袁 泉,曾國(guó)宏,金新民
(1.中國(guó)南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心,廣東廣州 510600;2.國(guó)家能源主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心(北京交通大學(xué)),北京 100044)
在節(jié)能減排和積極推進(jìn)智能電網(wǎng)的大背景下,以風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電為代表的新能源發(fā)電技術(shù)越來越受到國(guó)家的重視,與之相關(guān)的大容量電池儲(chǔ)能技術(shù)也受到廣泛的關(guān)注[1-2]。大容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以應(yīng)用于新能源發(fā)電領(lǐng)域、微電網(wǎng)領(lǐng)域和應(yīng)急電源領(lǐng)域[3]。
電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(PCS:Power Con?version System),可以實(shí)現(xiàn)能量在電池與電網(wǎng)之間的雙向傳輸[4-7]。僅由單個(gè)PWM變流器構(gòu)成的傳統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)無法靈活配置儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量,也無法分組管理電池簇。
本文作者研究了一種在電池側(cè)引入了雙向DC/DC變換器,從而可以靈活配置電池容量的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(PCS)以及相應(yīng)的控制策略。對(duì)多電池組雙向變流系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了分析,特別是對(duì)于各個(gè)部分的控制策略以及相互間的協(xié)調(diào)策略進(jìn)行了重點(diǎn)研究,搭建了Maltab仿真模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)運(yùn)行可靠,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多簇電池進(jìn)行充/放電控制,并且能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。
該能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(PCS)功率采用15個(gè)雙向DC/DC變換器(DC/DC)和1個(gè)雙向PWM并網(wǎng)變流器(DC/AC)并聯(lián)的形式,可以分別和15簇不同的電池組相連。其中將每3個(gè)雙向DC/DC變換器設(shè)計(jì)在1個(gè)DC/DC功率柜體中,構(gòu)成一個(gè)DC/DC模塊。如圖1所示。雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種,該項(xiàng)目的雙向DC/DC變換器選擇非隔離半橋型電路,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。由于采用多個(gè)雙向DC/DC變換器,電池簇之間可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)充放電,從而電池簇之間不會(huì)產(chǎn)生環(huán)流。同時(shí)使得電池工作電壓范圍得以擴(kuò)大。全橋型電壓型電路的雙向PWM變流器采用SVPWM算法,具有直流電壓利用率高,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的特點(diǎn)。
圖1 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)PCS結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Thesystemstructureof PCS
圖2 雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology structureof DC/DC
電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略主要有2個(gè)部分,分別是DC/DC控制策略和DC/AC控制策略,可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)不同的工作模式運(yùn)行,主要有恒流模式和恒壓模式兩種運(yùn)行方式。
雙向DC/DC變換器與電池簇相連接,按指令控制電池側(cè)的充/放電電流。
放電狀態(tài)下,雙向DC/DC變換器處于boost電路模式。在任意占空比D的情況下,電流iL的變化過程如圖3所示。
可以推出:
式中:I0-4為電流;T為開關(guān)時(shí)間;Ton為開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間;D=Ton/T
由式(1)推出:
由式(3)可以看出,穩(wěn)態(tài)時(shí)占空比Dw只與電池側(cè)電壓Vb和中間直流側(cè)Vdc有關(guān);從式(4)可以看出,電流的增量ΔI與占空比的增量ΔD有關(guān);電流變化量可以通過式(5)來調(diào)整占空比的增量ΔD,從而實(shí)現(xiàn)控制電流的目的。
充電模式下,雙向DC/DC變換器處于buck電路模式。分析其電流變化過程,也可以得到與式(5)相同的結(jié)論。
圖3 放電狀態(tài)下電流變化示意圖Fig.3 Current changein dischargestate
