光储微电网锌溴电池储能系统功率优化控制

冯鑫振，胡金杭，桑丙玉，刘欢，吕振华

(1.中国电力科学研究院，江苏南京210003；2.国网江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京211103)

光储微电网锌溴电池储能系统功率优化控制

冯鑫振1，胡金杭1，桑丙玉1，刘欢1，吕振华2

(1.中国电力科学研究院，江苏南京210003；2.国网江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京211103)

随着分布式风电、光伏等可再生能源的不断发展，可再生能源本身具有间歇性、随机性特征，给电网安全稳定运行带来很大挑战。针对平抑光储微电网中光伏发电功率波动的需求，提出一种采用锌溴液流电池储能的功率优化控制策略。首先，基于锌溴液流电池的工作原理，建立了其等效电路模型；然后，采用储能变流器级联多重双向直流变换器电路拓扑，分别建立了以稳定直流母线电压为目的的储能变流器矢量控制策略和以电池荷电状态为约束的锌溴电池充放电切换的DC/DC变换器双闭环控制策略；以电池荷电状态和直流母线电压为约束条件，提出一种新型的锌溴电池储能系统功率优化控制策略，同时提出了一种减小充放电切换时直流母线电压突变的混合储能方法；最后，搭建了25 kW/ 50 kWh锌溴液流电池储能系统试验平台，在微网并网模式下开展了锌溴储能系统充放电特性研究，结果表明，所提功率优化控制策略能够有效地平抑光伏发电功率波动，所提混合储能方法很好地解决了直流母线电压突变问题。

微电网；锌溴液流电池；充放电控制；储能；功率优化控制策略

随着化石能源的枯竭和环保意识的增强，风能、太阳能等可再生能源的开发和利用越来越广泛。但可再生能源具有波动性和不稳定性，会对电网造成巨大冲击。储能技术在很大程度上能够解决分布式新能源发电的随机性、波动性问题，可以实现新能源发电的功率平滑输出，成为智能电网建设的重要组成部分。研究表明电网系统中可再生能源超过总容量20%时不配备储能系统电网稳定性会变差[1]。

适用于新能源发电的电能存储方式主要包括电化学储能、物理储能、电磁储能。相比其他储能电池(如铅酸电池、锂电池等)，锌溴液流储能电池(Zn-Br)具有许多优点[2－3]：理论比能量为430Wh/kg，实际可以达到65～84Wh/kg；具有良好的循环充放电性能，可实现100%深度充放电而对电池无损害，至少能实现2 000次的深度充放电；平均寿命是铅酸电池的三倍。基于以上优点，使之有望广泛地用于可再生能源系统、电力调峰、UPS应急电源、电动汽车和军用电源等领域。Zn-Br储能系统已经在多个国家得到了应用验证：如美国2010年陆续安装的500 kW/6 h锌溴液流储能系统，日本于20世纪90年代安装了1MW/4MWh的锌溴液流电池系统。

目前国内针对锌溴液流电池文献主要侧重于原理性和化学特性的描述，国外对锌溴电池在电网调峰、新能源发电、电动汽车领域应用、电池性能测试等方面开展了一些研究。文献[4]分析了锌溴液流电池工作原理、功能特点及工业应用情况，但未涉及电池的运行控制。针对不同状况下锌溴电池运行特性及电池本身性能进行了研究，其中在不同温度、充放电倍率等条件下研究了电池的充放电效率。文献[5]提出了锌溴液流电池在混合动力汽车应用的数学模型。上述文献中对锌溴电池研究主要侧重于原理性描述和电池性能测试，针对锌溴储能系统在光储微电网中功率波动平抑研究较少。

为了平抑光储微电网中光伏发电功率波动，基于锌溴电池工作特性，本文建立了以稳定直流母线电压为目的的储能变流器矢量控制策略和以电池荷电状态为约束的锌溴电池充放电切换的DC/DC变换器双闭环控制策略。以电池组SOC和直流母线电压为约束条件，实现平抑功率的合理分配。同时针对锌溴电池充放电切换电压波动特性，提出了一种减小充放电切换时直流母线电压突变的混合储能方法。

