摘  要： 通過仿真建模的方式研究電池類儲能單元與電網(wǎng)負(fù)荷交互的特性以及儲能單元對實現(xiàn)微電網(wǎng)電量自平衡的重要作用,。根據(jù)鋰離子電池特性,，從電化學(xué)角度分析建立等效電路模型，通過對實際3.4 V/3 Ah鋰離子電池充放電曲線的分析計算來確定電池模型參數(shù),，模型仿真曲線與實際充放電曲線擬合程度高,。進一步構(gòu)建儲能單元模型,，模擬仿真微電網(wǎng)中負(fù)載發(fā)生突變的情況，可以觀察到儲能單元對于微電網(wǎng)能量自平衡的貢獻,。
關(guān)鍵詞： 鋰電池,；雙向DC/DC變換器；微電網(wǎng),；儲能單元,；直流母線信號法；分布式電源

    隨著計算機技術(shù),、電力電子技術(shù)及社會經(jīng)濟的發(fā)展,，分布式發(fā)電作為解決集中發(fā)電及遠(yuǎn)距離輸電的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)所帶來的經(jīng)濟及環(huán)境等問題的方法之一，越來越受到重視,，其在電力能源中所占比例也越來越大,。世界上很多能源電力專家認(rèn)為大電網(wǎng)與分布式發(fā)電相結(jié)合是節(jié)省投資、降低能耗,、提高系統(tǒng)安全性和靈活性的主要方法,，是電力工業(yè)的發(fā)展方向。綜合利用風(fēng)力發(fā)電,、太陽能發(fā)電,、微型燃?xì)廨啓C發(fā)電等各種可再生能源發(fā)電的微電網(wǎng)應(yīng)運而生[1-2]。
    儲能設(shè)備包括超級電容器,、鉛酸蓄電池等,，隨著鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展，鋰電池壽命長,、環(huán)境適應(yīng)性強,、環(huán)境污染小等特點使其成為更適合微電網(wǎng)的儲能設(shè)備[3-7]。
    由儲能設(shè)備和DC/DC變換器組成的儲能單元是微電網(wǎng)的重要組成部分,，其作用有提供短時供電,、用于能量緩沖、改善電能質(zhì)量,、優(yōu)化微型電源運行以及提高微電網(wǎng)的經(jīng)濟效益等,。參考文獻[8-9]描述了通過DC/DC變換器將直流儲能元件與微電源并接在直流母線側(cè)，并通過對其的控制來實現(xiàn)分布式電源及儲能元件與電網(wǎng)的能量變換和控制,，但因為給每個分布式電源都配上儲能元件和DC/DC變換器會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性,，因此很難控制。
    針對微電網(wǎng)中分布式電源與儲能單元的協(xié)調(diào)控制問題及合理分配功率的問題,，不少專家都有了一些研究成果[10-12],。參考文獻[10]通過對光伏-蓄電池混合發(fā)電系統(tǒng)進行建模與仿真研究，實現(xiàn)系統(tǒng)電能質(zhì)量的提高以及平滑的功率輸出，但其選擇的Shephred模型并不能很好地仿真蓄電池的充放電特性,。參考文獻[11-12]分析了超級電容器儲能系統(tǒng)對提高風(fēng)力發(fā)電機組的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性的有效作用并進行了仿真,。
    基于以上情況，本文使用PSCAD軟件實現(xiàn)了儲能單元的仿真及控制,，提出了基于Shepherd模型,、Unnewehr通用模型及Nernst模型的混合模型來仿真鋰離子電池的充放電工作。通過仿真模擬了儲能單元在微電網(wǎng)系統(tǒng)中的工作情況,。

    通過鋰離子電池的技術(shù)規(guī)格及其放電曲線可以得到電池模型中各個參數(shù)的計算方法,，從而確定模型的參數(shù)，證明模型各個參數(shù)具有可辨識性,。
    電池的觀測方程應(yīng)當(dāng)能夠確切地描述SOC、電流,、內(nèi)阻等因素的相互關(guān)系,。在此處，觀測方程就是要描述負(fù)載電壓與上述各因素之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,，為SOC的精確估計提供觀測支持,。式(4)所示的混合電池模型可以更好地描述電池的電特性。
  
    因為考慮到實際情況下,，電池的容量不可能降低到0,，所以設(shè)置0.01作為電池空載充電的起始容量。設(shè)置充電電流為廠家提供的18 A,，單體電池空載充電仿真結(jié)果如圖3所示,。

    由圖3可知，在電池中低容量段（容量<100 Ah）,，仿真模型的充電曲線與實際電池充電曲線擬合度好,，在高容量段（容量>140 Ah）存在一定偏差。整體仿真曲線與實際電池曲線擬合度高,，證明電池充電模型能較好地仿真實際電池的充電情況,。
4 儲能設(shè)備控制模塊
    在微電網(wǎng)系統(tǒng)中儲能元件需要實現(xiàn)能量的雙向流通。當(dāng)可再生能源輸出能力高于負(fù)載要求時,，多余的能量要存儲在儲能元件中,；當(dāng)可再生能源輸出能力不滿足負(fù)載要求時，儲能元件釋放能量維持負(fù)載正常工作,。而這些儲能元件都需要能量雙向流動的雙向DC/DC變換器來控制,。

