李建林

（中国电力科学研究院，北京 100192）

随着大规模间歇式能源并网，其特有的波动性和随机性对电网的安全稳定运行带来了影响，而储能技术是解决这些问题的有效手段之一。其中，储能系统的充放电特性对其在并网中的配置、不同工况的作用效果有着深远的影响，特别是在实际运行中，储能与负荷之间通过变化器进行能量交换，其控制方式直接影响电池性能和使用寿命。

基于此，本文总结了储能若干控制策略，基于功率型储能电池响应快、寿命长、容量小，能够高频快速充放电，适合补偿短时功率波动和能量型储能电池大容量、响应慢，低频充放电，适合补偿长时功率波动的不同特点。针对某一实例，分别对网侧变流器以及双向DC/DC变流器进行了设计，组成用于风储混合系统的PCS仿真。

1 几种常见控制方法简介

1）滞环控制

滞环控制，也叫作Bang-Bang控制或纹波调节器控制，即将输出电压维持在内部参考电压为中心的滞环宽度内。滞环控制属于闭环电流跟踪控制方法，最初用于控制电压型逆变器的交流电流输出，是最简单的电流控制方式。滞环电流控制的特点是：控制方式简单、动态响应快、具有内在的电流限制能力。电流滞环瞬时比较控制不依赖于变流器系统的数学模型、系统参数，从而也不需要对系统模型进行近似和简化处理。但是，滞环控制的开关频率不固定，使电路工作可靠性下降，输出电压的频谱变差，对系统性能不利。

2）无差拍控制

无差拍控制是一种基于被控制对象精确数学模型的控制方法。控制的基本思想是根据逆变器的状态方程和输出反馈信号（通常是输出滤波电容的电压和电流）推算出下一个开关周期的PWM脉冲宽度。由于采样和计算延时，要做到当拍计算当拍输出必然使输出脉冲的占空比受到限制，这就降低了输入直流电压的利用率。另外，系统的鲁棒性较差。

3）滑模控制

滑模控制是一种非线性控制，这种控制的特点是控制的非连续性，它使系统在一定条件下沿着规定的轨迹作高频率、小振幅的上下运动。由于系统的特性和参数只取决于设计的切换超平面而与外界干扰没有关系，所以滑模变结构控制具有很强的鲁棒性，但也存在控制系统稳态效果不佳、理想滑模切换面难于选取、控制效果受采样率的影响等弱点。

4）重复控制

重复控制是一种基于内模原理的控制方法，其控制思想是假定前一周期出现的输出电压波形畸变将在下一周期的同一时刻再次出现，控制器根据参考信号和输出电压反馈信号的误差来确定所需的校正信号，然后，在下一个基波周期将此校正信号叠加在原控制信号上，这样就可以消除输出电压的周期性畸变。

重复控制器可以消除周期性干扰产生的稳态误差，但是，由于重复控制延时一个工频周期的控制特点，使得单独使用重复控制的变流器动态特性极差，无法满足变流器的指标要求。

5）模糊控制

模糊控制属于智能控制的范畴，其具有很强的鲁棒性和自适应性。逆变器采用模糊控制有利于提高控制的实时性，改善逆变器输出电压波形质量。模糊控制主要依赖模糊规则和模糊变量的隶属度函数。模糊控制类似于传统的PD控制，因而，这种控制有很快的响应速度，但是其静态特性不令人满意。

6）神经网络控制

神经网络控制是模拟人脑神经中枢系统智能活动的一种控制方式。神经网络具有非线性映射能力，并行计算能力和较强的鲁棒性等优点，已广泛地应用于控制领域，尤其是非线性系统领域。但是，由于硬件系统的限制，目前神经网络控制还无法实现对逆变器输出电压波形进行在线控制，多数应用都是采用离线学习获得优化的控制规律，然后利用得到的规律实现在线控制。

