林友，范元亮，吴文宣，蔡金锭

(1.福州大学电气工程与自动化学院，福建 闽侯 350108；2.福建省电力有限公司电力科学研究院，福建 福州 350007；3.福建省电力有限公司,福建 福州 350003)



移动式储能装置充放电控制策略

林友1，2，范元亮2，吴文宣3，蔡金锭1

(1.福州大学电气工程与自动化学院，福建 闽侯 350108；2.福建省电力有限公司电力科学研究院，福建 福州 350007；3.福建省电力有限公司,福建 福州 350003)

移动式储能装置可用于电力系统移动应急供电，具有良好的适应性、经济性及环保性；可调节变压器的输出功率，稳定节点电压水平以及削峰填谷，主要介绍了移动式储能装置的充放电控制策略，包括电池组的能量均衡控制和PCS双向变流器的控制。

移动；储能；充放电；均衡；PCS

1 引言

移动式储能装置既可以作为电源，又可以作为负荷。根据用户在不同时段用电需求及用电特征，移动式储能装置可以在用电低谷时期充电，并在日间根据用户负荷的实时需求进行放电，作为供电电源增大就地的供电能力，同时，利用储能装置具有移动灵活、就地安装方便的特点，在不同空间和时间内对储能设备调配，达到资源整合和充分利用的目的。因此，移动式储能装置的引入，对于改善用电负载率极低的负荷地区的供电，以及提高特殊时段内特别负荷的供电质量，具有极大的意义。然而储能电池组各单体电池一致性存在差异，为提高其效率和寿命，必须对其进行均衡控制研究。而双向变流器起着控制装置充放电的作用，其控制方式也是现在储能装置中所重点研究的。

2 移动式储能装置

本装置为磷酸铁锂(LFP)电池在电力行业的储能应用进行专门设计，具备良好的可靠性、安全性。应用于电力系统移动应急供电，具有良好的适应性、经济性及环保性；可调节变压器的输出功率，稳定节点电压水平，避免高峰负荷时段的变压器过载，并且在电网失电情况下，可由移动式储能装置带用户负荷离网运行。

整个系统由4台125kWh电池柜、1台17英寸触摸监控屏、1台125kW变流器和1台总控柜组成。电池储能系统包括电池组、电池管理系统和辅助设备。其中，电池组是储能系统的核心，通过串、并联的方式把电池联接起来成为一个能量单元，若干个能量单元再进行组合，并加入电池管理系统整合起来以满足储能系统要求的工作电压、输出功率、容量、运行周期等要求。储能系统的运行周期取决于电池组的使用寿命，电池组使用寿命越长则更换电池组的频率就越小，储能系统运行时间就越长。当前的主要问题是电池成组后使用寿命相对于单体电池的寿命大幅缩短。造成这种情况的原因在于电池组中各单体电池之间存在差异，以及连续充放电循环导致单体电池间的不一致性累积放大，致使电池组中个别单体电池容量加速衰减，从而使整个电池组过早失效。

为了提高电池组使用寿命，不仅要求单体电池初始性能指标要高度一致，而且要研究电池成组后因单体、使用条件、环境温度等造成的一致性差异的有效控制策略。

3 电池组均衡控制策略

电池成组之后其循环使用寿命低于其最低电池单体使用寿命。在电池组出厂时，每个电池的SOC基本处于平衡的状态，如图1所示。

图1 电池出厂时的SOC状态

其原因在于电池间的一致性差异造成的电池组中每个电池间的SOC差异和容量差异都约来越大，形成了严重的短板效应，导致电池组可用容量下降，如图2所示。

图2 电池经过长期使用后的SOC状态

电池SOC的不均衡度主要有两个指标：

ΔSOC=max|SOCi-SOCj|≤ε2

其中ε1为正的给定值，其决定了对控制精度的要求，ε1也为正的给定值，它决定了最大压差的允许值。

蓄电池组中单体电池的均衡目的是为了维持各单体电池的剩余量保持在同水平上，因此从理论上说电池剩余电量应为电池的均衡目标。目前SOC估计算法主要有库伦法、电压法、神经元网络法、卡尔曼滤波法等，这些算法各有优缺点，但是总体上看，这些算法的测算结果存在较大误差无法以此作为均衡目标。电池电压是反映电池状态的重要参数，在电池的充电、放电过程中均以电压为控制目标。虽然电池电压的高低并不等同于电池的电量，但是以电压为均衡目标具有如下优点：

(1)电压是电池充放电上下限的衡量标准，保持单体电池之间的电压一致能够防止单体电池出现过充和过放的现象；

(2)电压检测技术比SOC的测量精度要高很多；

(3)成组时可以选择一致性好的电池，这样电池之间容量差异较小，此时电池电压基本反映电池电量。

因此，现阶段采用单体电池电压为均衡目标能够更好的达到均衡目的，延长电池寿命。

现阶段主要的均衡控制方法可分为能量耗散型和能量非耗散型两种，耗散型均衡主要是通过对电压最高的单体电池进行分流来实现的，这种电路结构简单，但是存在能量浪费和热管理问题，而非耗散型均衡电路的耗能比能量耗散型的要小，其电路结构相对复杂，可分为能量转换式均衡和能量转移式均衡，相比两种均衡方式，研究双向、快速、高效的非耗散型均衡方案才是我们要走的路线。

3.1 双向快速均衡控制

为达到以上的要求，采用一种双向快速的均衡电路，其电路原理图如图3所示。

图3 均衡电路原理图

由以上电路图可看出，该电池组由n个单体电池串联而成，在每个单体电池之间都设有一个均衡电路，整个电池组一共含有n-1个均衡电路来达到均衡各个单体电池之间的能量的目的。