1 Zn-Br储能系统建模

1.1 锌溴液流电池工作原理

锌溴液流储能电池是一种新型、高效的电化学储能设备，主要由三部分组成，包括液路循环及辅助系统、电解液以及电堆。Zn-Br液流电池电解液流动原理如图1所示。

图1 锌溴储能系统中电解液流动示意图

锌溴液流电池的反应活性物质为溴化锌，基础电化学反应可表示如下(不考虑溴的其它高阶数离子)：

锌溴电池电解质溶液(储能介质)存储在电解液罐中，电池工作时正负极电解液由各自的动力泵强制在储液罐和电池构成的闭合回路中进行循环流动。由原理图1可知，锌被电镀在电池内部负极侧，溴伴随自由电子的产生在电池的正极侧。充电时锌沉积在负极上，在正极生成的溴会马上把电解液中的溴络合剂络合成油状物质，这种络合物使水溶液相中的溴含量大幅度减少，且该物质密度大于电解液，会在液体循环过程中逐渐沉积在储罐底部，大大减小了溴的蒸汽压，提高了系统安全性。放电时正极储罐的二相阀打开，储罐里的络合溴会与正极电解液充分混合打散，在正极表面发生反应生成溴离子，附近的金属锌溶解成为锌离子，电解液重新回到溴化锌溶液的状态，反应是完全可逆的。

1.2 锌溴电池模型

锌溴电池储能系统等效电路如图2所示[6]。考虑锌溴电池的物理和数学特性，该电池模型由三个元素组成：UOCV(SOC)表示电池的开路电压，Rselfdischarge表示自放电电阻，Rinternal(SOC)表示电池内阻，这三个元素都是电池荷电状态(SOC)的函数。图2中Idischarge表示电池放电电流值，Iselfdischarge(SOC)表示电池自放电电流值。

图2 锌溴储能系统等效电路

为保证电池运行安全和锌溴电池运行于线性工作区间，SOC此处取值大于20%。其SOC随充放电时间变化特性可表示：

式中：SOCk+1为电池下一时刻的SOC值，SOCk为电池当前时刻的SOC值，h表示电池的效率，Cn表示锌溴储能系统的额定容量，D T表示采样时间，ik为电池充放电电流值，此处一般取恒定电流值。

电池端电压Ub表示为：

式中：Ub为电池的端电压；UOCV(SOC)为电池的开路电压；Idischarging表示电池放电电流；放电时表示为负数；其中电池内阻Rinternal可由式(6)求出

锌溴电池自放电电阻Rselfdischarge表示为：

式中：D t为电池自放电时间，D qlost为电池自放电时间损耗的总电荷。

2 多级Zn-Br储能的微电网功率平抑系统

2.1 含Zn-Br储能微电网功率平抑系统结构

为了提高光储微电网系统的稳定性和动态响应能力，考虑电池的经济性和安全性能，同时提高储能系统的功率传输能力，本文采用四象限交直流储能变流器级联多重双向Buck-Boost直流变换器作为Zn-Br储能系统的能量转换的接口。整体系统结构如图3所示。

图3 含锌溴电池储能的微网连接示意图

图3 中光伏发电系统通过并网点开关连接到配电网，由4级锌溴电池电堆组构成的储能单元，通过多重双向DC/DC变换器级联四象限储能变流器，35 kW可调电阻负荷连接在由储能系统形成的交流母线处。经由并网点开关，整个光储微电网系统接入配电网。

2.2 Zn-Br的储能变流器控制策略

在Zn-Br储能系统中，直流母线是电池和电网进行能量交换的通道，维持着电池组、DC/DC变换器、储能变流器和电网的功率平衡。因此，建立储能变流器的控制目标为维持直流母线电压恒定并且保持系统功率因数为1。本文采取前馈解耦方法，采用基于网侧电压定向矢量控制的变换器d-q坐标系下的动态模型为：

式中：R、L代表线路电阻和电感；ud、uq分别为交流侧电压d、q轴分量；id、iq分别为交流侧电流的d、q轴分量；w为交流侧电压的角频率。

其储能变流器控制策略采用电流内环和电压外环的双闭环控制，其中外环调节的输出作为内环电流的给定值，内环用以实现电流参考值的快速跟踪和电流限流功能。采用的储能系统交直流变流器控制框图如图4所示。

图4 储能变流器恒压控制框图

图4 中可见直流电压外环调节量经限幅后作为电流内环有功电流给定值，通过控制交流侧电流的d轴分量id可实现电网与储能变流器的有功功率控制和直流侧母线电压Vdc调节，通过对q轴分量iq的控制实现电网与储能变流器的无功功率调节。

