光儲微電網(wǎng)鋅溴電池儲能系統(tǒng)功率優(yōu)化控制

馮鑫振，胡金杭，桑丙玉，劉歡，呂振華

(1.中國電力科學(xué)研究院，江蘇南京210003；2.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103)

光儲微電網(wǎng)鋅溴電池儲能系統(tǒng)功率優(yōu)化控制

馮鑫振1，胡金杭1，桑丙玉1，劉歡1，呂振華2

(1.中國電力科學(xué)研究院，江蘇南京210003；2.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103)

隨著分布式風(fēng)電、光伏等可再生能源的不斷發(fā)展，可再生能源本身具有間歇性、隨機(jī)性特征，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來很大挑戰(zhàn)。針對平抑光儲微電網(wǎng)中光伏發(fā)電功率波動的需求，提出一種采用鋅溴液流電池儲能的功率優(yōu)化控制策略。首先，基于鋅溴液流電池的工作原理，建立了其等效電路模型；然后，采用儲能變流器級聯(lián)多重雙向直流變換器電路拓?fù)?，分別建立了以穩(wěn)定直流母線電壓為目的的儲能變流器矢量控制策略和以電池荷電狀態(tài)為約束的鋅溴電池充放電切換的DC/DC變換器雙閉環(huán)控制策略；以電池荷電狀態(tài)和直流母線電壓為約束條件，提出一種新型的鋅溴電池儲能系統(tǒng)功率優(yōu)化控制策略，同時提出了一種減小充放電切換時直流母線電壓突變的混合儲能方法；最后，搭建了25 kW/ 50 kWh鋅溴液流電池儲能系統(tǒng)試驗(yàn)平臺，在微網(wǎng)并網(wǎng)模式下開展了鋅溴儲能系統(tǒng)充放電特性研究，結(jié)果表明，所提功率優(yōu)化控制策略能夠有效地平抑光伏發(fā)電功率波動，所提混合儲能方法很好地解決了直流母線電壓突變問題。

微電網(wǎng)；鋅溴液流電池；充放電控制；儲能；功率優(yōu)化控制策略

隨著化石能源的枯竭和環(huán)保意識的增強(qiáng)，風(fēng)能、太陽能等可再生能源的開發(fā)和利用越來越廣泛。但可再生能源具有波動性和不穩(wěn)定性，會對電網(wǎng)造成巨大沖擊。儲能技術(shù)在很大程度上能夠解決分布式新能源發(fā)電的隨機(jī)性、波動性問題，可以實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電的功率平滑輸出，成為智能電網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分。研究表明電網(wǎng)系統(tǒng)中可再生能源超過總?cè)萘?0%時不配備儲能系統(tǒng)電網(wǎng)穩(wěn)定性會變差[1]。

適用于新能源發(fā)電的電能存儲方式主要包括電化學(xué)儲能、物理儲能、電磁儲能。相比其他儲能電池(如鉛酸電池、鋰電池等)，鋅溴液流儲能電池(Zn-Br)具有許多優(yōu)點(diǎn)[2－3]：理論比能量為430Wh/kg，實(shí)際可以達(dá)到65～84Wh/kg；具有良好的循環(huán)充放電性能，可實(shí)現(xiàn)100%深度充放電而對電池?zé)o損害，至少能實(shí)現(xiàn)2 000次的深度充放電；平均壽命是鉛酸電池的三倍。基于以上優(yōu)點(diǎn)，使之有望廣泛地用于可再生能源系統(tǒng)、電力調(diào)峰、UPS應(yīng)急電源、電動汽車和軍用電源等領(lǐng)域。Zn-Br儲能系統(tǒng)已經(jīng)在多個國家得到了應(yīng)用驗(yàn)證：如美國2010年陸續(xù)安裝的500 kW/6 h鋅溴液流儲能系統(tǒng)，日本于20世紀(jì)90年代安裝了1MW/4MWh的鋅溴液流電池系統(tǒng)。

