常豐祺，李永東，2，鄭澤東

（1.清華大學 電機系，北京 100084； 2.新疆大學電 氣學院，新疆 830047）

1 引言

近年來，隨著風能、太陽能等新能源發(fā)電不斷發(fā)展起來，總容量越來越大。但是新能源發(fā)電的不確定性導致其直接并網會對電網造成很大影響。國內外研究表明，若風電裝機容量占總容量的比例超過20%，將嚴重影響電網的調峰能力和安全運行[1]。

為確保高可靠性、高質量供電，儲能裝置聯網應用具有很大發(fā)展前景。儲能模塊可以集成在“發(fā)—輸—配—用”等各個環(huán)節(jié)中，在負荷低谷時作為負荷從電網中吸收多余能量并存儲起來，待電力不足或負荷高峰時再將存儲的能量釋放出來以供使用，為電力系統“削峰填谷”。如此不僅可以提高電力系統的穩(wěn)定性，并且能夠幫助電力系統經濟調度，從而提高能源利用率、降低環(huán)境污染[2-3]。

在大容量的電能儲存介質方面，目前除了電池以外，并沒有更好的選擇，工程實際中，電池也是得到應用最廣泛的儲能介質。因此關于電池儲能技術以及本文中要探討的電池儲能裝置并網 問題，國內外學者都已做出許多研究成果。

拓撲結構方面，Hao Qian在其《High-Efficiency Grid-Tie Battery Energy Storage System》[4]一文中，提出了如圖1的結構。由于蓄電池電壓普遍較低（一般為12～48 V），需要串聯或經過變換才能夠達到所需的電壓等級。

圖1中采用的是直接串聯的方法。但電池串聯時，會遇到電池電壓或者充電狀態(tài)（State of Charge，SOC）均衡問題。若串聯支路的電池中，即使僅有一個提前達到了放電完成或者充電完成狀態(tài)時，也會導致整個支路無法繼續(xù)工作，否則會造成過充電或過放電，其他電池的剩余容量無法發(fā)揮。

因此，直接串聯的電路就需要增加專門的電池管理系統（Battery Manage System，BMS），圖1的裝置就采用了額外的BMS 作為輔助。此外，圖1中的裝置直接將電池串聯后作為直流母線，通過雙向AC-DC 變換器并網，因此輸出的電壓波形只有兩個電平，在變換器中還需要兩個較大的濾波電抗。

圖1 電池直接串聯的并網儲能裝置

并網策略方面，Hao Qian 的文獻采用的有功無功控制策略針對單相系統，且并沒有具體討論這一方法在電網電壓出現畸變、三相不平衡等問題時的對策。王寶誠等人在分布式發(fā)電系統電網同步鎖相技術[5]中提出了運用交叉解耦濾波器和對稱分量法來得到正序分量。圖2顯示的是交叉解耦濾波器的控制框圖，通過不斷的反饋最終將正序和負序的電壓分量解耦，得到αβ0 坐標系下解耦的電壓分量。

圖2 交叉解耦濾波器

需要指出的是，這個濾波器同時能夠濾掉高頻分量，在數字系統中，得到更準確的測量電壓。

圖3是這一方法的具體控制算法框圖，將正序分量引出作為輸出的參考電壓，鎖相環(huán)將A相定向在q軸，利用d軸電壓的返回值調節(jié)角頻率，并返回濾波器做頻率自適應。但這一方法并沒有明確說明如何進行功率控制（這在儲能系統中是至關重要的），而且，直接采用d軸電壓作為PI 調節(jié)器的輸入，在不同電壓等級時，就需要再次調整PI 參數（電壓升高，同樣的角度偏差反饋的d軸電壓也增大）。

圖3 并網控制算法框圖

因此這一方法需要改進才能應用于儲能裝置的并網運行中。

基于以上問題，本文提出了一種基于模塊化多電平級聯拓撲的新型電池儲能裝置——采用一對MOSFET 獨立控制每個電池單元，級聯后，既提高了輸出電壓，又能對每個單元進行獨立控制。儲能單元容量的均衡結合在充放電控制電路中，不僅能夠實現充放電過程中的主動均壓，并且能在放電過程中輸出多電平電壓，降低了dv/dt和諧波電壓，并網運行時可以減小諧波電流，提高功率控制性能。此外還提出了一種基于低通濾波器及濾波補償的并網控制算法，并且改進了鎖相環(huán)。本文對該新型電路拓撲及其并網控制策略進行了研究，并進行了實驗，對其性能進行了驗證。

