摘 要： 通過仿真建模的方式研究電池類儲(chǔ)能單元與電網(wǎng)負(fù)荷交互的特性以及儲(chǔ)能單元對實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)電量自平衡的重要作用。根據(jù)鋰離子電池特性，從電化學(xué)角度分析建立等效電路模型，通過對實(shí)際3.4 V/3 Ah鋰離子電池充放電曲線的分析計(jì)算來確定電池模型參數(shù)，模型仿真曲線與實(shí)際充放電曲線擬合程度高。進(jìn)一步構(gòu)建儲(chǔ)能單元模型，模擬仿真微電網(wǎng)中負(fù)載發(fā)生突變的情況，可以觀察到儲(chǔ)能單元對于微電網(wǎng)能量自平衡的貢獻(xiàn)。
關(guān)鍵詞： 鋰電池；雙向DC/DC變換器；微電網(wǎng)；儲(chǔ)能單元；直流母線信號法；分布式電源
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，分布式發(fā)電作為解決集中發(fā)電及遠(yuǎn)距離輸電的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)所帶來的經(jīng)濟(jì)及環(huán)境等問題的方法之一，越來越受到重視，其在電力能源中所占比例也越來越大。世界上很多能源電力專家認(rèn)為大電網(wǎng)與分布式發(fā)電相結(jié)合是節(jié)省投資、降低能耗、提高系統(tǒng)安全性和靈活性的主要方法，是電力工業(yè)的發(fā)展方向。綜合利用風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電等各種可再生能源發(fā)電的微電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生[1-2]。
儲(chǔ)能設(shè)備包括超級電容器、鉛酸蓄電池等，隨著鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展，鋰電池壽命長、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、環(huán)境污染小等特點(diǎn)使其成為更適合微電網(wǎng)的儲(chǔ)能設(shè)備[3-7]。
由儲(chǔ)能設(shè)備和DC/DC變換器組成的儲(chǔ)能單元是微電網(wǎng)的重要組成部分，其作用有提供短時(shí)供電、用于能量緩沖、改善電能質(zhì)量、優(yōu)化微型電源運(yùn)行以及提高微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益等。參考文獻(xiàn)[8-9]描述了通過DC/DC變換器將直流儲(chǔ)能元件與微電源并接在直流母線側(cè)，并通過對其的控制來實(shí)現(xiàn)分布式電源及儲(chǔ)能元件與電網(wǎng)的能量變換和控制，但因?yàn)榻o每個(gè)分布式電源都配上儲(chǔ)能元件和DC/DC變換器會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，因此很難控制。
針對微電網(wǎng)中分布式電源與儲(chǔ)能單元的協(xié)調(diào)控制問題及合理分配功率的問題，不少專家都有了一些研究成果[10-12]。參考文獻(xiàn)[10]通過對光伏-蓄電池混合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真研究，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電能質(zhì)量的提高以及平滑的功率輸出，但其選擇的Shephred模型并不能很好地仿真蓄電池的充放電特性。參考文獻(xiàn)[11-12]分析了超級電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)對提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性的有效作用并進(jìn)行了仿真。
基于以上情況，本文使用PSCAD軟件實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能單元的仿真及控制，提出了基于Shepherd模型、Unnewehr通用模型及Nernst模型的混合模型來仿真鋰離子電池的充放電工作。通過仿真模擬了儲(chǔ)能單元在微電網(wǎng)系統(tǒng)中的工作情況。
通過鋰離子電池的技術(shù)規(guī)格及其放電曲線可以得到電池模型中各個(gè)參數(shù)的計(jì)算方法，從而確定模型的參數(shù)，證明模型各個(gè)參數(shù)具有可辨識性。
電池的觀測方程應(yīng)當(dāng)能夠確切地描述SOC、電流、內(nèi)阻等因素的相互關(guān)系。在此處，觀測方程就是要描述負(fù)載電壓與上述各因素之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，為SOC的精確估計(jì)提供觀測支持。式(4)所示的混合電池模型可以更好地描述電池的電特性。
因?yàn)榭紤]到實(shí)際情況下，電池的容量不可能降低到0，所以設(shè)置0.01作為電池空載充電的起始容量。設(shè)置充電電流為廠家提供的18 A，單體電池空載充電仿真結(jié)果如圖3所示。
由圖3可知，在電池中低容量段（容量<100 Ah），仿真模型的充電曲線與實(shí)際電池充電曲線擬合度好，在高容量段（容量>140 Ah）存在一定偏差。整體仿真曲線與實(shí)際電池曲線擬合度高，證明電池充電模型能較好地仿真實(shí)際電池的充電情況。
4 儲(chǔ)能設(shè)備控制模塊
在微電網(wǎng)系統(tǒng)中儲(chǔ)能元件需要實(shí)現(xiàn)能量的雙向流通。當(dāng)可再生能源輸出能力高于負(fù)載要求時(shí)，多余的能量要存儲(chǔ)在儲(chǔ)能元件中；當(dāng)可再生能源輸出能力不滿足負(fù)載要求時(shí)，儲(chǔ)能元件釋放能量維持負(fù)載正常工作。而這些儲(chǔ)能元件都需要能量雙向流動(dòng)的雙向DC/DC變換器來控制。
