基于铅炭电池的独立光伏储能交直流微网控制策略*

谭振杰 王力 梁告 周国民 袁喜鹏 赵斌

（1.长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410114；2.西藏自治区能源研究示范中心，西藏 拉萨 850000）

随着“双碳”目标的确立，分布式新能源发电得到大范围推广和发展。面对西藏等边远地区电能输送困难、气候环境恶劣等问题，光伏发电以其清洁、安全、高效以及资源丰富的特点被广泛应用于该类地区，使得独立微电网建设得到长足发展。但由于光照资源的间歇性和波动性［1］，独立微电网中常配置一定容量的储能系统以稳定光伏发电的出力和平抑微电网中功率波动，从而保证电网运行的可靠性［2-8］。

针对微网中光伏出力和负荷投切等易造成功率波动问题，根据一般电化学储能电池能量密度高和超级电容器功率密度高的特点，很多学者将二者结合构成混合储能系统以实现可再生能源的功率平抑［9-13］。文献［14］通过使用混合储能系统提高光伏微网孤网运行模式下供电的可靠性及稳定性，但所提控制中缺乏考虑电池的荷电状态，可能会导致电池的过充过放现象；文献［15］通过对新能源输出功率进行频谱分析，与低通滤波结合实现蓄电池和超级电容器的分频协调控制；文献［16］建立了包含风电、光伏、微型燃气轮机以及混合储能系统在内的交直流微网系统，其控制策略中考虑了储能电池SOC（Stage of Charge）状态以避免电池的过充过放，亦是由储能电池承担低频分量，超级电容承担剩余分量。

铅炭电池作为基于铅酸电池改进的新型电池目前正受到广泛关注并逐渐得到市场认可［17-18］。通过“内混”的方式将特殊碳材料加入铅酸电池负极板，使铅炭电池获得双电层电容特征，充放电速度得到极大提高［19］。铅炭电池继承并发展了铅酸电池的比能量优势和安全性能，兼具电容的高比功率的特点，具备大范围应用于微电网的潜力。已有学者进行了大量铅炭电池应用的研究［20-21］，如文献［20］针对铅炭电池储能系统不规则充放电引起的电池组一致性变差问题，提出了考虑电池组一致性的电池功率控制策略，以避免单体电池的过充/过放现象；文献［22］通过使用铅炭电池，配合改进爬坡率控制实现了对光伏并网功率波动的实时平抑。但现有仿真中一般将铅炭电池的模型采用蓄电池模型代替，缺乏针对性考虑其自身特性的适用于电力系统分析的仿真模型。

基于此，本文以使用铅炭电池作为储能系统的独立光伏储能交直流微网建设项目为背景，针对光伏微电网运行时的源荷功率不匹配现象，首先分析铅炭电池的寿命和放电特性，并根据SOC 状态将储能系统的运行分为四个模式，设计了考虑铅炭电池SOC 状态和匹配光伏出力与负载功率差额的切换控制策略。通过MATLAB/Simulink 对独立光伏储能交直流微网模型进行仿真分析，验证系统运行的稳定可靠性。

1 铅炭电池寿命及放电特性分析

在光伏储能微网中，为了维持微网内功率平衡，储能电池将会进行非周期性放电。而铅炭电池作为一种新型储能方式，有必要结合其放电深度和放电倍率综合分析电池的使用寿命。

1.1 放电深度与寿命循环关系

铅炭电池的循环寿命受到温度、放电深度等因素的影响。某型号铅炭电池在环境温度为25℃条件下的放电深度（Depth of Discharge，DOD）与循环寿命的关系如图1所示。

通过对放电深度和循环次数关系数据进行拟合，可以得到其关系表达式为：

式中，DOD为放电深度，其值等效考虑为1-SOC，其中SOC 为电池的荷电状态；Ctime表示电池在该放电深度下的循环次数，随着放电深度的增加，电池的循环寿命逐渐降低。

结合图1 数据和相关文献数据［23］表明，铅酸电池在10%的放电深度下循环寿命仅为3500次，在放电深度达70%的条件下将铅酸电池循环寿命将降低到不足400 次；而铅炭电池在30%放电深度下循环寿命达到了将近8000次，在放电深度达70%的条件下循环寿命仍能够在4000 次以上。因此铅炭电池相比于传统铅酸电池，在高放电倍率浅循环和中等放电倍率深循环两种运行情况下循环寿命均得到了极大地提升。

