光伏微电网中电储能系统与控制探究

程益德，刘 嘉，关学忠

（南京国电南自电网自动化有限公司，江苏 南京 210000）

0 引 言

随着科学技术的不断发展和进步，光伏微电网应用受到了广泛关注，要重视储能系统的应用要点，满足技术保障的同时实现系统控制的目标，从而实现经济效益和社会效益的双赢。

1 光伏微电网中电储能系统概述

光伏微电网中，电储能系统是微电网的重要组成部分，能满足系统能量的双向流动，不仅可以实现外部系统能量获取，为电池充电，还可以有效实现电池放电，保证外部系统供电正常。

1.1 系统组成

系统组成主要包括电池系统（Battery System，BS）、 功 率 变 换 系 统（Power Conversion System，PCS）以及电池管理系统（Battery Management System，BMS）等，如图1所示。依据内部组成结构，建立完整的模型，从而开展控制措施，能在强化储能技术应用效果的基础上保证微电网运行的规范性，也为整个系统应用效率的提高奠定基础[1]。

图1 系统组成

1.2 原理和模型

在光伏微电网系统应用过程中，蓄电池是基本的储能介质，内部化学物正负极活性物质的氧化过程和还原过程是为外部传输电流提供支持的关键，保证充放电反应有序落实，其通用等效电路如图2所示。

图2 蓄电池通用等效电路

模型本身是受控电压源和微小内电阻串联形成的结构，结合放电特性测试结果就能绘制对应曲线，然后评估等效模型参数，就能了解电池充放电状态下荷电的变化情况，从而有效建立对应合理的控制机制[2]。

1.3 控制方式

对于光伏微电网中电储能系统应用而言，要优选蓄电池单元完成充放电控制工作，从而确保功率切换器能结合实际应用情况完善控制方案。在传统处理体系中，蓄电池的充电方式较多，多数都是依据马斯曲线进行变换，其中较为常见的就是恒流限压、恒压限流以及脉冲电流充电等，借助单一电压或电流变量控制方式，从而完成充电处理。但是这些方式对电池的使用寿命会产生一定程度上的影响，制约充电效果。基于此，阶段式充电受到广泛关注，这种方式有效弥补了单一变量控制时间不足的问题，实现二阶段充电处理。在充电前进行恒流控制，当电池电压参数出现升高并达到给定值后，转变为恒压控制充电，能够有效延长电池的使用寿命，保证充电安全性[3]。

2 光伏微电网中电储能系统控制要点

为了保证相应的控制效果满足预期，要整合具体的控制单元和控制规范，确保电储能系统控制效果的最优化，维持设计效果的合理性。

2.1 控制系统总体设计

微电网并网处理后，电储能系统会随之出现变化，此时设计光伏微电网电储能系统控制单元要结合具体应用标准落实具体工作，从而维持系统的总体设计效果。在整个系统中，除了电网、发电系统，还包括负载系统和储能变换器，结合电路控制系统，就能建立完整的应用模式，匹配储能控制单元[4]。

储能控制单元中，数字信号处理（Digital Signal Process，DSP）控制器和继电保护电路是主要组成部分，并且控制器利用的是TMS320F28335控制芯片，整体计算应用效能较好。与此同时，双极式变流结构电路能够实现储能功能的变换控制。双芯片DSP控制四桥臂变流器和DC/DC变换器，而且在控制系统中还存在预充电模块，能维持电流应用，确保电流变化情况下不会引起开关管的损坏。另外，基于交流负载侧设计储能系统，也要综合分析光伏发电量和负载消耗情况，确保微网系统调节的合理性，维持储能和功率的平衡，为系统的安全稳定运行予以支持。

2.2 控制系统应用策略

2.2.1 储能功率变换器

对于光伏微电网中电储能系统控制而言，放电状态和电网系统内部各组成部件的运行情况有着密切的联系，要想建立完整的控制模式，就要结合实际应用环境，建立完整且合理的检测机制，从而定期检测光伏单元发电状态以及对应的负载要求，以便于明确评估储能系统充放电运行的策略。基于此，一般采取双极式四桥臂储能功率变换器对电网予以有效控制，并能及时分析光伏系统和电流负载参数，评估储能系统中电池充放电控制的合理性和规范性。

