电池储能接入系统拓扑及其控制策略

张红艳， 张建坡

(1.风帆有限责任公司 徐水工业电池分公司，河北 保定 071003； 2.华北电力大学 电气与电子工程学院， 河北 保定 071003)

0 引言

近年来伴随着大规模可再生能源发电在整个电网中所占比例的增加，其本身固有出力不稳定特性对电力系统调峰以及安全运行的影响问题得到广泛地关注。而储能技术能够应对风电、光伏发电的间歇性、波动性和随机性等并网问题，提高能源利用效率，改善电网电能质量，是消除可再生能源大规模开发利用瓶颈的关键技术之一。同时储能技术做为能量缓冲单元，也是智能电网的重要组成环节，涵盖了电力系统中发电、输电、变电、配电和终端用电5个阶段，可有效降低功率波动对发电机调频影响，同时也能在一定程度上提高现有配用电设备的利用率、降低运行成本[1～5]。 当前蓄电池储能技术在能量管理，能量密度方面都有了长足的发展，已经成为组建大容量储能系统的一种可行方案。然而受蓄电池单体电压、容量较低限制，储能单元之间不得不进行串并联联接，以提升电压构建大容量储能系统。而受蓄电池单元参数差异的影响，各储能单元串联时，某些蓄电池单元电压在充放电过程中可能过低或过高，从而导致过度充电和放电的后果，影响整个蓄电池储能系统的可靠性[6,7]。电网接入系统(Power Conversion System, PCS)做为电池储能系统的重要组成环节，主要负责交流电网与储能电池之间交、直流电能变换与双向能量传送功能[8]，其拓扑结构和控制性能的好坏直接关系到储能系统可靠高效运行，因此开展PCS研究具有重要的实际意义。文献[9]从PCS拓扑单元入手，归纳总结了两种PCS的优缺点，分析了运行特性。文献[7]则分析了可再生能源发电PCS系统中涉及的电池配置、功率调节和系统集成问题。文献[10,11]提出一种基于公共直流母线的链式电池储能系统，借助多组移相全桥DC/DC 变流器替代工频变压器，实现与公共直流母线的连接。文献[12] 针对微网孤岛运行中，由于储能逆变器带非线性负载时电流波动较大问题，提出了基于支持向量机的复合逆控制策略，以提高系统控制性能。文献[13]为实现锂离子电池储能系统的有效能量管控，对由大量锂离子电池组成的储能系统结构进行研究，提出了分组、分层次、自治的设计方法，并针对电池储能系统提出了一种基于电池荷电状态的充电管理策略，以提高充电效率，延长使用寿命。上述研究成果为PCS拓扑及控制的研究工作提供了一定的借鉴意义。

在分析总结电池储能接入系统拓扑结构特点基础上，首先针对具有双向能量控制的全H桥链式物理拓扑，建立其数学模型；然后从能量平衡角度出发，在两相同步旋转坐标系下采用双闭环矢量控制，以比例积分控制器作为功率外环和电流内环控制器，实现有功、无功功率的调节控制；同时利用水平控制实现三相桥臂之间的能量平衡，通过垂直控制实现桥臂内储能单元间能量平衡；最后在PSCAD下搭建仿真模型，对其拓扑及其控制有效性进行仿真验证。

1 PCS物理模型和数学模型研究

图1是两种类型PCS拓扑。图1(a)具有控制简单运行可靠优点，对于小容量储能系统，可以直接采取该类变流器拓扑直接并网。而当电池储能系统应用在负荷中心配电网时，其容量要求往往在MW级以上，从而首先需要大量储能电池单元串并联，然后再利用PCS接入系统。如果仍然采取上述拓扑，受电池组端电压限制，无法直接接入中压电网而需要升压措施。

图1 PCS 拓扑图

近年来，电压源型多电平变流技术得到不断推广和应用。模块化多电平变流器作为多电平变流器拓扑之一，通过子模块级联能够实现任意电压电平输出，总谐波畸变较低。同时不仅有效避免了功率器件直接串联带来动态均压问题，还可以通过低电压子模块的级联达到较高电压等级的能量转换，避免利用变压器升压，从而在体积、占地及成本上具有明显优势，且扩展性好，因此在新能源并网、中压大功率交流调速、电力系统静止无功补偿、统一电能质量控制器等领域得到了广泛的应用和研究[14～16]。图1(b)所示为蓄电池采用链式模块化多电平变流器PCS拓扑之一，每一相均采用多个H 桥储能单元级联结构。

根据图1(b)所示电压电流参考方向，可得到PCS三相静止坐标系下电压电流方程如式(1)所示。

(1)

ia+ib+ic=0

(2)

式中：usa，usb，usc为换流器接入电网交流电压；ua，ub，uc为换流器侧交流电压；ia，ib，ic为交流电流。

根据瞬时无功功率理论，A B C三相静止坐标系下，交流电网向储能系统输送有功功率和无功功率为式(3)所示。

(3)

为提高控制性能和简化控制器设计，对式(1)(3)进行Park变换，可转换为式(4)(5)所示dq同步旋转坐标下数学模型。其中下标dq分别代表同步旋转坐标系下电压、电流dq两轴分量。

(4)

(5)