2 新拓撲的工作原理介紹

2.1 拓撲結構

圖4a 中是一相的拓撲結構，每個單元（即電池單元）由兩個MOSFET 控制，輸出串聯成為直流母線，經過H 橋變?yōu)榻涣麟妷?，構成交流的一相。圖4b 中顯示的3 個相同結構構成三相交流電路。這是本文提出的儲能裝置的整體結構。下面對結構細節(jié)一一解析。

圖4 新型儲能裝置的拓撲結構

對每一個電池，都由一個單獨的控制模塊控制，其精細結構如圖5所示。每一個儲能模塊上連接兩個串聯的MOSFET，并將電池的負極作為輸出的負極，MOSFET 連接中點處作為輸出的正極。將E記為電池電壓，當K1 導通，K2，U0=E關斷時輸出電池電壓；當K1 關斷，K2 導通時，U0=0，此時相當于模塊通過MOSFET K2 被旁路，仍能正常流過電流；當K1 關斷，K2 也關斷時，整個模塊不能通過電流，電路被切斷。

甘薯淀粉/魔芋膠復配凝膠的表觀粘度隨剪切速率的變化情況如圖4所示，通過Herschel-Bulkley方程擬合得到的參數見表4。由表4可知，決定系數R2均大于等于0.94，表明該模型對穩(wěn)態(tài)流變數據具有較高的擬合精度。流體指數n＜1，屈服應力τ0＞0，由曲線的走勢以及方程擬合參數可以判定淀粉/魔芋膠復配凝膠屬于屈服-假塑性流體，具有剪切稀化的性質。由圖可以看出所有樣品均形成滯后環(huán)，這是由于體系結構的破壞與重建速度不同導致的，滯后圈表示了該體系內部結構的松弛特征[15]。

模塊的輸出串聯起來，即構成一相的直流母線，因此，這一結構可以構成多電平的直流母線。若一相的直流母線上有N個模塊，每個電池的額定電壓為，Vbattery則直流母線上可以輸出N+1 個電平，電壓分別為0、Vbattery、2Vbattery…NVbattery。一相能夠輸出的最大電壓峰值就是NVbattery。多電平的直流母線輸出經過H橋變換后，成為多電平的交流電壓。需要指出的是，電壓等級不僅可以通過在H 橋的直流母線上增加電池模塊來完成，也可以將相同的H 橋模塊級聯起來，提高電壓。這個拓撲中，每個電池需要用兩個開關管控制，使用了較多的開關管及其驅動模塊，但是省去了濾波用的電感電容，且具有模塊化特性，擴展方便。

圖5 電池單元工作模式

2.2 調制策略

由于本文所提出的拓撲能夠獨立控制每一個電池單元，因此在不同工作狀態(tài)下選用適當的調制策略，就既能夠有效輸出，同時能夠實現內嵌的電池均衡功能。使用載波層疊PWM 調制方法就能夠實現此目標。首先檢測每個電池的電壓或SOC 并進行比較，因為在載波層疊PWM 調制中，層級靠下的模塊接入電路時間長，而層級靠上的模塊接入電路時間較短，因此充電過程由小到大排序，放電過程由大到小排序。載波層疊與正弦波比較，得出每個模塊的PWM脈寬調制信號。載波層疊PWM 調制見圖6。

此調制方法通過控制各個電池接入電路的時間，就能夠有效的使電池的電量或者表征電量的電壓達到均衡。因此，可以不使用單獨的BMS 模塊就可以發(fā)揮電池的最大容量。

圖6 載波層疊PWM 調制

3 并網控制策略

本文還提出了一種基于濾波補償和鎖相環(huán)的并網控制策略，同時能夠雙閉環(huán)控制有功和無功功率。下面從鎖相環(huán)、濾波及補償、功率控制三方面說明。

3.1 鎖相環(huán)