2.3 Zn-Br的双向直流变换器控制策略

本文采用多重双向DC-DC变换器级联锌溴液流电池，从而实现能量的双向流动[7]。通过对双向DC-DC变换器的控制实现每组Zn-Br充放电进行独立控制，并以电池组SOC及电池端电压为约束条件，针对各个电堆进行功率优化分配和功率值限定，为保障锌溴电池功率平抑能力，以电池组SOC为约束条件，提出了电池安全充放电模式切换方法。其多重双向DC/DC变换器的控制框图如图5所示。

图5 多重双向DC-DC变换器控制框图

图5 中，Pv、P*z-ref分别为光伏发电系统输出功率和储能系统平抑功率给定值，Pz-ref、Vref分别为各级电池的充放电功率和电压给定值，PZ为电池功率实际值，iLiref、iLi(i=1、2、3、4)分别为各级电池侧电感电流给定值和实测值。

由图5所示，锌溴电池建议充放电区间为20%～90%，基于锌溴电池充放电特性，锌溴电池在直流变换器电压区间(420～450 V)时充电，于电压区间(350～410V)时放电，分别以每个电堆电压及电池组SOC作为功率分配和功率限定的约束条件，进而实现平抑的功率能够有效分配到各个锌溴电堆。

针对南京某屋顶光伏发电数据，对光伏输出功率进行频谱分析，可知功率波动成分的频率主要集中在8.3×10－5～1.67×10－3Hz，。控制Zn-Br储能系统在(8.3×10－5，1.67×10－3) Hz内选择滤波截止频率，储能平抑目标功率给定值为，其中滤波时间常数根据滤波器幅频特性及所平抑功率波动的截止频率确定。双向DC-DC变换器采用双闭环控制方式，内环采用Zn-Br电池侧电感峰值电流模式控制，外环根据运行工况选择恒功率或恒流控制模式。为确保锌溴储能系统良好功率平抑性能，将电池SOC限值作为电池运行模式切换条件，当20%

3 Zn-Br液流电池与超级电容混合储能方法

由于多重双向DC-DC变换器的控制特性及Zn-Br电池充放电切换时电压突变特性，在实现充放电功率切换时，需要ms级的充放电切换时间，锌溴电池在实现充放电切换时直流母线电压会发生突变，影响储能系统的功率平抑性能。如图6所示，采用了一种新型的混合储能方法，本方案直接将超级电容并联于PCS直流侧，与锌溴储能系统在直流侧直接相连，超级电容未采用超级电容级联dc-dc连接方式[8]，相比单纯采用电池储能相比具有更高的功率变化速度和效率。此时超级电容于电池充放电切换时平滑光伏发电系统功率波动和电压波动，使母线电压平滑变化。采取本文所提混合储能方法能够优化控制电池的充放电电流，延长其寿命周期，超级电容根据直流母线电压变化出力，具有更快响应速度。

4 含Zn-Br储能系统的微电网实验验证

为验证所提锌溴储能系统平抑光储微电网中光伏发电功率波动的功率优化控制策略，以及所提混合储能方法的效果。本文搭建了如图6所示结构的Zn-Br储能系统试验平台。四路DC-DC双向变换器并联后与储能变流器直流侧级联，储能变流器通过380 V交流母线与市电连接，超级电容器与电池级联DC-DC并联后连接到储能变流器直流侧，50 kW光伏逆变器连接到交流母线上。

图6 包含混合储能系统的微电网实验结构图

系统参数如下：锌溴液流电池25 kW/50 kW h，储能变流器额定功率30 kW，光伏逆变器50 kW，超级电容器30 kW/10 s。储能变流器开关频率为6.4 kHz。控制系统基于数字信号处理器TMS320F28335和FPGA实现。

图7 光伏出力Pv、联络线功率Pline及储能功率PZ波形

本文中功率平滑对象为50 kW屋顶光伏发电系统，取其一天早6点至晚18点的发电数据，如图7中PV短划线所示，采样周期为5m in，最大输出功率为42 kW，最小输出功率为1 kW。每5m in最大功率波动为27.3%。Zn-Br储能系统经由功率优化控制策略控制后储能实际输出功率如图7中实线Pz所示。经过储能补偿后的联络线输出功率波形如图7中Pline虚线所示。经过储能补偿后联络线功率变得比较平滑，每5min的功率波动控制在2%以内。

