钒电池储能系统的控制的MATLAB仿真

赵珊+董睿+杨培新+张献华

摘要：针对储能系统中钒电池端电压及充放电控制模式变换对钒电池安全运行的影响。钒电池是目前集环保、重复利用率高的新型储能方式，所以研究钒电池储能系统的控制问题也就成为了当前的研究热点。

关键词：风电并网；储能；钒电池；功率控制；

1 引言

本论文利用功率解耦控制的方法研究，基于CLC型滤波器的背靠背的储能逆变为平台，研究了基于钒电池储能的光伏微电网并网运行的控制策略。以仿真为实验平台来研究钒电池的充放电控制特性。

2 储能变流器的主电路图

钒电池储能变流器包括有整流逆变功能的DC/AC的变流器，还有具有能量双向流动功能的DC/DC的变换器完成直流变换，并且能在不同的模式之间自由的切换，以达到对钒电池的快速有效的充放电控制功能。

钒电池储能控制系统能否高效运行，很大程度上取决于对PWM变流器的控制，通过控制DC/DC变流器既可以准确控制钒电池输出的有功功率；控制网侧变流器DC/AC可以实现网侧单位功率因数控制或功率因数调整控制，达到在升压模式与降压模式之间可以自由的切换，配合储能系统其余部分，安全可靠的将钒电池储存的能量回馈到电网和将电网的富裕的电能储存到钒电池中。

二、储能系统变流器的数学模型

Buck-Boost电路中V1保持判断，V2以一定的占空比通断，则电路实现Boost功能。反之，电路实现Buck功能。无论电路实现的是Buck功能，还是Boost功能，其数学模型相似，只需考虑电流ib方向的不一致性。下面仅讨论电路实现Boost功能时储能系统主电路的数学模型。当电路Boost实现功能，且V1保持关断、V2导通时的等效电路如图2所示。

以下给出上述等效电路D-Q旋转坐标系下的数学模型，D-Q坐标的旋转频率为交流系统频率，D轴与系统电压矢量重合，Q轴超前D轴90度。

式中：ib、id、iq、udc分别为储电池放电电流、交流侧电流矢量的D、Q轴分量、直流侧电压；md、mq分别为变流器的开关函数的D、Q轴分量；Lb、R、L、C分别为斩波电路低压侧电感、交流系统等效电阻、等效电感、变流器直流侧电容；ω、Esd分别为变流系统电压的角频率、交流系统电压矢量的D轴分量。

当电路实现Boost功能，且V1保持关断、V2关断时的等效电路，同理可进行分析。

三、储能系统变流器的控制策略

图4所示为钒电池储能系统的控制系统框图，整体采用电压电流双闭环控制，包括外环电压PI控制，电流重复控制、及DC/DC侧的直流电流PI控制。并网控制系统包括无延时的IP-IQ无功电流检测。直流侧参考电压与直流侧的没量电压的差值，作为PI控制器的输入，PI控制器的输出进行限幅后，即可获得内环控制的指令电流值。网侧变流器单元的电流内环控制采用重复控制。PWM变流器中死区效应和非线性负载的加入都会影响逆变器输出电压的质量。

四、仿真分析

4.1仿真模型的建立

（1）钒电池储能系统的额定容量为125KW，单元的直流侧直流电压控制在800V；电网电源的母线电压380V。

（2）整流侧采用D-Q同步旋转坐标系的空间矢量控制策略，逆变侧负载采用的是电阻负载定时投切，控制策略为电流PI控制。

4.2钒电池储能系统的仿真研究

仿真参数：电网电压的相电压峰值：310V；直流母线电压为800V；交流侧采用CLC联接：电容值、电感值与电容值分别对应为40UF、0.2mH、40UF；直流侧的电容为500UF；开关频率为1KHZ；单元的进线与出线侧的电抗值为0.5mH。

仿真针对不同的时刻，改变DC/DC侧的负载阻抗，进而改变负载侧的电流值，从而观察直流电压的波动情况及DC/DC单元输出侧的电流波动，同时也观测了DC/DC单元的载波移相及各分相的电流信号。本仿真只是针对储能变流器的充电进行了描述，放电原理与充电原理相同，这里就不在重复的仿真与论述。

在T1=0.02S、T1=0.04S及T2=0.06S时刻分别在单元DC/DC的降压侧分时加入了R=6殴姆的负载电阻。当T1=0.02S时，A相、B相、C相的电流值分别为、38A、40A、42A，单元的直流电压值有S的振荡后，恢复到设定值800V。当T1=0.04S时，A相、B相、C相的电流值分别为、74A、74A、76A，单元的直流电压值有S的振荡后，恢复到设定值800V。当T1=0.06S时，A相、B相、C相的电流值分别为、130A、130A、132A，单元的直流电压值有S的振荡后，恢复到设定值800V。单元DC/DC侧载波采用的图6 为单元直流电压的波动波形。

五、结语

采用重复控制的电流内环直流电压PI外環控制器，能保证钒电池储能变流器系统在电网或是负载发生变化时进行快速充放电，平抑风电场输出波动；采用重复控制的电流内环直流电压PI外环控制方法实现了储能系统双向AC/DC变流器的线性化解耦控制，储能系统输出的有功和无功功率可独立调节。

参考文献：

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