目前國內(nèi)針對鋅溴液流電池文獻(xiàn)主要側(cè)重于原理性和化學(xué)特性的描述，國外對鋅溴電池在電網(wǎng)調(diào)峰、新能源發(fā)電、電動汽車領(lǐng)域應(yīng)用、電池性能測試等方面開展了一些研究。文獻(xiàn)[4]分析了鋅溴液流電池工作原理、功能特點(diǎn)及工業(yè)應(yīng)用情況，但未涉及電池的運(yùn)行控制。針對不同狀況下鋅溴電池運(yùn)行特性及電池本身性能進(jìn)行了研究，其中在不同溫度、充放電倍率等條件下研究了電池的充放電效率。文獻(xiàn)[5]提出了鋅溴液流電池在混合動力汽車應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型。上述文獻(xiàn)中對鋅溴電池研究主要側(cè)重于原理性描述和電池性能測試，針對鋅溴儲能系統(tǒng)在光儲微電網(wǎng)中功率波動平抑研究較少。

為了平抑光儲微電網(wǎng)中光伏發(fā)電功率波動，基于鋅溴電池工作特性，本文建立了以穩(wěn)定直流母線電壓為目的的儲能變流器矢量控制策略和以電池荷電狀態(tài)為約束的鋅溴電池充放電切換的DC/DC變換器雙閉環(huán)控制策略。以電池組SOC和直流母線電壓為約束條件，實(shí)現(xiàn)平抑功率的合理分配。同時針對鋅溴電池充放電切換電壓波動特性，提出了一種減小充放電切換時直流母線電壓突變的混合儲能方法。

1 Zn-Br儲能系統(tǒng)建模

1.1 鋅溴液流電池工作原理

鋅溴液流儲能電池是一種新型、高效的電化學(xué)儲能設(shè)備，主要由三部分組成，包括液路循環(huán)及輔助系統(tǒng)、電解液以及電堆。Zn-Br液流電池電解液流動原理如圖1所示。

圖1 鋅溴儲能系統(tǒng)中電解液流動示意圖

鋅溴液流電池的反應(yīng)活性物質(zhì)為溴化鋅，基礎(chǔ)電化學(xué)反應(yīng)可表示如下(不考慮溴的其它高階數(shù)離子)：

鋅溴電池電解質(zhì)溶液(儲能介質(zhì))存儲在電解液罐中，電池工作時正負(fù)極電解液由各自的動力泵強(qiáng)制在儲液罐和電池構(gòu)成的閉合回路中進(jìn)行循環(huán)流動。由原理圖1可知，鋅被電鍍在電池內(nèi)部負(fù)極側(cè)，溴伴隨自由電子的產(chǎn)生在電池的正極側(cè)。充電時鋅沉積在負(fù)極上，在正極生成的溴會馬上把電解液中的溴絡(luò)合劑絡(luò)合成油狀物質(zhì)，這種絡(luò)合物使水溶液相中的溴含量大幅度減少，且該物質(zhì)密度大于電解液，會在液體循環(huán)過程中逐漸沉積在儲罐底部，大大減小了溴的蒸汽壓，提高了系統(tǒng)安全性。放電時正極儲罐的二相閥打開，儲罐里的絡(luò)合溴會與正極電解液充分混合打散，在正極表面發(fā)生反應(yīng)生成溴離子，附近的金屬鋅溶解成為鋅離子，電解液重新回到溴化鋅溶液的狀態(tài)，反應(yīng)是完全可逆的。

1.2 鋅溴電池模型

鋅溴電池儲能系統(tǒng)等效電路如圖2所示[6]?？紤]鋅溴電池的物理和數(shù)學(xué)特性，該電池模型由三個元素組成：UOCV(SOC)表示電池的開路電壓，Rselfdischarge表示自放電電阻，Rinternal(SOC)表示電池內(nèi)阻，這三個元素都是電池荷電狀態(tài)(SOC)的函數(shù)。圖2中Idischarge表示電池放電電流值，Iselfdischarge(SOC)表示電池自放電電流值。

圖2 鋅溴儲能系統(tǒng)等效電路

為保證電池運(yùn)行安全和鋅溴電池運(yùn)行于線性工作區(qū)間，SOC此處取值大于20%。其SOC隨充放電時間變化特性可表示：

式中：SOCk+1為電池下一時刻的SOC值，SOCk為電池當(dāng)前時刻的SOC值，h表示電池的效率，Cn表示鋅溴儲能系統(tǒng)的額定容量，D T表示采樣時間，ik為電池充放電電流值，此處一般取恒定電流值。

電池端電壓Ub表示為：

式中：Ub為電池的端電壓；UOCV(SOC)為電池的開路電壓；Idischarging表示電池放電電流；放電時表示為負(fù)數(shù)；其中電池內(nèi)阻Rinternal可由式(6)求出

