中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：儲(chǔ)能系統(tǒng)是調(diào)節(jié)分布式電源性能和保障負(fù)荷供電質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，其中儲(chǔ)能變流器的恒流控制有利于確保儲(chǔ)能電池組的安全以及延長其使用壽命。傳統(tǒng)的線性PI控制難以適應(yīng)蓄電池系統(tǒng)的非線性和動(dòng)態(tài)變化特性以及保持原本的性能指標(biāo)。
本文采用模糊控制算法，根據(jù)反饋的誤差及誤差變化率自適應(yīng)改變控制量。實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的基于模糊算法的恒流控制可以提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。
當(dāng)前，綜合利用各種分布式能源的微電網(wǎng)得到了廣泛的關(guān)注[1]。在微電網(wǎng)中，風(fēng)電、光伏等分布式電源由于自身的間歇性、波動(dòng)性以及負(fù)載的隨機(jī)性，嚴(yán)重影響微電網(wǎng)的電能質(zhì)量和系統(tǒng)的安全性。作為一個(gè)可控單元，儲(chǔ)能系統(tǒng)BESS（battery energy storage system）可使可再生能源并網(wǎng)發(fā)電更加穩(wěn)定，有利于保障實(shí)現(xiàn)“儲(chǔ)能一電網(wǎng)”之間的能量互動(dòng)。
除此之外，BESS還可以應(yīng)對(duì)電網(wǎng)失電等突發(fā)事件，配合調(diào)度系統(tǒng)，起到“削峰填谷”的作用。因此，研究優(yōu)化儲(chǔ)能變流器的控制技術(shù)，對(duì)于提升儲(chǔ)能變流器性能和改善微電網(wǎng)運(yùn)行可控性具有重要意義。
儲(chǔ)能變流器的有效控制是微電網(wǎng)能夠達(dá)到安全、高效、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的必要保證。目前對(duì)于儲(chǔ)能雙向變流器的研究主要集中在主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究、變流器的建模與分析、系統(tǒng)控制策略研究這三個(gè)方面[3,5]。
儲(chǔ)能雙向變流器的控制主要包括恒流控制、恒壓控制、恒功率控制和恒壓恒頻控制。常規(guī)的變流器并網(wǎng)控制系統(tǒng)一般采用雙閉環(huán)控制，包括電流內(nèi)環(huán)和外環(huán)控制[2,5,7-9]。相比于一般變流器，對(duì)于儲(chǔ)能變流器的控制研究往往側(cè)重于外環(huán)控制的改進(jìn)。
為了實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的長生命周期、最大輸出和最優(yōu)效率，蓄電池需要按照生產(chǎn)廠家的建議進(jìn)行充電或放電控制。其實(shí)現(xiàn)方式通常采用易于實(shí)現(xiàn)的雙閉環(huán)PI控制[11]。
在傳統(tǒng)的PI控制下，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性，但是由于其未考慮非線性時(shí)變的儲(chǔ)能電池模型，使得線性PI 控制難以適應(yīng)電池系統(tǒng)和指令的變化以及保持原本設(shè)計(jì)時(shí)的性能指標(biāo)[14,15]。
文獻(xiàn)[2]提出了基于PI控制器的儲(chǔ)能系統(tǒng)直流側(cè)電壓控制，雖穩(wěn)態(tài)時(shí)直流電壓波動(dòng)較小，但出現(xiàn)了超調(diào)現(xiàn)象，有較大沖擊；文獻(xiàn)[3]提出采用雙環(huán)PI控制策略實(shí)現(xiàn)電池充放電，但并網(wǎng)電流電能質(zhì)量較差。
基于現(xiàn)有研究，針對(duì)BESS所具有的非線性特性，采用一種模糊控制策略實(shí)現(xiàn)BESS的恒流控制。該策略不依賴于系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，能夠有效提高BESS的控制性能。
本文定性分析了傳統(tǒng)控制下儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)和控制指令變化對(duì)控制效果的影響，以此原則來建立模糊控制規(guī)則，并在14kWh儲(chǔ)能系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，相對(duì)于傳統(tǒng)控制策略，模糊控制具有更好的動(dòng)態(tài)性能，可以縮短控制量的調(diào)節(jié)時(shí)間。