1.2 放电倍率与可用容量关系

使用某型号铅炭电池在不同放电电流情况下得到对应的放电容量数据，并拟合得到放电倍率rd和可用容量比例μc的关系曲线如图2所示，其关系表达式为

蓄电池实际输出容量与其放电电流大小直接相关。从图2 可以看出，铅炭电池在一般放电倍率0.1C和0.2C 的条件下实际容量达到89%和86%，而在2C的高倍率放电模式下仍具有约50%的放电容量。这是铅炭电池在继承铅酸电池高能量密度的整体结构下，由具备双电层电容特征的碳材料与海绵铅（Pb）负极以及二氧化铅（PbO2）正极共同构成具备电容和电池特性的复合电极决定的，从而使得铅炭电池具备了类似于电容器的高功率密度优势。

2 铅炭电池数学模型及其充放电控制

2.1 数学模型

本文使用的PNGV（The Partnership for a New Generation of Vechicles）电池模型对铅炭电池的电气特性进行模拟，电池SOC 的估算采用安时积分法，该电池模型能够准确描述铅炭电池工作的动态过程，且结构合理便于参数获取，其等效电路模型如图3所示。图3中，uocv和Cb二者结合模拟开路电压OCV（Open Circuit V oltage）；Rp和Cp为电化学极化电阻和电容；R0为欧姆内阻；ub为电容Cb的端电压；up为RC并联电路的端电压；u0欧姆内阻的端电压；uL为电池端电压；iL为负载电流。

根据基尔霍夫定律，铅炭电池数学模型可表示为：

2.2 充放电电流控制

铅炭电池储能系统通过Buck/Boost变换器连接直流母线实现双向的功率传输，其拓扑结构如图4所示。图4 中iBat为电池充放电电流；udc为直流母线侧电压；电感L、电容C 和两个IGBT（S1和S2）组成双向Buck/Boost变换器。

储能系统的控制目标是维持微网内部功率供求平衡和直流母线电压的稳定，系统中直流母线电压和功率的关系表达式为：

式中，C 为直流母线电容；udc为直流母线电压；PPV为光伏出力；PLoad为网内负荷；PB为电池功率。

根据式(4)可知通过调节电池功率PB即可实现稳定直流母线电压和微网内部功率平衡，因此引入电压电流双闭环控制以稳定直流母线的电压稳定。电压电流双闭环控制框图如图5所示。图5中Udc_ref为直流母线电压参考值；Udc为实际电压；iB_ref为电池参考电流；iB为电池实际电流。

利用给定电压参考值Udc_ref与实际电压Udc比较得到差值e经过PI控制器处理后得到电池参考电流iB_ref，参考电流iB_ref再与实际电池电流iB比较后经过PI控制器得到占空比。PWM发生器通过占空比得到PWM信号以驱动IGBT动作，从而实现对电流参考值的快速跟踪。

2.3 基于铅炭电池SOC 的储能系统工作状态划分

考虑铅炭电池的充放电特性以及其寿命模型，为使铅炭电池寿命尽可能长且为避免出现电池过充过放现象，本文基于电池SOC 值将其划分了不同工作状态，并提出不同工作状态下的运行要求，工作状态的划分如表1所示。

表1 基于铅炭电池SOC 的储能系统工作状态划分

电池不同工作状态下具体运行要求如下：（1）当电池处于过放区时，电池停止放电，优先考虑高倍率充电以快速恢复到正常工作电量；（2）当电池处于正常工作状态时，电池正常充放电以维持微网内功率平衡；（3）当电池处于过充区时，电池停止充电，只允许放电。

3 独立光伏储能交直流微网运行控制策略

3.1 独立光伏储能交直流微网架构

独立光伏储能交直流微网主体架构如图6所示，由光伏阵列、铅炭电池储能系统、负荷、交直流母线以及相关功率变换器等构成。光伏阵列和铅炭电池储能系统通过DC/DC 变换器与600V 直流母线连接，直流母线通过DC/AC 逆变器以及LCL 滤波器与三相交流380V 母线相连，同时通过直流母线和交流母线分别为直流和交流负荷供电。

