釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制的MATLAB仿真

趙珊+董睿+楊培新+張獻(xiàn)華

摘要：針對儲(chǔ)能系統(tǒng)中釩電池端電壓及充放電控制模式變換對釩電池安全運(yùn)行的影響。釩電池是目前集環(huán)保、重復(fù)利用率高的新型儲(chǔ)能方式，所以研究釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制問題也就成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電并網(wǎng)；儲(chǔ)能；釩電池；功率控制；

1 引言

本論文利用功率解耦控制的方法研究，基于CLC型濾波器的背靠背的儲(chǔ)能逆變?yōu)槠脚_(tái)，研究了基于釩電池儲(chǔ)能的光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的控制策略。以仿真為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來研究釩電池的充放電控制特性。

2 儲(chǔ)能變流器的主電路圖

釩電池儲(chǔ)能變流器包括有整流逆變功能的DC/AC的變流器，還有具有能量雙向流動(dòng)功能的DC/DC的變換器完成直流變換，并且能在不同的模式之間自由的切換，以達(dá)到對釩電池的快速有效的充放電控制功能。

釩電池儲(chǔ)能控制系統(tǒng)能否高效運(yùn)行，很大程度上取決于對PWM變流器的控制，通過控制DC/DC變流器既可以準(zhǔn)確控制釩電池輸出的有功功率；控制網(wǎng)側(cè)變流器DC/AC可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)控制或功率因數(shù)調(diào)整控制，達(dá)到在升壓模式與降壓模式之間可以自由的切換，配合儲(chǔ)能系統(tǒng)其余部分，安全可靠的將釩電池儲(chǔ)存的能量回饋到電網(wǎng)和將電網(wǎng)的富裕的電能儲(chǔ)存到釩電池中。

二、儲(chǔ)能系統(tǒng)變流器的數(shù)學(xué)模型

Buck-Boost電路中V1保持判斷，V2以一定的占空比通斷，則電路實(shí)現(xiàn)Boost功能。反之，電路實(shí)現(xiàn)Buck功能。無論電路實(shí)現(xiàn)的是Buck功能，還是Boost功能，其數(shù)學(xué)模型相似，只需考慮電流ib方向的不一致性。下面僅討論電路實(shí)現(xiàn)Boost功能時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)主電路的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)電路Boost實(shí)現(xiàn)功能，且V1保持關(guān)斷、V2導(dǎo)通時(shí)的等效電路如圖2所示。

以下給出上述等效電路D-Q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，D-Q坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)頻率為交流系統(tǒng)頻率，D軸與系統(tǒng)電壓矢量重合，Q軸超前D軸90度。

式中：ib、id、iq、udc分別為儲(chǔ)電池放電電流、交流側(cè)電流矢量的D、Q軸分量、直流側(cè)電壓；md、mq分別為變流器的開關(guān)函數(shù)的D、Q軸分量；Lb、R、L、C分別為斬波電路低壓側(cè)電感、交流系統(tǒng)等效電阻、等效電感、變流器直流側(cè)電容；ω、Esd分別為變流系統(tǒng)電壓的角頻率、交流系統(tǒng)電壓矢量的D軸分量。

當(dāng)電路實(shí)現(xiàn)Boost功能，且V1保持關(guān)斷、V2關(guān)斷時(shí)的等效電路，同理可進(jìn)行分析。

三、儲(chǔ)能系統(tǒng)變流器的控制策略

圖4所示為釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制系統(tǒng)框圖，整體采用電壓電流雙閉環(huán)控制，包括外環(huán)電壓PI控制，電流重復(fù)控制、及DC/DC側(cè)的直流電流PI控制。并網(wǎng)控制系統(tǒng)包括無延時(shí)的IP-IQ無功電流檢測。直流側(cè)參考電壓與直流側(cè)的沒量電壓的差值，作為PI控制器的輸入，PI控制器的輸出進(jìn)行限幅后，即可獲得內(nèi)環(huán)控制的指令電流值。網(wǎng)側(cè)變流器單元的電流內(nèi)環(huán)控制采用重復(fù)控制。PWM變流器中死區(qū)效應(yīng)和非線性負(fù)載的加入都會(huì)影響逆變器輸出電壓的質(zhì)量。

四、仿真分析

4.1仿真模型的建立

（1）釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定容量為125KW，單元的直流側(cè)直流電壓控制在800V；電網(wǎng)電源的母線電壓380V。

（2）整流側(cè)采用D-Q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的空間矢量控制策略，逆變側(cè)負(fù)載采用的是電阻負(fù)載定時(shí)投切，控制策略為電流PI控制。

4.2釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的仿真研究

仿真參數(shù)：電網(wǎng)電壓的相電壓峰值：310V；直流母線電壓為800V；交流側(cè)采用CLC聯(lián)接：電容值、電感值與電容值分別對應(yīng)為40UF、0.2mH、40UF；直流側(cè)的電容為500UF；開關(guān)頻率為1KHZ；單元的進(jìn)線與出線側(cè)的電抗值為0.5mH。

仿真針對不同的時(shí)刻，改變DC/DC側(cè)的負(fù)載阻抗，進(jìn)而改變負(fù)載側(cè)的電流值，從而觀察直流電壓的波動(dòng)情況及DC/DC單元輸出側(cè)的電流波動(dòng)，同時(shí)也觀測了DC/DC單元的載波移相及各分相的電流信號。本仿真只是針對儲(chǔ)能變流器的充電進(jìn)行了描述，放電原理與充電原理相同，這里就不在重復(fù)的仿真與論述。

在T1=0.02S、T1=0.04S及T2=0.06S時(shí)刻分別在單元DC/DC的降壓側(cè)分時(shí)加入了R=6毆姆的負(fù)載電阻。當(dāng)T1=0.02S時(shí)，A相、B相、C相的電流值分別為、38A、40A、42A，單元的直流電壓值有S的振蕩后，恢復(fù)到設(shè)定值800V。當(dāng)T1=0.04S時(shí)，A相、B相、C相的電流值分別為、74A、74A、76A，單元的直流電壓值有S的振蕩后，恢復(fù)到設(shè)定值800V。當(dāng)T1=0.06S時(shí)，A相、B相、C相的電流值分別為、130A、130A、132A，單元的直流電壓值有S的振蕩后，恢復(fù)到設(shè)定值800V。單元DC/DC側(cè)載波采用的圖6 為單元直流電壓的波動(dòng)波形。

五、結(jié)語

采用重復(fù)控制的電流內(nèi)環(huán)直流電壓PI外環(huán)控制器，能保證釩電池儲(chǔ)能變流器系統(tǒng)在電網(wǎng)或是負(fù)載發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行快速充放電，平抑風(fēng)電場輸出波動(dòng)；采用重復(fù)控制的電流內(nèi)環(huán)直流電壓PI外環(huán)控制方法實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向AC/DC變流器的線性化解耦控制，儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出的有功和無功功率可獨(dú)立調(diào)節(jié)。

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