基于蓄电池的储能系统充放电研究

2020-06-22 11:26闫姝含张俊国

通信电源技术 2020年7期

闫姝含，张俊国

（黑龙江科技大学电气与控制工程学院，黑龙江哈尔滨 150022）

0 引言

在微电网中，直流微电网的功率波动会引起直流侧母线电压随之波动，从而导致直流侧母线电压内部负荷进一步受到关联影响[1-3]。如果分布式电源的输出功率和实际的负荷出现不平衡状况，此时多余能量则被储能装置吸收，这部分系统不足的能量则需要由储能装置进行弥补。本文所用蓄电池的充放电控制策略，即并网运行时处于待机状态，而孤岛运行时采用恒压充（放）电控制。

1 储能系统结构分析

该系统的实际结构，如图1所示。

图1 储能装置接入直流微电网示意图

当直流微电网系统功率平衡时，满足关系式：

式中，PS代表储能装置的吸收功率，PDG代表电源发出功率，PLOAD代表整个电网内部负荷功率，PG代表该微电网系统与大电网并入后的实际功率。本文选用铅酸蓄电池组完成整个系统的设计。

2 铅酸蓄电池模型

铅酸蓄电池是一种常见的电量储存装置，电路模型有很多，常见的归纳总结如下。

2.1 蓄电池理想模型

铅酸蓄电池理想模型的输出电压计算公式如下：

式中，Ebat代表蓄电池电动势；RS代表该电池的等效内阻，往往可以从实验中获得。

这个模型中，相应的参数都是恒定不变的状态，能够有效反映在蓄电池中向电量的具体变化情况，也可以结合各模型综合演变而来。但是，这一模型并没有全面考虑蓄电池的消耗状况，在时间应用过程中也不符合常理，所以应用也存在一定的局限性。

2.2 蓄电池的改进模型

假设蓄电池是开路状态，同时电压稳定不变，它的内阻大小与荷电状态有明确关联，具体的公式表达如下：

其中SOC代表荷电状态，R0代表在电池充电状态下对应的内部电阻值大小。如果该蓄电池的电荷状态为满状态，那么R0取值为100%。k则代表与该电池放电速度相关的函数。

荷电状态具体的表达公式为：

式中，Q代表蓄电池容量大小，Cbat代表电池容量，ibat代表平均放电电流的变化量。

3 蓄电池充放电路及控制策略

双向DC/DC转换电路中包含两个IGBT，能量在双向流动的过程中可以通过对两个IGBT的控制进一步实现间接控制[4-5]。由于变换器能够将能量反向进行输入，目前已经被广泛应用在各类能量储存装置中，原理如图2所示。其中，U为电源侧电压，US为蓄电池端电压。

图2 双向DC/DC变换电路

对于整个直流微电网系统而言，由于建设成本限制和电源分布有一定的随机性等特点，在储能装置的设计上需要考虑部分特殊性质。综合考虑后，本文采用恒压充放电控制策略。

根据图3可知，完成对蓄电池充电过程电压的恒定本质上来说是要保证电压的稳定性，实现这一效果必须要采用电压电流双闭环控制系统。假定该蓄电池参考电压大小为Ubref，实际的蓄电池端的电压大小为Ubat，将两者进行比对后可以得出参考电流信号Ibref，将该信号经过PI调节器处理后，可以借助调制器进一步生成PWM信号，后续可以通过该控制波对充电电路开关管进行有效控制，从而防止充电过程出现电流过大的现象，最终对系统的各部分原件起到良好的保护作用[6]。

对于蓄电池恒压放电控制来说，与恒压充电原理类似，首先从内环和外环两个部分分别对放电测的电流值和直流测的电压值进行全面控制。对于外环而言，母线端电压Udc需要实时与参考值U'dc进行比对，两者之间的差量会被传输到PI调节器。在完成一个电流限幅的环节后，它会输入给定的电流参考值Iref给内环，并与实际的蓄电池内电流Ibat作出比对。这部分信号也会由PI调节器生成，相关的PWM控制波能够完成对该电路的全面控制。

图3 蓄电池恒压充电原理示意框图

由于蓄电池使用有一定的寿命，为了延长该电池的使用时间，本文设定了合理的蓄电池充放电运行区间，如图4所示。在达到90%电荷状态时停止充电；如果电荷状态在40%以下，则不让变流器工作，蓄电池此时则不能执行放电动作，需调整负载进一步降低对电池的使用压力。

4 仿真结果分析

系统的整体仿真模型如图5所示。系统仿真中，电压环PI调节器的参数分别设置为Kp=0.3，Ki=15；电流环PI调节器的参数分别设置为Kp=1，Ki=30。另外，为了模拟蓄电池的充放电控制，采用受控电压源进行模拟设置。其中，t=0.4～1.2 s时负载特性为消耗蓄电池电能，t=1.2 s转换为给蓄电池进行充电。仿真结果如图6和图7所示。