器参数kp=2，kr=100，ωc=3 rad/s，ω0=100π rad/s；电网电压为380 V，频率为50 Hz。仿真达到的PCS逆变器输出的电流波形图如图6所示。

在仿真结果可以看出，并入变压器的波形为完整的正弦波，准PR控制和PI控制结合的使用使得电流的谐波畸变相对于其他控制得到明显改善，总谐波畸变率仅有2.23%，谐波畸变率远低于国家要求，符合并网规范。电流的快速无静差追踪保证了并网电流的稳定无误差，把其并网接到变压器中，使得电池组模块可以和电网协同工作，为变压器提供能量，在用户侧对电能需求增大的时候，缓解电网输出不足的缺点，从而保证用户侧供电的质量，保障变压器的安全正常运行。

图6 PCS仿真电流波形图Fig.6 PCS simulation current waveform

4 结束语

提出的电池系统模块化设计与PCS控制策略，使得电池系统在使用的过程中更加安全有效，并网效果也得到提升。在两电平变换器的基础上，设计的PCS系统，将准PR控制器和PI控制器结合，并运用SVPWM算法。通过实验结果可以了解:准PR控制不但可以对并网的正弦信号进行误差追踪，而且对谐波的抑制效果也相当好。相比于传统的PI控制，准PR控制的谐波畸变率更低，提高了系统的经济性和并网效率。