异构电池储能电站分层协调控制策略研究*

秦 齐， 张持健， 沈卫澳， 石 倩， 储 宝

(安徽师范大学 物理与电子信息学院，安徽 芜湖 241002)

0 引 言

随着电动汽车在全球需求量爆炸式增长，退役的电池组数量也呈指数式增长。2020年，预计我国将有20万吨(24.6 GWh)的退役电池[1]。废旧锂电池直接丢弃会对环境造成严重污染，提炼旧电池中的化学材料二次利用等方法成本较高[2]。有部分专家学者提出将这些退役的电池组按老化程度进行分类，组装成一个小型储能电站系统，实现退役电池组的梯次利用[3,4]。在微电网中，直流微网在接入分布式电源和进行储能时，只需一次直流/直流(DC/DC)变换器或交流/直流(AC/DC)变换器，减少了能量的损耗，同时由于直流微网的特性，无需进行频率调节和无功潮流计算，系统更加简单和稳定[5～10]。

直流微电网通常采用下垂控制来稳定变换器的输出电压。文献[11]用了传统的下垂控制对微电网系统进行控制，但由于线路中存在线路阻抗，当下垂系数取值较小时，母线偏差值较小，电流分配精度低；当下垂系数取值较大时，电流分配精度高，但母线偏差值也增大。对此，有专家学者提出了基于二次控制的改进后的下垂控制，文献[12,13]提出改变下垂曲线的方法，这种方法主要是平移下垂曲线或调整下垂曲线系数，通过改变下垂曲线，可以稳定直流母线电压，减小电压偏差。但上述方法没有考虑储能单元的状态，对此，文献[14]提出了一种下垂系数与储能元件荷电状态(state of charge,SOC)的n次方成反比的改进下垂控制法，该方法解决了功率均衡与控制精度的问题。但SOC极小时，下垂系数会很大，极大的下垂系数会使母线电压偏离很大，系统不再稳定。

但在直流微网中，往往不止一个储能单元，每个储能单元由于制式不同，存在异构性，即电池端电压不同、容量不同、SOC不同等等。这种条件下，如果仍然以SOC为指标进行充放电功率分配[15]，就会出现部分储能单元过度放电，缩短电池的使用寿命。针对这个问题，考虑将电池的剩余容量作为评判指标，即使电池之间存在异构，也能实现“能者多劳”，即剩余容量多的储能单元多出力；剩余容量少的储能单元少出力，实现储能单元均衡充放电，同时保持母线电压的稳定，使得微网系统正常工作。

1 储能电站系统控制策略

1.1 直流母线电压控制策略

本文研究的异构型电池储能电站拓扑结构如图1所示，其中电池1,电池2,…,电池n均为异构型电池。规定流向直流母线方向为正方向[16]。

图1 储能电站拓扑结构

储能电站有三种工作状态，包括白天孤岛模式、白天并网模式和夜间并网模式。

在白天孤岛模式下，并网开关断开，储能设备能量供应充足，电池储能模块给负载供电。超级电容器在负载波动时提供瞬时功率[17]。功率关系为

Pdc=Pbatt+Psc-Pload

(1)

(2)

式中Pdc为维持母线电压稳定所需的功率；Pbatt为n个电池总的吸收/释放功率；Psc为超级电容器吸收/释放功率；Pload为直流负载功率；Cdc为直流母线上的电容；Udc为实际母线上的电压值。

在白天并网模式下，此时储能设备供应能量不足，并网开关打开，系统工作在并网模式，缺额的功率由交流电网和电池储能模块提供。其中，超级电容器在负载波动时提供功率补偿。功率关系为

Pdc=Pbatt+Pac+Psc-Pload

(3)

式中Pac为交流电网提供的功率。

在夜间并网模式下，夜间电费收费标准较低，并网开关打开，交流电网给电池储能模块和直流负载共同充电。超级电容器在直流母线波动时提供功率补偿。功率关系为

Pdc=Pac-Pbatt-Psc-Pload

(4)

直流母线上流过的电流关系为

Idc=CdcdUdc/dt

(5)

式中Idc为实际流过母线的电流值。在实际工况中，母线电压值会波动。因此，需要设计一个母线电压稳定系统[18,19]。设计的直流母线电压控制器如图2所示。直流母线参考电压Ude_ref与直流母线实际工作电压Udc作比较，将偏差值ΔUdc送入比例积分(PI)控制器中，得到母线电流设定值Idc_ref，将Idc_ref与Udc相乘得到稳定母线电压时需要吸收或者释放的参考功率Pdc_ref。