鋅溴電池自放電電阻Rselfdischarge表示為：

式中：D t為電池自放電時間，D qlost為電池自放電時間損耗的總電荷。

2 多級Zn-Br儲能的微電網(wǎng)功率平抑系統(tǒng)

2.1 含Zn-Br儲能微電網(wǎng)功率平抑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了提高光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)能力，考慮電池的經(jīng)濟(jì)性和安全性能，同時提高儲能系統(tǒng)的功率傳輸能力，本文采用四象限交直流儲能變流器級聯(lián)多重雙向Buck-Boost直流變換器作為Zn-Br儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換的接口。整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 含鋅溴電池儲能的微網(wǎng)連接示意圖

圖3 中光伏發(fā)電系統(tǒng)通過并網(wǎng)點(diǎn)開關(guān)連接到配電網(wǎng)，由4級鋅溴電池電堆組構(gòu)成的儲能單元，通過多重雙向DC/DC變換器級聯(lián)四象限儲能變流器，35 kW可調(diào)電阻負(fù)荷連接在由儲能系統(tǒng)形成的交流母線處。經(jīng)由并網(wǎng)點(diǎn)開關(guān)，整個光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)接入配電網(wǎng)。

2.2 Zn-Br的儲能變流器控制策略

在Zn-Br儲能系統(tǒng)中，直流母線是電池和電網(wǎng)進(jìn)行能量交換的通道，維持著電池組、DC/DC變換器、儲能變流器和電網(wǎng)的功率平衡。因此，建立儲能變流器的控制目標(biāo)為維持直流母線電壓恒定并且保持系統(tǒng)功率因數(shù)為1。本文采取前饋解耦方法，采用基于網(wǎng)側(cè)電壓定向矢量控制的變換器d-q坐標(biāo)系下的動態(tài)模型為：

式中：R、L代表線路電阻和電感；ud、uq分別為交流側(cè)電壓d、q軸分量；id、iq分別為交流側(cè)電流的d、q軸分量；w為交流側(cè)電壓的角頻率。

其儲能變流器控制策略采用電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制，其中外環(huán)調(diào)節(jié)的輸出作為內(nèi)環(huán)電流的給定值，內(nèi)環(huán)用以實(shí)現(xiàn)電流參考值的快速跟蹤和電流限流功能。采用的儲能系統(tǒng)交直流變流器控制框圖如圖4所示。

圖4 儲能變流器恒壓控制框圖

圖4 中可見直流電壓外環(huán)調(diào)節(jié)量經(jīng)限幅后作為電流內(nèi)環(huán)有功電流給定值，通過控制交流側(cè)電流的d軸分量id可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與儲能變流器的有功功率控制和直流側(cè)母線電壓Vdc調(diào)節(jié)，通過對q軸分量iq的控制實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與儲能變流器的無功功率調(diào)節(jié)。

2.3 Zn-Br的雙向直流變換器控制策略

本文采用多重雙向DC-DC變換器級聯(lián)鋅溴液流電池，從而實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動[7]。通過對雙向DC-DC變換器的控制實(shí)現(xiàn)每組Zn-Br充放電進(jìn)行獨(dú)立控制，并以電池組SOC及電池端電壓為約束條件，針對各個電堆進(jìn)行功率優(yōu)化分配和功率值限定，為保障鋅溴電池功率平抑能力，以電池組SOC為約束條件，提出了電池安全充放電模式切換方法。其多重雙向DC/DC變換器的控制框圖如圖5所示。

圖5 多重雙向DC-DC變換器控制框圖

圖5 中，Pv、P*z-ref分別為光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率和儲能系統(tǒng)平抑功率給定值，Pz-ref、Vref分別為各級電池的充放電功率和電壓給定值，PZ為電池功率實(shí)際值，iLiref、iLi(i=1、2、3、4)分別為各級電池側(cè)電感電流給定值和實(shí)測值。

由圖5所示，鋅溴電池建議充放電區(qū)間為20%～90%，基于鋅溴電池充放電特性，鋅溴電池在直流變換器電壓區(qū)間(420～450 V)時充電，于電壓區(qū)間(350～410V)時放電，分別以每個電堆電壓及電池組SOC作為功率分配和功率限定的約束條件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)平抑的功率能夠有效分配到各個鋅溴電堆。

