用户多电源供电储能系统蓄电池充放电控制研究

沈学良，王贺云，贾亚飞，胡亚博，杨振华

(1.国网雄安新区供电公司，河北 雄安新区 071000；2.平高集团有限公司，河南 平顶山 467000)

0 引言

电力储能中存储的能量是由电能转换而成，并以短暂的形式存储，在需要时，将这些能量转换为电能输出[1-3]。蓄电池储能技术在储能系统中经常被应用，尤其适用于电力储能系统[4]。蓄电池储能技术的优点是成熟、安全、容量大、简单与适应性强等。

蓄电池能够提升发电装置功率输出特性、确保负荷供电质量与保持配电网稳定[5]。综合考虑蓄电池与供电储能系统性能，使其互相配合，能够避免并网运行时扰动配电网的情况，使供电储能系统和电力负荷电能供需不平衡状况得到解决，增强供电储能系统的稳定运行，提升电能质量。供电储能系统并网运行过程中，蓄电池经过充放电可稳定由无功不平衡导致的电压波动；在配电网出现故障情况下，供电储能系统由并网运行变成离网运行，此时供电储能系统稳定电压与频率的支撑来源于蓄电池，供电储能系统的功率缺失由蓄电池充放电实施补充[6]。一般厂商是通过充电(放电)设备对蓄电池实施充电(放电)，充放电设备均有电阻负载，在充放电时，未能完全利用充放电电能，导致能源浪费，这就表明研究蓄电池充放电控制策略尤为重要。本文研究了用户多电源供电储能系统蓄电池充放电控制，以提升蓄电池充放电控制的准确性。

1 蓄电池充放电控制策略

1.1 双向AC/DC变换器模型

通过设计双向AC/DC变换器实现用户多电源供电储能系统蓄电池充放电控制[7]，该变换器属于蓄电池储能直流能量和配电网交流能量转换与双向传递的装置。双向AC/DC变换器的一般数学模型是在三相静止坐标系下构建的:优点是容易理解；缺点是随着时间的改变，模型内的变量也随之改变，增加控制策略设计的难度。在一般数学模型基础上，通过加入同步旋转坐标系，变换三相静止坐标系内的量，将其变换为与电网基波频率一致、同步旋转的两相直角坐标系内的量，避免出现随着时间改变，变量随之改变的问题[8]。两相直角坐标系中控制变量均变换为直流量，利于设计控制策略。

双向AC/DC变化器的一般数学模型为：

(1)

(2)

假设θ是d轴与a轴间的夹角，两相直角坐标系的旋转速度是ω且θ=ωt，以d轴与a轴重合为时间t起始点。三相静止坐标系与同步旋转的两相直角坐标系关系如图1所示。

图1 坐标系关系示意

通过推理获取将三相静止坐标系变换成同步旋转的两相直角坐标系的变换矩阵Yabc/dq，公式为

Yabc/dq=

(3)

结合式(1)～式(3)，能够获取同步旋转坐标系的双向AC/DC变换器的dq模型为：

(4)

(5)

1.2 控制策略

1.2.1 并网控制策略

所研究的用户多电源供电储能系统以最大功率输出，不能调度，仅可通过蓄电池充放电即吸收(释放)功率，消纳(补充)系统内的功率差值，实现用户多电源供电储能系统蓄电池充放电过程中的功率平衡控制[9]。

在用户多电源供电储能系统属于并网运行模式过程中，蓄电池输出的功率值是通过储能系统中央控制层给定的，所以双向AC/DC变换器需利用PQ控制策略，实现蓄电池充放电过程中的功率平衡控制[10]。PQ控制的原理是设置双向AC/DC变换器输出的有功功率P与无功功率Q，经过控制使双向AC/DC变换器依据设置的有功功率与无功功率实施输出，完成对应的控制目标[11]。

根据旋转坐标系中双向AC/DC变换器的数学模型可知，需利用双环控制方式实现PQ控制，双环控制方式指功率外环与电流内环。功率外环可以确保双向AC/DC变换器的输出跟踪基准功率，功率外环控制方程公式为

