摘 要： 通過仿真建模的方式研究電池類儲能單元與電網(wǎng)負荷交互的特性以及儲能單元對實現(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，從電化學角度分析建立等效電路模型，通過對實際3.4 V/3 Ah鋰離子電池充放電曲線的分析計算來確定電池模型參數(shù)，模型仿真曲線與實際充放電曲線擬合程度高。進一步構建儲能單元模型，模擬仿真微電網(wǎng)中負載發(fā)生突變的情況，可以觀察到儲能單元對于微電網(wǎng)能量自平衡的貢獻。
關鍵詞： 鋰電池；雙向DC/DC變換器；微電網(wǎng)；儲能單元；直流母線信號法；分布式電源
隨著計算機技術、電力電子技術及社會經(jīng)濟的發(fā)展，分布式發(fā)電作為解決集中發(fā)電及遠距離輸電的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)所帶來的經(jīng)濟及環(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為大電網(wǎng)與分布式發(fā)電相結合是節(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。綜合利用風力發(fā)電、太陽能發(fā)電、微型燃氣輪機發(fā)電等各種可再生能源發(fā)電的微電網(wǎng)應運而生[1-2]。
儲能設備包括超級電容器、鉛酸蓄電池等，隨著鋰離子電池技術的發(fā)展，鋰電池壽命長、環(huán)境適應性強、環(huán)境污染小等特點使其成為更適合微電網(wǎng)的儲能設備[3-7]。
由儲能設備和DC/DC變換器組成的儲能單元是微電網(wǎng)的重要組成部分，其作用有提供短時供電、用于能量緩沖、改善電能質(zhì)量、優(yōu)化微型電源運行以及提高微電網(wǎng)的經(jīng)濟效益等。參考文獻[8-9]描述了通過DC/DC變換器將直流儲能元件與微電源并接在直流母線側，并通過對其的控制來實現(xiàn)分布式電源及儲能元件與電網(wǎng)的能量變換和控制，但因為給每個分布式電源都配上儲能元件和DC/DC變換器會增加系統(tǒng)的復雜性，因此很難控制。
針對微電網(wǎng)中分布式電源與儲能單元的協(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[10]通過對光伏-蓄電池混合發(fā)電系統(tǒng)進行建模與仿真研究，實現(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[11-12]分析了超級電容器儲能系統(tǒng)對提高風力發(fā)電機組的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性的有效作用并進行了仿真。
基于以上情況，本文使用PSCAD軟件實現(xiàn)了儲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規(guī)格及其放電曲線可以得到電池模型中各個參數(shù)的計算方法，從而確定模型的參數(shù)，證明模型各個參數(shù)具有可辨識性。
電池的觀測方程應當能夠確切地描述SOC、電流、內(nèi)阻等因素的相互關系。在此處，觀測方程就是要描述負載電壓與上述各因素之間的數(shù)學關系，為SOC的精確估計提供觀測支持。式(4)所示的混合電池模型可以更好地描述電池的電特性。
因為考慮到實際情況下，電池的容量不可能降低到0，所以設置0.01作為電池空載充電的起始容量。設置充電電流為廠家提供的18 A，單體電池空載充電仿真結果如圖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。整體仿真曲線與實際電池曲線擬合度高，證明電池充電模型能較好地仿真實際電池的充電情況。
4 儲能設備控制模塊
在微電網(wǎng)系統(tǒng)中儲能元件需要實現(xiàn)能量的雙向流通。當可再生能源輸出能力高于負載要求時，多余的能量要存儲在儲能元件中；當可再生能源輸出能力不滿足負載要求時，儲能元件釋放能量維持負載正常工作。而這些儲能元件都需要能量雙向流動的雙向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，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)運行時，分布式電源、鋰離子電池組與負載之間的能量流動關系。
儲能單元與分布式電源協(xié)調(diào)供電是通過雙向DC/DC變換器來實現(xiàn)的。將電池組充放電給定電流與輸出負載電流的差作為控制量，經(jīng)過PI調(diào)解器形成一個電流調(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形成脈沖信號。當負載大小發(fā)生突變時，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也發(fā)生了改變，從而改變脈沖寬度，達到功率閉環(huán)控制的作用。同時實現(xiàn)當負載需求大于分布式電源供電時，控制電池放電；當負載需求小于分布式電源供電時，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變換器作為儲能單元。將儲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載。直流負載側通過設置一個開關選項用來模擬在系統(tǒng)運作一定時間后，負載大小發(fā)生突變時，儲能單元的工作狀況。
本次算例系統(tǒng)設計在直流負載側并聯(lián)兩個10 Ω電阻，在系統(tǒng)運行2 s后，斷開其中一個電阻與系統(tǒng)的連接。分析可知，電池組初始應處于放電階段，在2 s斷開一個電阻后，負載側電壓不變，電流會發(fā)生突變，通過控制系統(tǒng)的控制會使得電池放電，電壓、電流及充放電狀態(tài)SOC發(fā)生突變來滿足負載的需求（如圖5、圖6所示），最終系統(tǒng)會重新回到平衡狀態(tài)。
本文采用簡化等效模型的思路進行鋰離子電池建模，與廠家提供的數(shù)據(jù)能夠有效擬合。同時觀察可得，在充電仿真實驗中，中低容量段擬合度較好，高容量段擬合度略有偏差；在放電實驗中，中段擬合度好，低能量段和高能量段略有偏差。
同時，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時跟蹤電池管理系統(tǒng)(BMS)的電池電流值。仿真實現(xiàn)了微電網(wǎng)在孤網(wǎng)運行情況下，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，實現(xiàn)了能源高效合理的分配及優(yōu)化管理。
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