1 儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型（略）
儲(chǔ)能系統(tǒng)主要的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括雙向變流器及簡化的蓄電池模型。
圖1 儲(chǔ)能系統(tǒng)的主電路
對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)的主電路的分析基于以下假設(shè)[5]：1) 配電網(wǎng)的電動(dòng)勢采用三相平衡的純正弦波電動(dòng)勢；2) 交流側(cè)的濾波電感L為線性電感，并忽略其飽和的情況;3) 電阻Rs表示的是變流器中的功率開關(guān)損耗，即將理想開關(guān)和損耗電阻串聯(lián)來等效實(shí)際的功率開關(guān)管;4) 蓄電池等效電路由內(nèi)阻R和受控電壓源E構(gòu)成。
2 基于傳統(tǒng)PI外環(huán)恒流控制分析（略）
由于PI 控制簡單易行，因此常在儲(chǔ)能蓄電池的外環(huán)控制中應(yīng)用。但在設(shè)計(jì)PI 控制時(shí)，并沒有考慮蓄電池模型的非線性時(shí)變特性，所以線性PI 控制無法適應(yīng)蓄電池系統(tǒng)的非線性特性、動(dòng)態(tài)變化特性以及保持原本的性能指標(biāo)。下文分別針對(duì)參考指令因素和電池狀態(tài)因素進(jìn)行仿真，以研究分析這些因素對(duì)響應(yīng)速度的影響。
3 基于模糊外環(huán)恒流控制器設(shè)計(jì)（略）
為顯著提高系統(tǒng)的響應(yīng)能力，本文將模糊算法引入外環(huán)控制以適應(yīng)系統(tǒng)和指令的變化。根據(jù)反饋的誤差及誤差變化率自適應(yīng)改變控制量，從而得到較快的響應(yīng)速度。如圖8所示，模糊控制器主要由模糊化、模糊推理和清晰化這三個(gè)部分組成。
模糊化指的是模糊處理輸入量的過程，主要通過輸入隸屬函數(shù)將輸入量映射到論域的一個(gè)模糊子集中。再借助模糊規(guī)則，由該模糊輸入子集得到模糊輸出集，這一過程即為模糊推理，它是模糊控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。
清晰化也稱為去模糊化或反模糊化，其過程是利用輸出隸屬函數(shù)將模糊推理得到的模糊輸出集轉(zhuǎn)化為數(shù)字控制量。
圖8 基于模糊算法的直流側(cè)電流控制
4 儲(chǔ)能變流器恒流控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果（略）
為了檢驗(yàn)所用方法對(duì)提高系統(tǒng)響應(yīng)速度方面是否有效，本文基于鉛酸蓄電池組、偉肯（VACON）變流器和德國倍福PLC 搭建了儲(chǔ)能控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在該平臺(tái)上，分別對(duì)傳統(tǒng)的PI 控制、模糊控制進(jìn)行了儲(chǔ)能恒流控制的實(shí)驗(yàn)，并來驗(yàn)證其模糊控制在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和有效性。
圖10 儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電源層硬件
儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電源層硬件如圖10 所示，主要由儲(chǔ)能蓄電池組和雙向變流器兩部分組成。
5 結(jié)論
利用傳統(tǒng)的PI控制儲(chǔ)能變流器實(shí)現(xiàn)恒流控制時(shí)，由于其控制未考慮非線性時(shí)變的蓄電池模型，所以使得線性PI控制難以適應(yīng)蓄電池系統(tǒng)的非線性和動(dòng)態(tài)變化特性以及保持原本的性能指標(biāo)。因此本文采用了一種不依賴于BESS系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型，且能提高BESS控制性能的綜合控制策略。
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，模糊控制在充電和放電兩種模式下都能顯著提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，且未對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定造成不良影響，具有實(shí)際可操作性和有效性。