(6)

Pref为有功功率的给定值；Qref为无功功率的给定值；P为有功功率的实际值；Q为无功功率的实际值；id,ref为并网电流d轴分量参考值；iq,ref为q轴分量参考值；kP为PI调节器的比例系数；kI为PI调节器的积分系数。

通过PQ控制器获取双向AC/DC变换器输出的有功功率P与无功功率Q，分别为

(7)

电流内环控制方程为

(8)

vfd为调制电压d轴分量；vfq为调制电压q轴分量；kP为PI调节器的比例系数；kI为PI调节器的积分系数；ω为储能换流器控制系统的角频率。

通过式(6)与式(8)，获取蓄电池充放电过程中PQ控制的恒功率控制原理，如图2所示。

图2 蓄电池充放电过程中的恒功率控制原理

d轴与q轴的电压及电流利用Park变换出口三相电压与并网三相电流获取，通过功率计算公式获取实际输出功率，对比实际输出功率与参考功率后，利用PI调节形成电流参考信号，然后和并网电流d轴与q轴分量的实际值对比，对比后实施PI调节，再由电压前馈解耦控制输出电压控制信号。电压控制信号按顺序通过反Park变换与SPWM(Sinusoidal PWM)调制，获取正弦调制信号，完成PQ控制，实现蓄电池充放电过程中的功率平衡控制[12]。

1.2.2 离网控制策略

因为在用户多电源供电储能系统属于离网运行模式过程中，蓄电池要为负荷提供电压与频率支撑，还要迅速响应负荷的变换，为储能系统提供功率补偿[13]，所以双向AC/DC变换器需利用V/f控制策略，实现蓄电池充放电过程中电压与频率的控制。

电压外环的控制方程为

(9)

vd,ref为变换器出口电压d轴分量给定值；vq,ref为变换器出口电压q轴分量给定值。

电流内环属于精细调节部分，根据外环获取的参考信号确保蓄电池充放电过程中电压与频率的稳定，快速的动态响应，能够提升双向AC/DC变换器的电能质量。电流内环控制方程为式(8)。

通过式(8)与式(9)获取蓄电池充放电过程中V/f控制的恒压恒频控制原理，如图3所示。

图3 蓄电池充放电过程中的恒压恒频控制原理

d轴与q轴的电压及电流利用Park变换出口三相电压与并网三相电流获取。通过对比电压d轴、q轴分量实际值和给定值，获取电压偏差，利用PI调节电压偏差形成电流参考信号，和电流d轴、q轴分量实际值对比，对比后实施PI调节，再由电压前馈解耦控制获取电压控制信号。通过积分后的参考频率，获取用于反Park变换的相角，利用该相角用来确保蓄电池充放电过程中的频率恒定[14]。电流控制器的输出电压通过反Park变换与SPWM调制，获取正弦调制信号，完成V/f控制，实现蓄电池充放电过程中的电压与频率的平衡控制[15]。图3中，vd,ref=vref,vq,ref=0。

2 实验分析

以国网雄安新区供电公司的多电源供电储能系统为实验对象，该多电源供电储能系统中磷酸铁锂电池组的端电压为500 V，双向AC/DC变换器的直流侧电压为900 V，配电网电压幅值为322 V，频率为50 Hz，滤波电感为5 mH，滤波电容为200 μF，可变滤波电阻为7 Ω，初始状态母线电压为30 V。

2.1 蓄电池充放电控制分析

初始状态母线电压为30 V，在20 s时，调节可变滤波电阻，增强母线电压至34 V，查看蓄电池是否顺利进入充电模式；经过8 s后，继续调节可变滤波电阻，将母线电压下降到充电边界电压32 V，查看蓄电池是否自动结束充电模式。母线电压与蓄电池电流变化情况如图4所示。