为了满足不同功率需求，光伏阵列控制模式由最大功率跟踪（MPPT）模式和限功率输出模式组成，一般情况下光伏阵列通过MPPT 模式进行控制以提高光电转化率，但当光伏出力大于负荷功率并且储能电池SOC 过高时，储能电池将暂时退出运行并调整光伏阵列运行模式为限功率输出模式以维持功率供求平衡。

3.2 光伏储能微网运行控制策略

为了维持交直流微网内部的功率平衡，提高光电转化率的同时避免电池储能系统过充过放以延长电池使用寿命，本文设计了光伏储能微网运行的功率控制策略，包括充电和放电状态下考虑电池SOC 的四个运行模式，以及不同模式的切换如图7所示。

当PPV＞PLoad时，系统处于充电状态。模式1，当SOC＜SOCmax，光伏阵列处于MPPT 运行模式，为平衡网内功率电池正常充放电。模式2，高电量运行模式，当SOC

SOCmax，即电池荷电状态达到了了充电上限，此时为避免电池过充现象，光伏阵列输出将会转为限功率输出，功率输出参考值跟随负载功率幅值，此时电池将切换为待机状态，等待PPV＜PLoad时再继续放电运行。

当PPV＜PLoad时，系统处于放电状态，光伏始终处于MPPT 运行模式。模式3，当SOC＞SOCmin，电池根据网内功率的供求差额得到参考电流并对参考电流实时跟踪，处于正常充放电状态。模式4，低电量运行模式，当SOCSOCmin，此时电池进入过放区，为避免电池过放和电池电量不足以持续维护微网内功率平衡的情况，此时可接入市电以维持负载运作并对电池进行充电，或通过对不重要功率进行减载，使PPV＞PLoad以避免微网内功率失衡而导致系统失稳。

通过对光伏出力、负载变化和储能电池状态进行分阶段管理，实现四种不同模式的平滑切换，有助于抑制直流电压的波动和维持功率供给平衡，加强系统的动态响应性能并增强光储微网系统稳态运行的能力。

4 基于铅炭电池的独立光储交直流微电网仿真分析

4.1 仿真工况及其模型参数设置

为了验证系统在各个模式和不同运行工况下能够正常运行，以及铅炭电池储能系统可以快速跟踪网内功率变化并平抑功率不平衡波动，本文设定了三个典型工况对所提控制策略进行仿真验证。

（1）工况Ⅰ。描述微电网正常运行的情况，设定铅炭电池初始剩余电量中等，光伏出力和负载强度各有波动但大体相当。

（2）工况Ⅱ。描述微电网面对电池高电量运行，在小负载情况下系统的工作情况，设定铅炭电池初始剩余电量较高，且光照强度较强、负载强度较小。

（3）工况Ⅲ。描述微电网面对电池低电量运行，在大负载情况下系统的工作情况，设定铅炭电池初始剩余电量较低，且光照强度较弱、负载强度较大。

系统仿真模型参数如下：直流母线电压600V，交流母线电压为工频380V。环境温度为25℃，铅炭电池容量为20A ·h，额定电压80V。设定电池SOC 临界值：SOCmin=10%，SOCmax=90%.

4.2 仿真波形分析

4.2.1 正常运行（工况Ⅰ）。设置光照强度为600W/m2，对应的最大光伏出力为65 kW；负荷设置为50 kW和70kW，其变化时间节点为10s；光伏工作模式为MPPT，铅炭电池的初始SOC 为48.5%.其仿真波形如图8所示。

由图8分析可知：

（1）0～10s时间段内，PPV＞PLoad，且电池SOC 处于50% 附近，此时系统工作在模式1，铅炭电池吸收系统剩余功率。

（2）10～15s时间段内，PPV＜PLoad，此时系统工作在模式3，铅炭电池对功率差额进行补偿。整体而言系统直流母线电压始终保持在600V 左右，面对一定范围内的功率波动能够很好地保持母线电压稳定。

4.2.2 电池高电量下运行（工况Ⅱ）。设置光照强度稳定为1000W/m2，对应的最大光伏出力为106kW；负荷设置为70kW和120kW，其变化时间节点为8.5s；铅炭电池的初始SOC 为88%。其仿真波形如图9所示。