為了能夠使并網時的沖擊盡量小，同時有功無功易于控制，設計電壓鎖相環(huán)控制框圖如圖7所示。

圖7目標是將A相電壓定向在同步旋轉的dq0坐標系的d軸上。dq0 坐標系和靜止的αβ0 坐標系夾角θ在每個采樣周期Tc中增加Tcω(t)，因此通過CLARK/PARK 變換，可以得到dq軸上的電壓，通過反正切函數，就可以得到電壓矢量在坐標軸上的輻角。

將A相電壓定向在d軸相當于輻角的參考值為0，參考值減去反饋值，通過PI 調節(jié)器即可得到角頻率ω的估計值。若PI 參數合適，穩(wěn)態(tài)時，能夠得到三相電壓的相位。

圖7 鎖相環(huán)控制框圖

需要指出的是，從角頻率到角度并非線性慣性系統（因為角度的周期特性），PI 調節(jié)器能夠發(fā)揮作用主要是因為在PI 上加了較小的限幅，并且可以在PI 調節(jié)器的出口處增加100π 的前饋，這樣就能使坐標系旋轉的初始角速度與穩(wěn)態(tài)角速度相差不大，不至因為反饋角度周期變化過快使坐標系始終無法定向在A相。

同時，因為反饋的是電壓矢量在dq0 坐標系的輻角，因此PI 參數的選取與電壓幅值無關，可以適用于所有三相對稱電壓。經實驗驗證，在三相電壓稍有不對稱時，鎖相環(huán)仍能夠較好的定向，結果如圖8所示。其中藍色鋸齒波形為dq0 坐標系的旋轉角度，藍色正弦波形為電網的A相電壓，波形的最大值和鋸齒波下降沿重合，說明鎖相環(huán)跟蹤良好。波形由儲能裝置內置測量采集，由核心控制器濾波并完成鎖相環(huán)算法，串行通訊發(fā)送至電腦繪圖。

圖8 三相電壓微小不平衡時的鎖相環(huán)跟蹤情況

3.2 濾波與補償

圖9 三相電壓測量波形

本文選用截止頻率為2 倍頻率100 Hz 的低通濾波器來濾波。傳遞函數為

其中ωc=200π。截止頻率較低的好處是，可以獲得較好的正弦波形。且設計為如桌面文獻的帶通濾波器，則需要復數運算，計算較為復雜。但是，截止頻率較低會造成基頻波形的相位和幅值失真。

當輸入頻率為50 Hz 時，放大倍數為：

即50Hz 分量經過濾波器后，幅值縮減為原來的0.894 4，相位落后0.463 6 rad。若以此作為真實電壓，也會造成并網時較大的沖擊電流，因此需要對其進行補償。因為造成了一定的相角落后，鎖相環(huán)跟蹤上濾波后的電壓后，d軸和實際電壓矢量的夾角就是這個落后的角度，因此，將坐標系向正方向（逆時針）旋轉對應角度，并將電壓矢量放大對應的倍數，就能夠得到真實的dq0 坐標系下的電壓。再將這一電壓反變換后，就能得到真實的基頻分量。若以此為參考值輸出電壓，則電流能夠穩(wěn)定在0，只有少量的諧波電壓造成的電流。

3.3 功率控制

電池并網后，需要對其功率進行控制?？刂撇呗钥驁D如圖10所示。

圖10 并網功率雙閉環(huán)控制框圖

在鎖相環(huán)穩(wěn)定跟蹤后（即Uq基本穩(wěn)定在0 之后）根據dq0 坐標系下的功率計算公式，可以根據參考功率計算出dq軸的參考電流，參考值與測量值之差經過PI 調節(jié)器，增加電壓前饋后，就得到dq軸電壓的參考值。經過坐標反變換，即可得到輸出的三相電壓波形。

在這個系統中，儲能裝置輸出電壓到三相電網之間僅有一個電感和部分回路電阻，若將三相電流視為響應，輸出電壓與電網電壓之差視為激勵。則在dq0坐標系下，dq軸傳遞函數相同，均為