图2 直流母线电压控制器

1.2 基于余能系数的混合储能功率分配

混合储能装置包括电池储能模块和超级电容器。将系统所需功率经过一个低通滤波器，将低频分量按照余能系数分配给电池1,电池2,…,电池n，高频分量给超级电容器。超级电容器在母线电压波动时起到快速补偿瞬时功率的作用，电池1,电池2,…,电池n在系统稳态时提供能量。

将式(1)、式(3)、式(4)代入式(6)中可求得三种工作模式下的混合储能的功率Phess

Phess=Pbatt+Psc

(6)

将混合储能承担的功率通过低通滤波器，得到低频的分量给电池储能单元

(7)

式中Pbatt_ref为n个异构电池吸收/释放功率的参考值。

电池1，电池2，…，电池n每个电池当前剩余能量分别为Q1，Q2,…，Qn，电池放电时余能系数qk，k=1,2,3,…,n关系如式(8)

(8)

式中U1,U2,…,Un分别为电池1,电池2,…,电池n的端电压。

电池充电时余能系数qk，k=1,2,3,…,n关系如式(9)

(9)

总的电池参考功率qk按照余能系数计算每个异构电池吸收/释放的功率。

混合储能功率减去总的电池承担功率得到超级电容器吸收/释放的参考功率

Psc_ref=Phess-Pbatt_ref

(10)

由图3可求得电池1,电池2,…,电池n和超级电容器的参考电流。当Ibatt_k_ref>0时，电池k释放功率；当Ibatt_k_ref<0时，电池k吸收功率,其中k=1,2,3,…,n。当Isc_ref>0时，超级电容器释放功率；当Isc_ref<0时，超级电容器吸收功率。

图3 异构电池混合储能功率分配

1.3 储能电站分层协调控制策略

图4给出储能电站分层协调控制策略，包括上层控制层和下层设备层。

图4 储能电站分层控制

上层控制层主要功能：接收下层设备层传输的信号，计算余能系数，对系统功率进行分配，系统功率方式分配如图3所示。下层设备层主要功能：接收上层传来的信号，对半桥式双向DC/DC变换器，双向AC/DC变换器进行控制。半桥式双向DC/DC变换器采用恒流控制，工作在Boost模式和Buck模式，双向AC/DC变换器采用PQ控制，工作在整流模式和停机模式[20]。

2 仿真实验与结果

为了验证控制方案的可行性，以2个电池模块为案例，在MATLAB/SIMULINK中搭建了图1的仿真模型，对系统在白天孤岛模式、白天并网模式和夜间并网模式进行了验证。其中，系统参数设置为：电池1标称电压为240 V，容量为70 Ah，初始荷电状态为30 %。电池2标称电压为300 V，容量为50 Ah，初始荷电状态为20 %。超级电容器容量设为2 F，超级电容器标称电压为96 V，初始电压为48 V。交流电网电压设置为380 V，工频50 Hz。母线电压设为415 V。线路阻抗设为0.01 Ω。

2.1 白天模式仿真分析

0～10 s系统工作在孤岛模式，电池1和电池2给负载供电，超级电容器在母线负载波动时快速补偿。离网模式下，初始时负载为3 kW，3 s时负载为6 kW，5 s时为9 kW，8 s时为12 kW。储能单元剩余容量之比为Q2︰Q1≈7︰3，母线电压波动在±5 %以内， 电池2和电池1出力值I2︰I1≈7︰3。10～15 s系统工作在并网模式下。交流电网、电池1和电池2一起给负载供电，超级电容器在母线负载波动时快速补偿。并网模式下，12 s时负载减为9 kW，储能单元剩余容量之比为Q2︰Q1≈3︰4，电池2和电池1出力值I2︰I1≈3︰4，母线电压波动在±5 %以内。仿真结果如图5所示。

图5 白天模式下波形

2.2 夜间模式仿真分析

0～15 s系统工作在并网模式。交流电网给电池1、电池2和负载一起供电，超级电容器在母线负载波动时快速补偿。并网模式下，负载初始功率设置为3 kW，3 s时负载为6 kW，6 s时为9 kW，9 s时为12 kW，12 s时负载减为9 kW。储能单元剩余容量之比为Q2︰Q1≈3︰2，电池2和电池1出力值I2︰I1≈2︰3，母线电压波动在±5 %以内。仿真结果如图6所示。

图6 夜间模式下波形

3 结 论

本文提出了一种适用于异构型电池储能电站的分层协调控制策略。该策略解决了多储能单元之间容量、电压、荷电状态不同时的功率分配问题，实现多个异构型电池按照剩余容量出力，放电时，电池放电电流正比于剩余容量；充电时，电池充电电流反比于剩余容量。超级电容在负载波动时快速补偿能量。最后在MATLAB/SIMULINK中对控制策略进行了仿真验证，在负载波动时，母线电压波动稳定在5 %以内，保证储能电站的正常运行。