基于變下垂系數(shù)的蓄電池充放電管理?

郝玉倩 郭英軍 孫鶴旭 郭亞潔

（河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院 石家莊 050018）

1 引言

近年來分布式發(fā)電技術(shù)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。由于分布式發(fā)電單元的一次能源多為可再生的光能、風(fēng)能，受自然環(huán)境影響較大，因此需要在微電網(wǎng)中加入能量?jī)?chǔ)存單元，以解決能量供給的間歇性，不穩(wěn)定性的問題。蓄電池的過度充放電或者長(zhǎng)時(shí)間大電流放電，都會(huì)嚴(yán)重縮短蓄電池的使用壽命［1］。因此需要進(jìn)行科學(xué)的能量管理，合理控制電池的充放電，防止電池在充放的過程中損壞，以延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，降低整個(gè)微電網(wǎng)的使用成本［2］。

蓄電池在整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)中起到削峰填谷的作用。文獻(xiàn)［3］提出了一種定量分析方法配置蓄電池所需最小容量，通過模型求解確定實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)總成本最低所需配置的蓄電池蓄電池容量。文獻(xiàn)［4］根據(jù)微網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)，蓄電池儲(chǔ)能單元采用PQ控制以維持系統(tǒng)孤島運(yùn)行模式下的功率平衡，有效地調(diào)節(jié)光伏單元輸出功率和蓄電池儲(chǔ)能單元充放電電流。文獻(xiàn)［5］通過考慮儲(chǔ)能充放電功率，剩余電量等約束條件的微網(wǎng)混合儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化模型，提出了協(xié)調(diào)蓄電池與超級(jí)電容器運(yùn)行的微網(wǎng)系統(tǒng)功率分配策略。現(xiàn)有大多數(shù)文獻(xiàn)都只根據(jù)蓄電池的SOC調(diào)節(jié)蓄電池的充放電，本文不僅根據(jù)蓄電池的SOC來控制電池的充放電，還根據(jù)蓄電池的充放電電流來控制蓄電池。

當(dāng)電池的充電、放電狀態(tài)相互過渡時(shí)，為了避免將蓄電池充（放）電的暫態(tài)下垂系數(shù)帶到放（充）電狀態(tài)中，要在充放電狀態(tài)改變時(shí)恢復(fù)下垂系數(shù)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和能量管理方案

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)包括光伏發(fā)電單元和蓄電池單元以及其他微源（風(fēng)電、燃料電池等）。與單級(jí)式結(jié)構(gòu)相比，兩級(jí)式結(jié)構(gòu)在直流源的選取上更加的靈活，在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)用性更強(qiáng)［6］。蓄電池的雙向DC/DC變換器通過調(diào)節(jié)交流母線電壓，來平衡系統(tǒng)的功率。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)電功率大于負(fù)荷消耗的功率，蓄電池充電，逆變器工作在整流狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)供小于求時(shí)，蓄電池向系統(tǒng)提供功率，逆變器工作在逆變狀態(tài)。

圖1 光伏、蓄電池、燃料電池微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2.2 下垂控制在能量管理中的應(yīng)用

傳統(tǒng)下垂控制可表示為［7］

式中，f和V分別表示逆變器的輸出頻率和電壓。fref和Vref表示額定電壓和頻率。kp和kq表示有功、無功功率的下垂系數(shù)。Pref和Qref表示輸出額定輸出功率，P和Q表示實(shí)際輸出功率。

可知可通過改變Pref［8］和改變kp［9］的值來改變逆變器的輸出功率，滿足系統(tǒng)的能量平衡［10］。本文采用變下垂系數(shù)來調(diào)節(jié)逆變器輸出的控制方案。

3 能量管理方案

3.1 基于蓄電池的充放電電流和SOC的管理策略

根據(jù)蓄電池的充放電電流和SOC，設(shè)定七種工作模態(tài)，ibat為蓄電池的充放電電流，-ibat,c,max為蓄電池所允許最大充電電流，ibat,d,max為蓄電池所允許最大放電電流。SOCmin為蓄電池SOC的下限值，SOCmax為蓄電池SOC的上限值。

模態(tài)1：蓄電池滿足-ibat,c,max＜ibat＜ibat,d,max，SOCmin＜SOC＜SOCmax的狀態(tài)，蓄電池處于正常工作狀態(tài)，電池的下垂系數(shù)不變；