因此，若假設穩(wěn)態(tài)時q軸電壓為0，d軸電壓穩(wěn)定為Ud，則dq軸的電流從給定值到實際值的開環(huán)傳遞函數均為

閉環(huán)傳遞函數為

相當于：

根據所需的零極點和電路參數即可算出PI 參數Kp和Ki的大致范圍。

4 實驗結果

根據上述分析，搭建了實驗平臺，完成了蓄電池并網實驗，以拓撲是否能夠正常工作和驗證并網策略是否有效。實驗平臺如圖11電池直接接串聯的并網儲能裝置所示。

圖11 實驗平臺

實驗平臺由三相，每相4 塊鉛酸蓄電池組成，蓄電池額定電壓為12 V，額定容量為4.5 A·H。直流母線設計最大電流為5 A，加裝7 A 速斷保險絲。因此，最大運行容量為

約為0.5 kV·A。因此選用最小規(guī)格的1.5 kV·A 調壓器將電網電壓降至可以和實驗平臺相連的電壓。

選用的濾波電感為1 mH。因調制周期為10 k，假設電池電壓為12 V，最大的電流紋波出現在交流電壓達到此層級的中點時，最大電流紋波為：

選擇更大的電感可以使電流更易控制。

實驗平臺以TI 公司的電機控制專用浮點DSP 芯片TMS320F28335 為控制核心，實驗結果的波形數據使用YOKOGAWA 的DL750 錄波儀記錄。

圖12顯示的是功率指令為0 時的穩(wěn)態(tài)波形，可以看到電流波形穩(wěn)定在了電流探頭的直流偏執(zhí)處，間或會有較小的毛刺，但能被迅速調節(jié)掉。說明電壓跟蹤方法具有相當的精度。

圖13顯示的是功率給定從0 變?yōu)楣β室驍禐?，有功指令為10 W 充電時的狀態(tài)。黃色曲線表示的C相電流波形，電流探頭為100 mV/A，帶有一定直流偏置。紫紅色曲線為C相電網電壓，從電壓曲線和電 流曲線可以看出，功率因數得到了精確控制。而且從電流曲線可以看到，經過不到一個周期后，電流即可達到穩(wěn)態(tài)，這說明多電平的拓撲結構有助于提高控制性能。

圖12 功率指令為0 時的穩(wěn)態(tài)波形

圖13 設定功率因數為1 時的充電動態(tài)響應

在有功穩(wěn)定后，將無功設定為與有功相同，得到電流的動態(tài)響應如圖14說明儲能裝置也能夠有效的響應無功指令。

圖14 設定無功輸入后的動態(tài)響應

5 結論

本文提出了一種基于模塊化多電平級聯的新型儲能拓撲，并探討了這一裝置在并網運行時的控制策略。通過濾波及補償，鎖相環(huán)能夠跟蹤到具有一定諧波的電壓中的正弦基頻分量，通過對dq軸電流的閉環(huán)控制，能夠實現對儲能系統輸入/輸出功率的控制，并且可任意調節(jié)功率因數。

在小容量平臺上進行了并網實驗，實驗結果表明，并網控制算法能夠有效地跟蹤電網電壓，同時快速相應功率指令，輸出對應電壓、電流波形。

最后需要指出的是，由于所有電池都并非一直接在主電路中，會間隔性的被旁路，因此可以采用較大的充電電流同時給12 個電池充電。這樣，相比于用充電器，充電速度將大大提高，可以實現快速充電。這也是文本作者將在未來探索的方向之一。

[1] 孔令怡，廖麗瑩，張海武，等.電池儲能系統在電力系統中的應用[J].電氣開關，2008（05）：61-62.

[2] 田軍，朱永強，陳彩虹.儲能技術在分布式發(fā)電中的應用[J].電氣技術，2010（08）：28-32，42.

[3] 常樂.儲能在能源安全中的作用[J].中外能源，2012（02）：29-35.

[4] Hao Q，Jianhui Z，Jih-Sheng L，et al.A High-efficiency Grid-tie Battery Energy Storage System[J].Power Electronics，IEEE Transactions on，2011，26（3）：886-896.

[5] 王寶誠，傘國成.布式發(fā)電系統電網同步鎖相技術[J].中國電機工程學報，2013（01）：50-55.