由图9分析可知：

（1）0s到大约3.9s时，PPV＞PLoad且电池SOC＜SOCmax，系统工作在模式1，铅炭电池持续吸收剩余功率。

（2）大约在3.9s时，电池SOC 上升到90%，电池进入过充区，此时电池SOCSOCmax，为避免电池过充，储能系统暂时切换为待机状态，光伏阵列工作模式由MPPT 转为限功率输出模式；从大约3.9s到8.5s时间段内，光伏出力保持对负荷功率的幅值跟踪。

（3）8.5s时，系统负载提高到120kW，此时PPV＜PLoad，光伏阵列切换回MPPT 工作模式，储能系统运行输出功率以补偿系统功率差额。结合图8中各子图仿真波形，系统在电池SOC 较高的情况下在通过工作模式切换仍能够实现功率的供求平衡和直流母线电压稳定。

4.2.3 电池低电量下运行（工况Ⅲ）。设置光照强度为350W/m2，对应的最大光伏出力为38kW；初始负荷设置为60kW；光伏工作模式为MPPT，铅炭电池的初始SOC 为12%.其仿真波形如图10所示。

由图10分析可知：

（1）0s到大约4.2s时，系统负荷PLoad始终保持在60kW，而光伏出力PPV较小，只有38kW。此时PPV＜PLoad以及SOC＞SOCmin，系统工作在模式3，铅炭电池持续对系统功率差额进行补偿。

（2）大约在4.2s时电池SOC 下降到10%，电池进入过放区，此时SOCSOCmin，系统切换为模式4，为系统内功率平衡和直流母线电压稳定，系统减载，负荷幅值降低至30kW使得PPV＞PLoad；系统运行过程中直流电压一直稳定在600V 左右，可见电池在SOC 较低的情况下，通过工作模式的切换系统同样能保持稳定运行。

综合图8～图10分析可知：

（1）在工况Ⅰ条件下，面对较为频繁的负荷投切和光伏出力变化，铅炭电池储能系统在运行模式1和模式3之间灵活切换，实现了参考电流的快速准确跟踪，补偿微电网内部功率差额，维持了直流母线电压稳定。

（2）在工况Ⅱ条件下，储能系统在运行模式1和模式2之间灵活切换，实现了对功率变化需求的实时跟踪，避免了铅炭电池出现过充现象，提高了铅炭电池使用寿命。

（3）在工况Ⅲ条件下，储能系统在运行模式3和模式4 之间迅速切换，同时避免了微电网内部功率缺失问题和铅炭电池过放现象，保证了系统的稳定运行。

综上，对铅炭电池储能系统运用本文所提的功率控制策略，在不同工况下均可实现快速平衡系统功率和稳定直流母线电压的目标，并且在电量较高和较低的情况下设置了对应的控制方式有效避免了铅炭电池的过充过放，延长了电池的使用寿命。

5 结论

本文针对独立光伏储能交直流微网内系统能量的波动性，提出了采用铅炭电池储能平抑微网内功率波动。分析了铅炭电池的寿命模型和放电特性，搭建了适用于电力系统分析的独立光伏储能交直流微网仿真模型。主要结论如下：

（1）铅炭电池在相同放电深度的条件下的循环寿命较铅酸电池得到了极大提升，不论在高倍率放电还是低倍率放电的情况下，其放电性能均表现优良，具备应用于微电网的潜力。

（2）根据独立光伏储能交直流微网中光伏出力和负荷投切等易造成功率波动问题，提出了一种考虑铅炭电池SOC、协调光伏出力和交直流负荷的功率控制策略，将储能系统的运行划分为四个模式，通过运行模式的灵活切换满足不同工况下的微电网内部功率和母线电压的动态平衡需求。

（3）通过三种典型工况验证所建铅炭电池模型和系统运行控制策略的有效性。在系统正常运行情况下，铅炭电池储能系统能够快速准确地跟踪参考电流，补偿微电网内功率差额，维持直流母线电压稳定；在铅炭电池低电量和高电量运行两种情况下，采用本文所提的光伏储能交直流微网协调运行控制策略通过灵活切换运行模式，实现了对功率变化需求的实时跟踪，保证了系统的稳定运行并避免了铅炭电池过充/过放现象。