图8为未接入光伏发电系统时，Zn-Br储能系统并网深度充放电试验波形，图8中直流母线电压Udc控制比较稳定，较好保证了储能系统与电网之间的功率传输。为保障电池充放电时不超过电池的额定功率(充电时不超过19.5 kW，放电时额定功率为25 kW)，充电时母线电压维持在430 V，放电时母线电压维持在380 V。锌溴电池的SOC能够实现从0～100%的深度充放电，能够较宽范围的平滑光伏发电功率波动，对应充电时功率为18 kW，放电功率为24 kW。

图8 锌溴储能系统深度充放电波形

图9 带超级电容前后锌溴储能系统充放电切换试验

图9 (a)锌溴储能系统未连接超级电容前充放电切换时直流母线电压和储能变流器侧电压电流波形，由图9(a)中可见由于DC-DC变换器功率切换时存在ms级调节时间及锌溴电池充放电电压变换特性会使得直流母线电压波形在切换时有明显的突变。由图9中电压电流波形可见变流器控制交流侧功率因数为1。图9(b)为采用新型混合储能连接方式后充放电切换试验波形，可见在充放电切换时直流母线电压能实现平滑切换，利用超级电容快速性起到电压瞬时支撑的作用，由超级电容补偿光伏发电系统的功率波动的尖峰，有效延长锌溴液流电池的使用寿命。

5 结语

本文针对平抑光储微电网中光伏发电功率波动的应用需求，提出一种采用锌溴液流电池储能的功率优化控制策略。分别建立了以稳定直流母线电压为目的的储能变流器矢量控制策略和以直流母线电压区间为约束的锌溴电池充放电切换的DC/DC变换器双闭环控制策略；以电池组SOC和端电压为约束条件，实现平抑功率的合理分配。同时针对锌溴电池充放电切换电压波动特性，提出了一种减小充放电切换时直流母线电压突变的混合储能方法。试验结果表明，所提功率优化控制策略能够有效的平抑可再生能源功率波动，所提混合储能方法很好的解决了直流母线电压突变问题。本文的分析和研究可为以后锌溴液流电池应用提供参考。

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Poweroptim ization controlstrategiesof zinc brom ine flow battery energy storage system in photovoltaic/batterym icro-grid

FENG Xin-zhen1，HU Jin-hang1，SANG Bing-yu1，LIU Huan1，LV Zhen-hua2
(1.China Electric PowerResearch Institute，Nanjing Jiangsu 210003，China; 2.Jiangsu Electric Pow erCompany Research Institute，Nanjing Jiangsu 211103，China)

With the continuous developmentof distributed wind power，solar and other renewable energy sources，renewable energy sou rces which have its own features，such as interm itten tvola tility，bring g reat challenges to the safe and stable operation of power grid.Aim ing atmeeting the requirementof balancing the fluctuating photovoltaic generation of photovoltaic/battery m ic ro grid，the optim ization power control strategies o f the zinc brom ine(Zn-Br) flow battery storage were proposed.Firstly，the equivalentelectrical circuitmodelbased on the working principle of the Zn-Br flow battery was established;secondly，a vector con trol strategy of energy storage converter was p resented to keep the stable DC bus voltage，and a double closed loop control strategy of DC/DC converter was established to sw itch charge-discharge style as a constraintof the SOC for the Zn-Br flow battery by using energy storage converter cascademultiple bi-directiona lDC/DC converter circuit topology.The optim ization power control strategies o f Zn-Br battery energy storage system as a constraintof state of charge(SOC)on the Zn-Br flow battery were proposed，and a hybrid energy storage method was proposed to solve the prob lem of the DC bus voltage mutation when the charging and discharging switch.A 25 kW/50 kWh Zn-Br flow battery energy storage system test p latform w as built，and the charging and discharging characteristics of Zn-Br energy storage system were researched in m icrogird grid-connected mode.The test results show that the proposed power optim ization control strategies for Zn-Br energy storage system can smooth photovo ltaic generation power fluctuation，and that the p roposed hybrid energy storagemethod is a good solution to the problem of the DC bus voltagemutation.

m icrogrid;zinc b rom ine flow battery;charge-discharge control;energy storage;power optim ization controlstrategies

TM 912

A

1002-087X(2016)07-1385-05

2015-12-24

2015国网公司科技项目(5210EF150010)

冯鑫振(1986—)，男，山东省人，硕士生，中级工程师，主要研究方向为储能变流控制技术。