2 实例仿真

电网电压为380 V，控制直流母线电压为700 V，系统的容量为100 kW。假设有2种充放电特性的电池储能系统。一种是具有响应快、长寿命、小容量，能够高频快速充放电的功率型储能电池，这种电池适合补偿短时功率波动。另一种是具有大容量、响应慢，低频充放电的能量型储能电池，这种电池适合补偿长时功率波动。通过这两种电池对风电出力进行平滑，达到并网要求。

针对实例，分别对网侧变流器以及双向DC/DC变流器的进行设计，组成用于风储混合系统的PCS系统并进行仿真验证。

2.1 DC/DC环节控制策略

为了对电池进行功率和能量管理，必须对双向DC/DC变流器进行闭环控制，从而实现对电池储能的充放电控制。双向DC/DC变流器采用电感电流内环和瞬时值电压外环控制。电流环采用电感电流内环，在电池储能状态时，电感电流内环的闭环控制实现了对电池充电电流的控制，保护开关管的安全；在电池释能状态时，电感电流内环提高了系统的快速响应性能。电压环采用直流母线电压外环，目的是维持并网变流器的直流母线电压稳定，使并网变流器能够输送恒定功率。

图1 DC/DC变换器控制框图Fig.1 DC/DC converter control block diagram

2.2 DC/AC及滤波器环节

由于DC/AC变流器的控制参数采样来自并网滤波器，因此将两部分合并分析。

图2 单电感变流器控制策略图Fig.2 Single inductance converter control strategy

单电感变流器的控制系统框图，其中dq轴电流的微分和乘积项可以用PI调节器来得到，后面的补偿项可以通过简单的运算加到dq轴电压指令中。

负反馈系统的结构如图3所示。

图3 负反馈系统Fig.3 Negative feedback system

其中R（s）为给定信号，C（s）为输出信号，B（s）为反馈采样信号，E（s）为误差信号，G（s）为被控系统的传递函数。

由此可以求出系统的闭环传递函数：

由此可以求出系统的特征方程：

对于稳定的系统，特征方程F（s）的根都在s平面的左半平面，或是说闭环传递函数的极点都是位于s平面的左半平面。

LCL滤波器是三阶传递函数，LCL滤波的逆变器PI控制器设计复杂，考虑到LCL滤波器和L滤波器低频特性一致，因此可以根据等效的单L滤波的变流器数学模型来设计调节器。图4所示为LCL变流器控制框图。电感值为LT的纯电感并网逆变器的dq坐标系下的数学模型为：

图4 LCL变流器控制框图Fig.4 LCL converter control diagram

考虑用电容电流的引入代替电流补偿传递函数。因此，电流内环控制框图可变为图5：

图5 加入电容电流补偿后的电流内环控制图Fig.5 Current inner loop control diagram after adding capacitance current compensation

3 仿真结果

综合对DC/DC环节、DC/AC环节和滤波器的分析，提出用于风储混合系统的PCS系统。其整体拓扑框图如图6。

仿真所得关键曲线如图7~11所示。

图7所示黑色曲线、绿色曲线分别为平滑前、平滑后输出曲线，红色曲线为多类型电池联合出力曲线；图8~9分别电池高频与低频充放电功率曲线；图10~11高、低频电池SOC曲线。

4 结论

仿真结果表明，实例中的电池储能能够平滑风电输出的波动，达到并网要求。2种不同类型的储能电池，能够优势互补，利于延长储能电池寿命。

图6 PCS系统拓扑结构Fig.6 PCS system topological structure

图7 平滑输出曲线Fig.7 Smooth output curve

图8 电池高频充放电功率曲线Fig.8 Battery high frequency charging and discharging power curves

图9 电池低频充放电功率曲线Fig.9 Battery low frequency charging and discharging power curves

图10 高频电池SOC曲线Fig.10 High frequency battery SOC curve

图11 低频电池SOC曲线Fig.11 Low frequency battery SOC curve

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