2 PCS控制策略研究

2.1 附加控制研究

附加控制主要实现三相储能单元内部的能量均衡控制。理论上在三相对称工况下，功率控制可以实现系统正常运行。大容量储能系统包含大量的蓄电池单元，而这些单元之间又存在串并联关系。受电路参数和电池单元充放电影响，三相桥臂间以及单相桥臂内部存在着能量不平衡情况，导致某些蓄电池单元电压可能过高或过低，降低整个蓄电池储能系统的可靠性[17]。目前主要是通过对蓄电池BSOC检测控制实现，电池BSOC定义如式(6)所示。

(6)

如果三相桥臂蓄电池BSOC等于三相桥臂总BSOC平均值，则能够保证桥臂之间不存在能量水平流动。为了实现控制目标，定义系统单相和三相BSOC平均值分别如式(7)(8)所示。

(7)

BSOC_Avg=(BA_SOC_Avg+BB_SOC_Avg+BC_SOC_Avg)/3

(8)

借鉴文献[16]，设计水平能量控制逻辑如图2所示，输出控制均衡电压uAvg_ref。

图2 水平能量控制

桥臂内储能单元均衡可以借鉴桥臂间均衡控制原理，保证每一个蓄电池单元SOC等于本相桥臂储能单元SOC平均值，则可以实现桥臂内单元均衡。电阻耗能作为均衡各电池单元电压的一种技术手段，虽然成本低，但也存在损耗大，均衡速度慢，灵活性差的弊端[17,18]。而改进式蓄电池单元电压均衡通过控制电容、电感储能元件与各电池单元间的能量交换，改变各蓄电池单体能量以实现均压。考虑到电容作为储能元件具有结构简单优点，因此通过控制电容电压间接实现单体之间均衡。

图3是蓄电池工作于不同状态时的电路示意图。图3(a)(b)是电池处于旁路状态，蓄电池能量保持不变；图3(c)是蓄电池充电状态，而3(d)是处于放电状态。通过触发逻辑调整充放电时间也可实现蓄电池能量的微调。为了实现上述控制目标，采用文献[19,20]所提通用均衡方法，为每一个储能单元配置一个比例控制器，产生相应的微调参考波调整各个单体的充放电时间实现蓄电池单体之间的能量均衡。

图3 蓄电池单元工作逻辑示意图

2.2 主控制策略研究

主控制策略主要实现变流器与交流系统或负载之间有功和无功功率的调节控制。直接电流控制又称为矢量控制，是当前大功率变流器广泛采用的控制方式，这种控制方式由电压(功率)外环控制和电流内环控制两部分构成。由于为双闭环控制，具有控制精度高，电流响应速度快和很好的内在限流功能。因此本文采用直接电流控制，外环和内环控制器为能够无差跟踪直流信号的比例积分控制器。

首先将电感电压电流关系利用比例积分来表示。

为实现对变流器输出电压调节，将电感电压代人式(4)，则变流器期望输出电压为(9)。

(9)

控制如图4所示，其中ua_ref、ub_ref和uc_ref为变流器三相参考波信号。

图4 双闭环控制

3 仿真分析

为了对PCS系统有效性进行验证，搭建了如图5所示仿真模型对PCS有功调节和无功功率调节特性进行了仿真验证。交流系统电压为10 kV，全桥子模块数量为10个，储能电池等效为受控电压源。图5中Pac、Qac为交流系统与负荷和储能系统间交换的有功和无功功率；PB、QB为储能系统和交流系统间交换的有功和无功功率；PL、QL为负荷吸收的有功和无功功率。

图5 仿真拓扑图

3.1 有功调节仿真分析

首先仿真负荷增加工况。开始时电网提供有功功率和系统中负荷消耗有功功率处于平衡状态，为20 MW。在0.5 s时有5 WM有功负荷接入系统，此时为保证交流系统输出有功功率不变，PCS系统运行在逆变状态，输出5 MW有功功率。

然后对负荷减少工况进行仿真，在0.5 s时有5 MW的有功负荷退出系统，此时PCS系统将工作于整流状态，吸收交流系统额外有功功率，对蓄电池充电，维持有功平衡。仿真波形如图6所示(负值代表发出功率)，从中可以看出PCS能够响应系统有功功率变化，输出或吸收电源和负载之间的能量差，保证电源输出有功功率的恒定，消除负荷功率波动的影响。

图6 有功调节仿真图

3.2 无功调节仿真特性

为验证PCS系统对无功功率的调节特性，主要实现交流电网单位功率因数运行工况，在此过程中有功负荷保持恒定。首先验证对容性无功的调节能力，开始系统有5 Mvar容性无功，在0.5 s时变流器发出5 Mvar无功，此时交流电网输出无功为零。然后验证对感性无功的调节能力，交流系统输出5 Mvar感性无功，同样在1 s时变流器发出5 Mvar的感性无功。从图7可以看出，PCS能够满足无功功率的调节要求，维持了无功功率的平衡，实现了电网单位功率因数运行。

图7 无功调节仿真图

4 结论

论文以电池储能接入系统拓扑和控制策略为研究对象，采用了具有电压等级、容量扩展容易、输出电流谐波含量低的模块化多电平级联结构星型联接作为PCS拓扑。针对储能系统和交流电网之间的有功和无功功率调节，在同步旋转坐标系下设计实现了技术成熟、结构简单、跟踪精度比较高的双闭环矢量控制。同时利用三相桥臂SOC平均值和桥臂SOC之间的差值实现PCS内部水平能量均衡控制，最后的仿真结果验证了PCS拓扑和控制策略的有效性，实现了有功和无功功率的动态调节。