根據(jù)鋰離子電池能量管理的控制目標(biāo)，采用PI環(huán)節(jié)作為雙向DC/DC變換器的閉環(huán)控制策略，可以有效實(shí)現(xiàn)鋰離子電池組的控制。圖4體現(xiàn)了微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，分布式電源、鋰離子電池組與負(fù)載之間的能量流動(dòng)關(guān)系。
儲(chǔ)能單元與分布式電源協(xié)調(diào)供電是通過雙向DC/DC變換器來實(shí)現(xiàn)的。將電池組充放電給定電流與輸出負(fù)載電流的差作為控制量，經(jīng)過PI調(diào)解器形成一個(gè)電流調(diào)制信號。再利用電流調(diào)制信號與固定頻率的鋸齒波信號的交點(diǎn)形成脈沖信號。當(dāng)負(fù)載大小發(fā)生突變時(shí)，PI調(diào)節(jié)器的輸出也隨之發(fā)生變化。于是調(diào)制信號與鋸齒波的交點(diǎn)也發(fā)生了改變，從而改變脈沖寬度，達(dá)到功率閉環(huán)控制的作用。同時(shí)實(shí)現(xiàn)當(dāng)負(fù)載需求大于分布式電源供電時(shí)，控制電池放電；當(dāng)負(fù)載需求小于分布式電源供電時(shí)，控制電池充電的協(xié)調(diào)供電方式。
5 系統(tǒng)仿真算例
用等效電壓源來模擬光伏電池及其他直流輸出型的分布式電源；將電池組模型及雙向DC/DC變換器作為儲(chǔ)能單元。將儲(chǔ)能單元和分布式電源并聯(lián)在直流母線處，直流母線連接直流負(fù)載。直流負(fù)載側(cè)通過設(shè)置一個(gè)開關(guān)選項(xiàng)用來模擬在系統(tǒng)運(yùn)作一定時(shí)間后，負(fù)載大小發(fā)生突變時(shí)，儲(chǔ)能單元的工作狀況。
本次算例系統(tǒng)設(shè)計(jì)在直流負(fù)載側(cè)并聯(lián)兩個(gè)10 Ω電阻，在系統(tǒng)運(yùn)行2 s后，斷開其中一個(gè)電阻與系統(tǒng)的連接。分析可知，電池組初始應(yīng)處于放電階段，在2 s斷開一個(gè)電阻后，負(fù)載側(cè)電壓不變，電流會(huì)發(fā)生突變，通過控制系統(tǒng)的控制會(huì)使得電池放電，電壓、電流及充放電狀態(tài)SOC發(fā)生突變來滿足負(fù)載的需求（如圖5、圖6所示），最終系統(tǒng)會(huì)重新回到平衡狀態(tài)。
本文采用簡化等效模型的思路進(jìn)行鋰離子電池建模，與廠家提供的數(shù)據(jù)能夠有效擬合。同時(shí)觀察可得，在充電仿真實(shí)驗(yàn)中，中低容量段擬合度較好，高容量段擬合度略有偏差；在放電實(shí)驗(yàn)中，中段擬合度好，低能量段和高能量段略有偏差。
同時(shí)，雙向DC/DC變換器采用直流電壓作為電池充放電控制判定參數(shù)，采用PI控制使電池充放電電流實(shí)時(shí)跟蹤電池管理系統(tǒng)(BMS)的電池電流值。仿真實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)在孤網(wǎng)運(yùn)行情況下，光伏電池等直流輸出型分布式電源與鋰離子電池配合對負(fù)載提供能量的情況。微電網(wǎng)系統(tǒng)采用直流母線信號控制的方法，實(shí)現(xiàn)了能源高效合理的分配及優(yōu)化管理。
參考文獻(xiàn)
[1] 張建華，黃偉.微電網(wǎng)運(yùn)行控制與保護(hù)技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2010.
[2] LASSETER R H.Microgrids[C].Proceedings of 2002 IEEE PES Winter Meeting，New York，2002：305-308.
[3] 侯幽明，陳其工，江明.磷酸鐵鋰電池模型參數(shù)辨識與SOC估算[J].安徽工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，26(2)：55-58.
[4] 汪涵，鄭燕萍，蔣元廣，等.實(shí)用型磷酸鐵鋰電池SOC高準(zhǔn)度算法研究[J].電源技術(shù)研究與設(shè)計(jì)，2011，35(10)：1198-1207.
[5] 周蘇，胡哲，陳鳳祥，等.基于析氣現(xiàn)象的鋰電池系統(tǒng)建模[J].電源技術(shù)研究與設(shè)計(jì)，2010，34(2)：134-138.
[6] 仝猛，邵靜玥，盧蘭光，等.基于二階段放電試驗(yàn)的磷酸鐵鋰電池的Peukert模型[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，50(2)：295-298.
[7] OLIVIER T，LOUIS A.Dessaint，Abdel-Illah Dekkiche[C]. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference，2007：284-289.
[8] NIKKHAJOEI H，LASSETER R H.Distributed generation interface to the CERTS microgrid[J].IEEE Trans on Power Delivery，2009，24(3)：1598-1608.
[9] 金一丁，宋強(qiáng)，劉文華．電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的非線性控制器[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33(7)：75-80.
[10] 董旭柱，雷金勇，饒宏，等.含蓄電池儲(chǔ)能的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真[A].第十三屆中國科協(xié)年會(huì)第15分會(huì)場-大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用研討會(huì)論文集[C].天津：2011.
[11] 紀(jì)明偉，陳杰，欒慶磊.基于電流分解的微網(wǎng)功率控制策略研究[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，17(5)：110-113.
[12] 王立喬，孫孝峰.分布式發(fā)電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.