相邻两个单体电池之间的均衡方式如图4所示。

根据相邻单体电池电压的大小有两种情况的均衡方式：

图4 均衡方式

(1)当U1>U2时，如图4(a)，开关管VT12被触发导通，能量存储在电感L1中，当VT12断开时，由于电感电流不会发生突变，保持续流，这时由E2、L1、以及VT21的反并联二极管组成的回路导通，将L1中所存储的能量转储到E2中，实现相邻单体电池E1和E2的能量均衡。开关管是否有触发则取决于相邻单体电池电压的大小，电压较大的单体电池所对应回路的开关管就被触发导通，较小的那个则不导通。

(2)当U1

以上两种均衡都是相邻单体电池之间高能单体向低能单体的能量转移方式，每个高能单体可同时向相邻的两个低能单体进行能量转移，含n个单体电池的电池组具有n-1个均衡电路，这些电路可多个(小于等于n-1个)同时进行均衡，实现双向快速的能量均衡，电池组在充放电过程的能量均衡过程如图5和图6所示。

图5 充电过程中的能量转移

4 双向变流器控制

移动式储能装置在运行过程中，需要双向变流器(PCS)来控制储能装置的充放电，从而控制电能的输入和输出，PCS就是电网和储能装置之间的纽带，其主要作用是向储能装置发出充放电信号，使其在正确的时间进行充电或放电，从而实现削峰填谷、调峰调频的目的。

图6 放电过程中的能量转移

双向变流器一般分为单级式和双级式，其中单级式变流器系统结构简单，效率高，系体积小，重量轻，成本较便宜。但其受单体电池容量的限制，在大容量电池接入时需进行较多的并联。双极式变流器能够接入多个电池单元，各个DC/DC分别控制，避免了电池并联带来的环流问题，但其控制较为复杂，使用效率较低，成本较高。两种控制方式各有其特点，基于移动式储能装置对效率要求高，本文采用单级式控制模式。其电路如图7所示。

图7 双向变流器电路图

在图中三相桥式交流/直流变流器电路中，交流电源三相电压vSa(t)、vSb(t)、vSc(t)经电感L接到三相全控桥式变流器。T1～T6为6个有反并联二极管的自关断器件。输出端接大电容C及储能装置，直流侧电压为平稳的直流V0,三相桥式变流器交流输入端交流相电压为via(t)、vib(t)、vic(t)，电流为ia、ib、ic。交流电源电压为：

式中Vs为交流电源相电压有效值。

则理想的AC/DC变换应该是：

理想的三相桥变流器交流侧相电压应是：

图8 矢量图

电压、电流矢量关系为：

Vid=Vicosδ=OF=OH-FH=VS-XIq

Viq=Visinδ=FE=XId

无功电流：

Iq=(VS-Vid)/X(VS-Vicosδ)/X=Issinφ

有功功率

因此：

再利用有功和无功电流的公式得到从交流电网输入到变流器的有功功率P和无功功率Q：

P=3VsId=3VsIscosφ=3VsViq/X=3VsVisinδ/X

对图7中的6个开关器件进行高频SPWM控制，可以调控三相桥交流侧的电压Vi的大小和相位δ，从而对输入到双向变流器的有功、无功功率和电流的大小和方向进行控制。

当电压Vi数值较大，而使得Vicosδ>Vs时，则Iq为负，Q为负，即交流电源向AC/DC变流器输入感性(滞后)无功电流、无功功率。当电压Vi较小，Vicosδ

图7中，在一定的负载阻抗下，输出直流电压V0的大小取决于交流电源输入的有功功率P与负载消耗的功率P0之间的平衡关系，增大P，V0升高，反之V0降低，在一定的负载稳定工作情况下，保持P恒定，V0随之恒定不变，调节P也就调节控制了输出电压V0。

图9示出了充电控制系统原理框图。

图9 充电控制系统原理框图

根据锂离子电池充放电特性，如图10所示，当双向变流器控制储能电池充电时，先采用恒流充电(0.3C)，如图10(a)所示，电池端电压在初始时刻上升较快，随着充电过程的不断进行，电池端电压趋于平稳，随后以恒压方式继续充电，随着充电的进行，其充电电流逐渐减小，当减小到一定值后，充电停止。当双向变流器控制储能电池放电时，其采用的是恒流放电，在恒流放电情况下，其工作电压变化有3个阶段，在放电初始阶段，其电池工作电压下降迅速，而后进入线性下降区，在放电接近终止时，电池工作电压又开始下降，当电压低于一定值时，放电终止。

图10 锂离子电池充放电特性图

5 结论

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The Charge and Discharge Control Strategy of a Movable Energy Storage Device

LINYou1,2,FANYuan-liang2,WUWen-xuan3,CAIJin-ding1

(1.Electrical Engineering and Automation College of Fuzhou University,Minhou 350108,China;2.Power Science Research Institute of Fujian Electric Power Co.,Ltd.,Fuzhou 350007,China;3.Fujian Electric Power Co.,Ltd.,Fuzhou 350003,China)

Movable energy storage device can be used to power system for emergency power supply.It has good adaptability,economy and environmental protection.It can adjust the output power of the transformer,and stable node voltage level,as well as load shifting.This article mainly describes charge and discharge control strategy of movable energy storage device,including the energy balance control of battery pack and PCS bi-directional converter control.

movable;energy storage;charge and discharge;balance;PCS

1004-289X(2015)04-0069-05

TM921

B

2014-06-29