图4 母线电压与蓄电池电流变化

由图4可知，当母线电压通过电压源控制在30 V时，蓄电池没有充放电电流产生；在20 s时，调节可变滤波电阻，其值为0，这时母线电压直接提升到34 V，蓄电池马上进入充电模式，蓄电池充电电流是0.8 A；在28 s时，不断加强可变滤波电阻，这时出口电压逐渐下降，当母线电压下降到32 V时，蓄电池结束充电模式，蓄电池充电电流是0。实验证明：本文策略能够有效实现蓄电池充放电控制。

2.2 蓄电池充放电过程中恒功率控制分析

利用本文策略控制该公司多电源供电储能系统在并网运行模式过程中蓄电池的充放电，验证本文策略的有效性。利用改变有功功率与无功功率的参考值符号，改变蓄电储的充放电状态，验证本文策略的准确性。设置蓄电池在4 s时改变蓄电池功率参考值的运算符号。

2.2.1 改变蓄电池的有功功率参考值

通过对比分析蓄电池的有功输出功率参考值与采用本文策略控制后的实际有功输出功率值、出口电压与并网电流、直流侧电容电压、蓄电池的荷电状态，验证本文策略在改变蓄电池有功参考值情况下恒功率控制的准确性。并网运行时蓄电池各参数变化情况如图5～图8所示。

图5 输出有功功率参考值与实际值对比

图6 出口电压与并网电流的对比

图7 直流侧电容电压变化

根据图5～图8可知，利用本文策略控制后的实际有功功率值与参考有功功率值一致。在有功输出功率是30 kW时，出口电压与并网电流方向一致，本文策略中变换器的直流侧电容电压在900 kV之下，蓄电池的荷电状态呈现降低的趋势；在4～6 s时，蓄电池有功输出功率改变到-30 kW,这时出口电压与并网电流方向相反，本文策略中变换器的直流侧电容电压在900 kV之上，蓄电池的荷电状态呈现上升趋势。在蓄电池的有功功率参考值从正数变成负数过程中，属于放电模式到充电模式的转换，在转换过程中，本文策略能够确保有功输出功率实际值与有功功率参考值保持一致。实验证明：本文策略可以实现有功输出功率实际值完全跟踪有功功率参考值与蓄电池充放电中有功恒功率控制的准确性。

图8 蓄电池荷电状态变化

2.2.2 改变蓄电池的无功功率参考值

通过对比分析蓄电池的无功输出功率参考值与采用本文策略控制后的实际无功输出功率值、出口电压与并网电流、直流侧电容电压、蓄电池的荷电状态，验证本文策略在改变蓄电池无功参考值情况下恒功率控制的准确性。并网运行时,蓄电池各参数变化情况如图9～图12所示。

图9 输出无功功率参考值与实际值对比

根据图9～图12可知，前4 s，蓄电池的无功输出功率是30 kW，出口电压比并网电流提前90°,在4～6 s时，蓄电池的无功输出功率改变到-30 kW，这时出口电压比并网电流延后90°。实验过程中，本文策略中变换器的直流侧电容电压始终保持在900 V，蓄电池的荷电状态始终呈现降低的趋势， 根据这些结果可知蓄电池始终属于放电模式，蓄电池的无功输出功率实际值始终与参考值一致。实验证明：本文策略可以实现无功输出功率完全跟踪无功功率参考值，完成蓄电池充放电过程中的无功功率平衡控制且准确性高。

图10 出口电压与并网电流的对比

图11 直流侧电容电压变化

图12 蓄电池荷电状态变化

3 结束语

蓄电池属于供电储能系统的重要组成部分，可以确保供电储能系统的正常运行与负荷的供电质量，因此研究了用户多电源供电储能系统蓄电池充放电控制，实现蓄电池充放电过程中的功率平衡控制与电压及频率平衡控制，且准确性高。日后还可以在确保控制准确性的同时，研究双向AC/DC变换器的效率问题，提升工作效率；根据蓄电池荷电状态与功率限制实现功率分配；增加控制策略的应用价值。