恒流模式下雙向DC/DC變流器對(duì)電池組的充電/放電電流保持恒定不變,雙向PWM變流器以±1功率因數(shù)并網(wǎng),處于整流/逆變狀態(tài)。雙向DC/DC變流器主要作用是按照指令電流對(duì)電池組進(jìn)行充電/放電。采用電流閉環(huán)控制,比較電感電流實(shí)際值iL與指令值iL*,產(chǎn)生誤差控制信號(hào)Δi,經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器,然后經(jīng)過上述公式計(jì)算出對(duì)應(yīng)的占空比,從而產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào),使實(shí)際電流跟蹤指令值。
雙向PWM變流器一般采用雙閉環(huán)控制,即采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的控制方法,維持中間直流側(cè)的電壓的恒定。
圖4 雙向DC/DC變換器電流環(huán)控制框圖Fig.4 Current loop control block blocks
穩(wěn)壓模式下,雙向PWM變流器以±1功率因數(shù)并網(wǎng),處于整流/逆變狀態(tài),控制整個(gè)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率;雙向DC/DC變流器,根據(jù)雙向PWM變流器的輸入/輸出功率,對(duì)電池組進(jìn)行充電/放電,維持中間直流側(cè)的電壓的恒定,但是充/放電流不再保持恒定不變。
與恒流模式下相比,PWM變流器只有電流內(nèi)環(huán)??刂瓶驁D如圖5所示。
圖5 雙向PWM變流器單環(huán)控制框圖Fig.5 Singleloop control block
雙向DC/DC變換器主要采用雙閉環(huán)控制,在恒流模式基礎(chǔ)上增加一個(gè)電壓外環(huán)。其策略為,先比較中間直流側(cè)電壓Vdc和指令電壓值Vdc*,從而得到指令電流iL*,再比較電感電流實(shí)際值與指令值,從而產(chǎn)生誤差控制信號(hào)Δi??刂瓶驁D如圖6所示。
圖6 雙向DC/DC變換器雙閉環(huán)控制框圖Fig.6 Doubleclosed loop control of DC/DC
圖7 電池儲(chǔ)能雙向PCS仿真模型Fig.7 Thesystemsimulation diagram
為了驗(yàn)證上述的控制策略,利用Matlab搭建了100 kW電池儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向PCS的仿真模型,如圖7所示。其中包括5路DC/DC雙向變換器,1個(gè)雙向PWM整流器。電池組電壓Vbat=650 V,中間直流電壓Vdc=850 V,電網(wǎng)線電壓Vg=380 V,DC/DC開關(guān)頻率10 kHz,PWM整流器開關(guān)頻率3 kHz。
恒流模式下,PCS以100 kW功率向電網(wǎng)放電,PWM整流器處于逆變狀態(tài),單組DC/DC雙向變流器功率20 kW,電池組電壓650 V,放電電流指令值31 A。仿真波形如圖8所示。其中,電網(wǎng)側(cè)電流以流出電網(wǎng)為參考正方向。從波形可以看出,放電電流Ib很好地跟蹤了放電電流指令,保持在31 A附近,中間直流電壓穩(wěn)定在850 V。電網(wǎng)側(cè)A相功率因數(shù)接近-1。
同理,令PCS以100 kW功率向電池充電,充電狀態(tài)的仿真波形如圖9所示。從波形可以看出,充電電流Ib很好地跟蹤了放電電流指令,保持在31 A附近,中間直流電壓穩(wěn)定在850 V。電網(wǎng)側(cè)A相功率因數(shù)接近1。
穩(wěn)壓模式下,PCS以100 kW功率向電網(wǎng)放電,PWM整流器處于逆變狀態(tài),單組DC/DC雙向變流器功率20 kW,中間直流電壓給定值850 V,此時(shí)放電電流大約31 A。仿真波形如圖10所示。從仿真波形可以的看出,電網(wǎng)側(cè)A相功率因數(shù)接近-1,中間直流電壓穩(wěn)定在850 V左右。放電電流Ib很好的維持在30 A附近。PCS處于充電狀態(tài)時(shí),仿真波形與此類似。
研制了一臺(tái)電池儲(chǔ)能雙向變流系統(tǒng)樣機(jī),容量為100 kW,包括1個(gè)與電網(wǎng)相連的雙向PWM變流器,5個(gè)DC/DC模塊,一共15路DC/DC變換器分別與電池簇相連。采用單體額定3.2 V的磷酸亞鐵鋰電池,中間直流側(cè)的電壓為Vdc=850 V,電網(wǎng)側(cè)線電壓有效值Vg=380 V;DC/DC變換器開關(guān)頻率為10 kHz,PWM變流器開關(guān)頻率為3 kHz。
圖8 恒流模式放電波形Fig.8 Dischargewaveform
圖10 穩(wěn)壓模式放電波形Fig.10 Dischargewaveform
電池簇放電波形如圖11所示,指令電流為15A,以流出電池方向?yàn)檎齾⒖挤较?。從圖11以看出放電電流為15A,電流紋波很小,較好地跟蹤了指令電流。
并網(wǎng)波形如圖12所示,其中電流以流向電網(wǎng)為正方向。圖12(a)為電池放電時(shí)的波形,可以看出直流電壓穩(wěn)定在850 V,電流和電壓兩者的相位相同,功率因數(shù)接近+1。圖12(b)為電池充電時(shí)的波形,可以看出直流電壓穩(wěn)定在850 V,電流和電壓兩者的相位相反,功率因數(shù)接近-1。
圖9 恒流模式充電波形Fig.9 Chargewaveform
圖11 恒流放電實(shí)驗(yàn)波形Fig.11 Dischargeexperimental waveform
圖12 并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)波形Fig.12 Waveformof grid-connectingexperiments
對(duì)于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了分析,研究了一種由多個(gè)DC/DC模塊和DC/AC模塊構(gòu)成的多電池組雙向變流系統(tǒng)的相互協(xié)調(diào)控制策略。搭建了Maltab仿真模型,提出了恒流控制和穩(wěn)壓控制兩種控制方法,仿真驗(yàn)證了控制策略的有效性。搭建了的試驗(yàn)樣機(jī)表明,該控制方法能對(duì)多簇電池進(jìn)行充/放電控制,其功率因數(shù)很高,運(yùn)行可靠,為其他多電池組雙向變流的設(shè)計(jì)提供了一種可行的參考方案。