模態(tài)2：蓄電池充電，充電電流滿足-ibat,c,max＞ibat，這時(shí)要增加蓄電池的下垂系數(shù)；

模態(tài)3：蓄電放電，放電電流滿足ibat＞ibat,d,max，增大蓄電池的下垂系數(shù)；

模態(tài)4：電池充電電流處于安全值范圍內(nèi)，隨著電池的充電，電池的SOC逐漸升高，直到電池SOC滿足SOC＞SOCmax，增大電池的下垂系數(shù)；

模態(tài)5：電池放電電流處于安全值范圍內(nèi)，隨著電池的放電，電池的SOC逐漸降低，直到電池SOC滿足SOCmin＞SOC，增大電池下垂系數(shù)；

模態(tài)6：蓄電池處于充電狀態(tài)，并且充電電流大于充電電流最大值，隨著蓄電池充電，蓄電池SOC增大，當(dāng)滿足SOC＞SOCmax，蓄電池下垂系數(shù)增大；

模態(tài)7：蓄電池處于放電狀態(tài)，且放電電流大于放電最大值，蓄電池的下垂系數(shù)增大，隨著蓄電池放電，蓄電池SOC減小，當(dāng)滿足SOCmin＞SOC，蓄電池下垂系數(shù)增大。

3.2 接口逆變器控制

蓄電池有功功率/頻率下垂曲線如圖2所示。當(dāng)系統(tǒng)頻率小于fref，蓄電池工作在B區(qū)域，電池輸出功率；頻率大于fref，蓄電池工作在A區(qū)域，電池吸收功率。正常運(yùn)行時(shí)，蓄電池接口逆變器按曲線1所示P/f特性運(yùn)行。當(dāng)蓄電池的放電電流超過最大值或SOCmin＞SOC，增大下垂系數(shù)，按曲線3運(yùn)行，蓄電池輸出功率減??；當(dāng)蓄電池充電電流超過最大值或SOC＞SOCmax，增大下垂系數(shù)，按曲線2運(yùn)行，蓄電池吸收功率減小。

圖2 蓄電池有功功率/頻率下垂曲線

本文采用改變下垂系數(shù)的方法，來改變蓄電池吸收或釋放的功率。采用的下垂公式如下：

kp(s)為變化的下垂系數(shù)。根據(jù)電池的電流和SOC來改變kp(s)的值，來改變蓄電池輸出吸收的功率。

下垂系數(shù)的控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。電流判斷單元用來判斷蓄電池的電流是否超過所允許的最大值，當(dāng)蓄電池電流超過最大電流，電流判斷單元將兩者的電流差值送到PI控制器的輸入端；當(dāng)蓄電池電流在正常值范圍內(nèi)時(shí)，電流判斷將零送到PI中。

圖3 蓄電池系統(tǒng)控制框圖

4 方案的驗(yàn)證研究

本文以一臺(tái)光伏，兩臺(tái)蓄電池單元組成的孤島微電網(wǎng)為例，來驗(yàn)證提出的能量管理策略。圖4～圖5給出了相應(yīng)的模態(tài)切換仿真波形。

4.1 蓄電池充電

蓄電池處于充電狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)模態(tài)切換的工作過程如圖4所示。

圖4（a）所示，t1時(shí)刻前，蓄電池都處于充電狀態(tài)，系統(tǒng)工作在模態(tài)；t1時(shí)刻光照增加，此時(shí)蓄電池1的充電電流超過電流最大值，系統(tǒng)進(jìn)入模態(tài)2；t2時(shí)刻，系統(tǒng)負(fù)荷增大，電池1充電電流小于滯環(huán)比較的下限值，此時(shí)恢復(fù)下垂系數(shù)，系統(tǒng)進(jìn)入模態(tài)1；t3時(shí)刻，負(fù)荷減小，蓄電池1的電流再次超過最大值，系統(tǒng)進(jìn)入模態(tài)2；t4時(shí)刻負(fù)荷再次增大，蓄電池1的下垂系數(shù)恢復(fù)，系統(tǒng)恢復(fù)至模態(tài)1。由仿真可知，系統(tǒng)可以在負(fù)載連續(xù)變化的情況下，穩(wěn)定地進(jìn)行模態(tài)轉(zhuǎn)換。