針對南京某屋頂光伏發(fā)電數(shù)據(jù)，對光伏輸出功率進(jìn)行頻譜分析，可知功率波動成分的頻率主要集中在8.3×10－5～1.67×10－3Hz，?？刂芞n-Br儲能系統(tǒng)在(8.3×10－5，1.67×10－3) Hz內(nèi)選擇濾波截止頻率，儲能平抑目標(biāo)功率給定值為，其中濾波時間常數(shù)根據(jù)濾波器幅頻特性及所平抑功率波動的截止頻率確定。雙向DC-DC變換器采用雙閉環(huán)控制方式，內(nèi)環(huán)采用Zn-Br電池側(cè)電感峰值電流模式控制，外環(huán)根據(jù)運(yùn)行工況選擇恒功率或恒流控制模式。為確保鋅溴儲能系統(tǒng)良好功率平抑性能，將電池SOC限值作為電池運(yùn)行模式切換條件，當(dāng)20%

3 Zn-Br液流電池與超級電容混合儲能方法

由于多重雙向DC-DC變換器的控制特性及Zn-Br電池充放電切換時電壓突變特性，在實(shí)現(xiàn)充放電功率切換時，需要ms級的充放電切換時間，鋅溴電池在實(shí)現(xiàn)充放電切換時直流母線電壓會發(fā)生突變，影響儲能系統(tǒng)的功率平抑性能。如圖6所示，采用了一種新型的混合儲能方法，本方案直接將超級電容并聯(lián)于PCS直流側(cè)，與鋅溴儲能系統(tǒng)在直流側(cè)直接相連，超級電容未采用超級電容級聯(lián)dc-dc連接方式[8]，相比單純采用電池儲能相比具有更高的功率變化速度和效率。此時超級電容于電池充放電切換時平滑光伏發(fā)電系統(tǒng)功率波動和電壓波動，使母線電壓平滑變化。采取本文所提混合儲能方法能夠優(yōu)化控制電池的充放電電流，延長其壽命周期，超級電容根據(jù)直流母線電壓變化出力，具有更快響應(yīng)速度。

4 含Zn-Br儲能系統(tǒng)的微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提鋅溴儲能系統(tǒng)平抑光儲微電網(wǎng)中光伏發(fā)電功率波動的功率優(yōu)化控制策略，以及所提混合儲能方法的效果。本文搭建了如圖6所示結(jié)構(gòu)的Zn-Br儲能系統(tǒng)試驗(yàn)平臺。四路DC-DC雙向變換器并聯(lián)后與儲能變流器直流側(cè)級聯(lián)，儲能變流器通過380 V交流母線與市電連接，超級電容器與電池級聯(lián)DC-DC并聯(lián)后連接到儲能變流器直流側(cè)，50 kW光伏逆變器連接到交流母線上。

圖6 包含混合儲能系統(tǒng)的微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)參數(shù)如下：鋅溴液流電池25 kW/50 kW h，儲能變流器額定功率30 kW，光伏逆變器50 kW，超級電容器30 kW/10 s。儲能變流器開關(guān)頻率為6.4 kHz?？刂葡到y(tǒng)基于數(shù)字信號處理器TMS320F28335和FPGA實(shí)現(xiàn)。

圖7 光伏出力Pv、聯(lián)絡(luò)線功率Pline及儲能功率PZ波形

本文中功率平滑對象為50 kW屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)，取其一天早6點(diǎn)至晚18點(diǎn)的發(fā)電數(shù)據(jù)，如圖7中PV短劃線所示，采樣周期為5m in，最大輸出功率為42 kW，最小輸出功率為1 kW。每5m in最大功率波動為27.3%。Zn-Br儲能系統(tǒng)經(jīng)由功率優(yōu)化控制策略控制后儲能實(shí)際輸出功率如圖7中實(shí)線Pz所示。經(jīng)過儲能補(bǔ)償后的聯(lián)絡(luò)線輸出功率波形如圖7中Pline虛線所示。經(jīng)過儲能補(bǔ)償后聯(lián)絡(luò)線功率變得比較平滑，每5min的功率波動控制在2%以內(nèi)。

圖8為未接入光伏發(fā)電系統(tǒng)時，Zn-Br儲能系統(tǒng)并網(wǎng)深度充放電試驗(yàn)波形，圖8中直流母線電壓Udc控制比較穩(wěn)定，較好保證了儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的功率傳輸。為保障電池充放電時不超過電池的額定功率(充電時不超過19.5 kW，放電時額定功率為25 kW)，充電時母線電壓維持在430 V，放電時母線電壓維持在380 V。鋅溴電池的SOC能夠?qū)崿F(xiàn)從0～100%的深度充放電，能夠較寬范圍的平滑光伏發(fā)電功率波動，對應(yīng)充電時功率為18 kW，放電功率為24 kW。

