基于直流微电网的蓄电池储能控制方法研究*

谢 琪

（四川信息职业技术学院，四川 广元 628040）

由于全球能源危机的加剧，我国提出了“碳达峰”“碳中和”的目标，清洁能源得到了社会各界的广泛重视。在直流微电网系统中，可再生能源电力存在供电波动以及电力用户负载波动等问题。这些电压问题可能导致许多直流设备工作失常，最终影响用电设备的安全运行，甚至关系到人身安全[1]。因此，直流微电网迫切需要能够改善电能质量和提高供电稳定性、安全性的储能装置，通过实时、高效、智能化的能量调控，来保证直流微电网的安全、经济、高效运行，从而满足电力用户高供电品质的需求[2-3]。

蓄电池是一种以电能形式存储的，可以实现化学能和电能相互转换的储能装置[4]。为将蓄电池用于不同电压等级的线路补偿之中，吸收线路多余的能量，补偿线路需求的能量，需要在线路和蓄电池之间加入蓄电池直流斩波器[5]。

蓄电池直流斩波器的电路拓扑结构如图1 所示，其中，U为直流电压源，Rs为电源电阻，π 型电缆包含电缆电阻、电缆电感和电缆电容，R为负载电阻，C1、C2为缓冲电容，S1、S2为功率开关管MOSFET，D1、D2为功率二极管，L为电感，BES 为蓄电池。将直流电源U、电源电阻Rs、π 型电缆、负载电阻R构成的回路统称为负载系统。

图1 蓄电池直流斩波器的电路拓扑结构

通过对功率开关管S1、S2的导通控制，可以将蓄电池直流斩波电路的运行状态分为升压斩波电路和降压斩波电路。当开关管S1截止时，蓄电池BES、电感L、开关管S2、功率二极管D1以及电容C1组成了升压斩波电路（Boost 电路），使蓄电池向负载系统供电。当开关管S2截止时，电感L、开关管S1、功率二极管D2等器件组成了降压斩波电路（Buck 电路），负载系统将向蓄电池充电[6]。

1.1 升压斩波电路

当开关管S1截止，开关管S2导通时，蓄电池BES经过开关管S2向电感L充电，电容C1向负载供电，假设电容C1的值很大，负载端电压维持Uload恒定值。当S2截止时，蓄电池BES 和电感L共同向电容C1和负载端供电。假设开关管S2的导通时间为ton1，截止的时间为toff1，电感L的电流为I1。由能量守恒定理可得蓄电池电压UBES和负载端电压Uload的关系式为：

若将占空比α2表示开关管S2导通时间占整个周期T的比例，即，则可以得到：

由此，当负载系统的电压小于额定值时，蓄电池BES 经过直流升压斩波电路向负载系统放电。通过PI 算法控制开关管S2的占空比，调节直流升压斩波电路的输出电压大小，满足负载电压的需求，维持外界电压的稳定。

1.2 降压斩波电路

假设开关管S1处于导通状态的时间为ton2，此时负载系统向电感L和蓄电池充电。假设开关管S1处于断态的时间为toff2，电感L经续流二极管D2向蓄电池充电，续流二极管为理想二极管。假设电感L的电感值很大，电感电流基本恒定为I2。在一个周期T中，电感吸收的能量和释放的能量相同，将占空比α1表示开关管S1导通时间占整个周期的比例，由能量守恒原则可以得到：

由公式（3）可知，当负载电压高于额定电压时，蓄电池BES 将经过降压斩波电路吸收负载系统多余的能量，并将其转化为化学能存储起来，维持负载系统的稳定运行。通过PI 算法控制降压斩波电路的开关管S1的占空比，可以控制蓄电池吸收电能的大小，动态调节负载系统的电压稳定性[7]。

本研究的蓄电池直流斩波器采用双闭环PI 算法控制，该双闭环PI 算法，将负载电压作为外环控制，将蓄电池电流作为内环控制[8-10]。在外环控制中，将实时的负载电压与负载电压的上下阈值作比较，阈值的取值如下：

其中，Uload_ref为额定负载电压，∆U为负载电压在额定电压上下允许的电压差值。

1）当负载电压Uload大于上限参考值Uload_ref_H时，蓄电池吸收电能，蓄电池直流斩波器调节为升压斩波电路模式。此时，将负载电压Uload与电压上限参考值的差值用作电压外环PI 调节器的输入，而电压外环PI 调节器的输出作为蓄电池电流的参考值。

2）若负载电压小于电压下限参考值Uload_ref_L，蓄电池向外放电，蓄电池直流斩波器调节为降压斩波电路模式。此时将电压下限参考值Uload_ref_L与负载电压的差值用作电压外环PI 调节器的输入，而电压外环PI 调节器的输出作为蓄电池电流的参考值。

3）当负载电压既小于电压上限参考值，又大于电压下限参考值时，蓄电池电流的参考值则为蓄电池稳定时的恒定电流Icc。

蓄电池电流参考值与实时蓄电池电流的差值作为电流内环PI 调节器的输入，电流内环PI 调节器的输出则经过PWM 信号发生器用于控制蓄电池直流斩波器开关管S1、S2的占空比调节。

本研究通过PLECS 仿真软件，搭建出直流微电网模型以及蓄电池模型。在该直流微电网仿真系统中，蓄电池额定电压为200 V，直流微电网的电源电压为480 V，电源电阻为0.5 Ω，负载电阻为2.5 Ω，负载额定电压为400 V。仿真模拟了当直流微电网由于可再生能源出现电压波动的情况下，通过双闭环控制的蓄电池吸收电源电压作用在电力用户上的能量，使负载电压维持稳定运行。

图2 所示为直流微电网系统模拟带电源电压发生电压暂升波动时，负载电压的波形。其中，虚线为未加储能装置时的负载电压波形，实线为引入双闭环PI 控制的蓄电池储能装置后的负载电压波形。在电源电压从额定值480 V 升高到540 V 时，直流微电网的负载电压升高到450 V，当加入蓄电池储能装置后，能够在0.01 s 内将负载电压稳定到额定电压，且最大波动电压不超过401 V，波动范围仅为额定电压的1%。

图2 电源电压升高时的负载电压

图3 所示为直流微电网系统模拟带电源电压发生电压暂降波动时，负载电压的波形。在电源电压从480 V 降低到420 V 时，直流微电网的负载电压为350 V。在加入蓄电池储能仿真模型后，能够在0.1 s内将负载电压稳定到400 V，出现最大的电压差值为16 V，为额定电压的4%，能够满足直流微电网的稳定供电。

图3 电源电压降低时的负载电压

针对直流微电网中普遍存在的电源电压波动问题，本研究分别搭建蓄电池直流斩波器电路的升压斩波电路和降压斩波电路的数学模型进行分析，根据其电路特点，采用电压电流双闭环的PI 控制策略；
通过对负载电压与阈值电压的比较进行PI 控制，最终输出PWM 波形控制蓄电池直流斩波器电路进行充放电；
通过PLECS 仿真软件对直流微电网模型进行仿真验证。结果表明，蓄电池储能装置能够有效解决直流微电网由于可再生能源引起的电源电压波动问题，当电源电压升高到540 V 时，可以在0.01 s 内将负载电压稳定到额定值400 V；
当电源电压降低时，负载电压差值在额定电压的4%以内，保证了直流微电网的稳定性和供电质量。