圖4 系統(tǒng)工作模態(tài)切換仿真

圖4（b）所示，t1時(shí)刻前，蓄電池充電，系統(tǒng)工作模態(tài)1；t1時(shí)刻，光伏輸出增加，蓄電池1電流超過最大值，系統(tǒng)進(jìn)入模態(tài)2；t2時(shí)刻，系統(tǒng)負(fù)荷增加，充電電流小于滯環(huán)比較下限值，下垂系數(shù)恢復(fù)；t3時(shí)刻，SOC＞SOCmax，系統(tǒng)進(jìn)入模態(tài)4，蓄電池下垂系數(shù)增加，減小充電功率。

圖4（c）所示，t1時(shí)刻前，蓄電池充電，系統(tǒng)工作在模態(tài)1；t1時(shí)刻，光伏輸出增加，蓄電池1電流超過最大值，系統(tǒng)進(jìn)入模態(tài)2，電池1的下垂系數(shù)增大，蓄電池1的充電電流減小，直到電流小于最大值；t2時(shí)刻，蓄電池1滿足SOC＞SOCmax，這時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入模態(tài)6，蓄電池1的下垂系數(shù)繼續(xù)增大，減小蓄電池1的吸收功率。

4.2 蓄電池放電

蓄電池處于放電狀態(tài)時(shí)的系統(tǒng)模態(tài)切換的工作過程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)工作模態(tài)切換仿真

圖5（a）所示，t1時(shí)刻前，蓄電池處于放電狀態(tài)，系統(tǒng)工作在模態(tài)1；t1時(shí)刻，負(fù)荷增大，蓄電池1電流超過最大值，系統(tǒng)進(jìn)入模態(tài)3；t2時(shí)刻，負(fù)荷減小，電池電流小于滯環(huán)比較的下限值，蓄電池1恢復(fù)下垂系數(shù)，系統(tǒng)進(jìn)入模態(tài)1；t3時(shí)刻，負(fù)荷再次增大，蓄電池1電流超過最大值，系統(tǒng)進(jìn)入模態(tài)3；t4時(shí)刻，負(fù)荷減小，蓄電池電流小于滯環(huán)比較器的下限值，下垂系數(shù)恢復(fù)，系統(tǒng)進(jìn)入模態(tài)1。由仿真結(jié)果可知，在蓄電池放電的狀態(tài)下，系統(tǒng)可以在頻繁的轉(zhuǎn)換工作模態(tài)的工況下穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5（b）所示，t1時(shí)刻前，蓄電池放電，系統(tǒng)工作在模態(tài)1；t1時(shí)刻，負(fù)荷增大，蓄電池1放電電流超過最大值，系統(tǒng)進(jìn)入模態(tài)3；t2時(shí)刻，負(fù)荷減小，放電電流小于滯環(huán)比較下限值，下垂系數(shù)恢復(fù)，系統(tǒng)工作在模態(tài)1；t3時(shí)刻，SOCmin＞SOC，系統(tǒng)進(jìn)入模態(tài)5，電池1下垂系數(shù)增加，減小電池放電功率。

圖5（c）所示，t1時(shí)刻前，蓄電池放電，系統(tǒng)工作在模態(tài)1；t1時(shí)刻，負(fù)荷增大，蓄電池1放電電流超過最大值，系統(tǒng)進(jìn)入模態(tài)3，隨著蓄電池的放電，電池的SOC值減?。籺2時(shí)刻蓄電池1滿足SOCmin＞SOC，系統(tǒng)工作在模態(tài)7，蓄電池1的下垂系數(shù)繼續(xù)增大，放電功率減小，缺額的負(fù)載功率由蓄電池2提供。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種將蓄電池的充放電電流和SOC相結(jié)合的能量管理方案。該方案通過對(duì)逆變器端的控制，通過改變逆變器的下垂系數(shù)，在功率分配端將功率進(jìn)行重新分配從而控制蓄電池的充放電。這樣不僅可以將蓄電池的SOC值控制在安全范圍內(nèi)，也可以在因系統(tǒng)負(fù)荷突然地變化，導(dǎo)致蓄電池電流超過允許的最大值時(shí)，將蓄電池的充放電電流控制在安全范圍內(nèi)。各個(gè)單元均采用下垂控制，不依賴通信線，實(shí)現(xiàn)了本地管理，同時(shí)提高了系統(tǒng)的可靠性。