圖8 鋅溴儲能系統(tǒng)深度充放電波形

圖9 帶超級電容前后鋅溴儲能系統(tǒng)充放電切換試驗(yàn)

圖9 (a)鋅溴儲能系統(tǒng)未連接超級電容前充放電切換時直流母線電壓和儲能變流器側(cè)電壓電流波形，由圖9(a)中可見由于DC-DC變換器功率切換時存在ms級調(diào)節(jié)時間及鋅溴電池充放電電壓變換特性會使得直流母線電壓波形在切換時有明顯的突變。由圖9中電壓電流波形可見變流器控制交流側(cè)功率因數(shù)為1。圖9(b)為采用新型混合儲能連接方式后充放電切換試驗(yàn)波形，可見在充放電切換時直流母線電壓能實(shí)現(xiàn)平滑切換，利用超級電容快速性起到電壓瞬時支撐的作用，由超級電容補(bǔ)償光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率波動的尖峰，有效延長鋅溴液流電池的使用壽命。

5 結(jié)語

本文針對平抑光儲微電網(wǎng)中光伏發(fā)電功率波動的應(yīng)用需求，提出一種采用鋅溴液流電池儲能的功率優(yōu)化控制策略。分別建立了以穩(wěn)定直流母線電壓為目的的儲能變流器矢量控制策略和以直流母線電壓區(qū)間為約束的鋅溴電池充放電切換的DC/DC變換器雙閉環(huán)控制策略；以電池組SOC和端電壓為約束條件，實(shí)現(xiàn)平抑功率的合理分配。同時針對鋅溴電池充放電切換電壓波動特性，提出了一種減小充放電切換時直流母線電壓突變的混合儲能方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，所提功率優(yōu)化控制策略能夠有效的平抑可再生能源功率波動，所提混合儲能方法很好的解決了直流母線電壓突變問題。本文的分析和研究可為以后鋅溴液流電池應(yīng)用提供參考。

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Poweroptim ization controlstrategiesof zinc brom ine flow battery energy storage system in photovoltaic/batterym icro-grid

FENG Xin-zhen1，HU Jin-hang1，SANG Bing-yu1，LIU Huan1，LV Zhen-hua2
(1.China Electric PowerResearch Institute，Nanjing Jiangsu 210003，China; 2.Jiangsu Electric Pow erCompany Research Institute，Nanjing Jiangsu 211103，China)

With the continuous developmentof distributed wind power，solar and other renewable energy sources，renewable energy sou rces which have its own features，such as interm itten tvola tility，bring g reat challenges to the safe and stable operation of power grid.Aim ing atmeeting the requirementof balancing the fluctuating photovoltaic generation of photovoltaic/battery m ic ro grid，the optim ization power control strategies o f the zinc brom ine(Zn-Br) flow battery storage were proposed.Firstly，the equivalentelectrical circuitmodelbased on the working principle of the Zn-Br flow battery was established;secondly，a vector con trol strategy of energy storage converter was p resented to keep the stable DC bus voltage，and a double closed loop control strategy of DC/DC converter was established to sw itch charge-discharge style as a constraintof the SOC for the Zn-Br flow battery by using energy storage converter cascademultiple bi-directiona lDC/DC converter circuit topology.The optim ization power control strategies o f Zn-Br battery energy storage system as a constraintof state of charge(SOC)on the Zn-Br flow battery were proposed，and a hybrid energy storage method was proposed to solve the prob lem of the DC bus voltage mutation when the charging and discharging switch.A 25 kW/50 kWh Zn-Br flow battery energy storage system test p latform w as built，and the charging and discharging characteristics of Zn-Br energy storage system were researched in m icrogird grid-connected mode.The test results show that the proposed power optim ization control strategies for Zn-Br energy storage system can smooth photovo ltaic generation power fluctuation，and that the p roposed hybrid energy storagemethod is a good solution to the problem of the DC bus voltagemutation.

m icrogrid;zinc b rom ine flow battery;charge-discharge control;energy storage;power optim ization controlstrategies

TM 912

A

1002-087X(2016)07-1385-05

2015-12-24

2015國網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(5210EF150010)

馮鑫振(1986—)，男，山東省人，碩士生，中級工程師，主要研究方向?yàn)閮δ茏兞骺刂萍夹g(shù)。