2.2.2 储能功率变换系统

光伏微电网的电储能系统控制方案设计中，要确保储能功率变换系统运行的稳定性，维持在三相电网结构中及时调整电压参数和电流参数，并实现蓄电池的持续性放电，保证充放电的平衡性（图3）。依据光伏微电网发电系统的运行情况可知，储能系统配置储能单元功率的要求较高，一般会扩充为电池组。与此同时，要结合光伏发电并网和自动重合闸、继电保护之间的关系，维持变换处理参数的合理性[5]。

图3 充放电状态

2.2.3 DSP核心控制电路

在DSP核心控制电路中，要利用运算处理的方式完成系统数据的采样操作，并结合设定目标予以控制，及时依据实际情况发送实时性控制指令，保证控制目标得以实现。值得一提的是，DSP核心控制电路中，芯片能对运算速度以及外设接口等功能予以处理，满足变流器具体应用的要求，符合双向半桥DC/DC电路升降压模式切换控制过程，从而及时完成充放电的控制处理。

DC/DC变换器电路如图4所示，滤波电容、开关管以及储能电感是基本组成元件，在开关管V9处于导通工作状态下，脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）状态启动，此时V10关闭，四桥臂变流器就会借助V9与储能电感Lb完成充电；而在V9处于关闭状态下，整体电路结构也逐渐处于降压充电的趋势。与此相对的，功率管V10处于开通状态下，整个结构进入PWM阶段，V9关闭，电感Lb利用V10完成放电操作；而在V10关闭后，二极管VD1实现持续电流处理，电感能量向四桥臂变流器侧完成传递，就会形成Boost电路模式，实现升压放电[6]。

图4 DC/DC变换器电路

2.2.4 电流环控制器

在光伏微电网中，电储能系统获取到指令电流后，在满足设计要求的基础上选取匹配的电流进行内环控制管理，能对指令电流予以跟踪控制，确保四桥臂变流器并网管理结构中能实时性输送有功电能，确保补偿负载谐波、不平衡电流分量等都能得到有效控制。在电流环控制器设计环节中，结合控制目标，在四桥臂变流器并网控制体系下就能对有功功率进行实时性调控，确保谐波抑制、不平衡电流分量等都能得到有效补偿和处理，从而为系统提供补偿电流，保证动态响应的及时性和规范性。

光伏微电网中电储能系统控制环节涉及内容较多，电流滞环控制、准比例谐振控制、无差拍控制以及PI控制等都较为常见[7]。（1）电流滞环控制的动态响应效率较好，对应的误差较小，但是开关频率存在动态变化，使得整体应用过程难以完全匹配数字化标准，应用频率降低。（2）准比例谐振控制器能实现对特定频率交流信号的无差别控制处理，由于多频率信号读取过程完整度较好，且多个准比例谐振控制器并联能大大提升控制准确性，因此实际应用范围较广，但是存在响应效率较慢的现象，针对一些对响应速率要求较高的环境不予采用。（3）无差拍控制能够有效对采样信息进行预测分析和实时性控制，保证给定电流控制的规范效果，响应快且精度高，但是这种处理方式需要建模，并且要明确参数，一旦建模参数模糊，就会对其稳定性产生影响。（4）PI控制是动态响应效率较好的处理方式，且能实现直流量无静差控制，但是在谐波交流信号跟踪控制方面还存在误差。综合考量控制器的应用情况以及负载特性，选取PI调节动态控制模式，从变流器对基波有功、多次谐波以及不平衡电流分量跟踪控制的目的出发，完成跟踪周期性信号处理工序，确保稳态误差效果最优化，还能在满足稳态性能应用管理要求的基础上，实现对指令电流的跟踪控制。

2.3 控制效果

在对系统进行仿真验证后可知，利用MATLAB系统就能搭建完整的模型电路，并且获取的指令电流、电压参数以及锁相环等因素都能匹配实际应用标准和要求，整体发电系统对系统的影响较小，进一步提高了储能功率管理效果。补偿三相负载过程中不平衡电流或者是谐波不当的问题，建构完整的应用控制模式，从而减少应用成本，大大提升了微电网储能系统和整体电网结构一体化管理的效果，为电网的安全应用管理提供了保障[8]。

3 结 论

智能电网发展进程不断加快，为了保证应用管控的合理性和规范性，要结合光伏微电网中电储能系统的控制应用要求，建立更加科学合理的管控模式，确保资源应用效率最优化，落实全面储能系统控制策略，从而为智能电力系统的可持续发展奠定坚实基础。