    根據(jù)鋰離子電池能量管理的控制目標(biāo)，采用PI環(huán)節(jié)作為雙向DC/DC變換器的閉環(huán)控制策略,，可以有效實現(xiàn)鋰離子電池組的控制,。圖4體現(xiàn)了微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行時，分布式電源,、鋰離子電池組與負(fù)載之間的能量流動關(guān)系,。
    儲能單元與分布式電源協(xié)調(diào)供電是通過雙向DC/DC變換器來實現(xiàn)的,。將電池組充放電給定電流與輸出負(fù)載電流的差作為控制量，經(jīng)過PI調(diào)解器形成一個電流調(diào)制信號,。再利用電流調(diào)制信號與固定頻率的鋸齒波信號的交點形成脈沖信號,。當(dāng)負(fù)載大小發(fā)生突變時，PI調(diào)節(jié)器的輸出也隨之發(fā)生變化,。于是調(diào)制信號與鋸齒波的交點也發(fā)生了改變,，從而改變脈沖寬度，達到功率閉環(huán)控制的作用,。同時實現(xiàn)當(dāng)負(fù)載需求大于分布式電源供電時,，控制電池放電；當(dāng)負(fù)載需求小于分布式電源供電時,，控制電池充電的協(xié)調(diào)供電方式,。
5 系統(tǒng)仿真算例
    用等效電壓源來模擬光伏電池及其他直流輸出型的分布式電源；將電池組模型及雙向DC/DC變換器作為儲能單元,。將儲能單元和分布式電源并聯(lián)在直流母線處,，直流母線連接直流負(fù)載。直流負(fù)載側(cè)通過設(shè)置一個開關(guān)選項用來模擬在系統(tǒng)運作一定時間后,，負(fù)載大小發(fā)生突變時,，儲能單元的工作狀況。
    本次算例系統(tǒng)設(shè)計在直流負(fù)載側(cè)并聯(lián)兩個10 Ω電阻,，在系統(tǒng)運行2 s后,，斷開其中一個電阻與系統(tǒng)的連接。分析可知,，電池組初始應(yīng)處于放電階段,，在2 s斷開一個電阻后，負(fù)載側(cè)電壓不變,，電流會發(fā)生突變,，通過控制系統(tǒng)的控制會使得電池放電，電壓,、電流及充放電狀態(tài)SOC發(fā)生突變來滿足負(fù)載的需求（如圖5,、圖6所示），最終系統(tǒng)會重新回到平衡狀態(tài),。

    本文采用簡化等效模型的思路進行鋰離子電池建模,，與廠家提供的數(shù)據(jù)能夠有效擬合。同時觀察可得,，在充電仿真實驗中,，中低容量段擬合度較好，高容量段擬合度略有偏差；在放電實驗中,，中段擬合度好,，低能量段和高能量段略有偏差。
    同時,，雙向DC/DC變換器采用直流電壓作為電池充放電控制判定參數(shù),，采用PI控制使電池充放電電流實時跟蹤電池管理系統(tǒng)(BMS)的電池電流值。仿真實現(xiàn)了微電網(wǎng)在孤網(wǎng)運行情況下,，光伏電池等直流輸出型分布式電源與鋰離子電池配合對負(fù)載提供能量的情況,。微電網(wǎng)系統(tǒng)采用直流母線信號控制的方法，實現(xiàn)了能源高效合理的分配及優(yōu)化管理,。
參考文獻
[1] 張建華,，黃偉.微電網(wǎng)運行控制與保護技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2010.
[2] LASSETER R H.Microgrids[C].Proceedings of 2002 IEEE  PES Winter Meeting,，New York,，2002：305-308.
[3] 侯幽明，陳其工,，江明.磷酸鐵鋰電池模型參數(shù)辨識與SOC估算[J].安徽工程大學(xué)學(xué)報，2011,，26(2)：55-58.
[4] 汪涵,，鄭燕萍，蔣元廣,，等.實用型磷酸鐵鋰電池SOC高準(zhǔn)度算法研究[J].電源技術(shù)研究與設(shè)計,，2011，35(10)：1198-1207.
[5] 周蘇,，胡哲,，陳鳳祥，等.基于析氣現(xiàn)象的鋰電池系統(tǒng)建模[J].電源技術(shù)研究與設(shè)計,，2010,，34(2)：134-138.
[6] 仝猛，邵靜玥,，盧蘭光,，等.基于二階段放電試驗的磷酸鐵鋰電池的Peukert模型[J].清華大學(xué)學(xué)報，2010,，50(2)：295-298.
[7] OLIVIER T,，LOUIS A.Dessaint，Abdel-Illah Dekkiche[C]. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference,，2007：284-289.
[8] NIKKHAJOEI H,，LASSETER R H.Distributed generation interface to the CERTS  microgrid[J].IEEE Trans on Power  Delivery，2009，24(3)：1598-1608.
[9] 金一丁,，宋強,，劉文華．電池儲能系統(tǒng)的非線性控制器[J]．電力系統(tǒng)自動化，2009,，33(7)：75-80.
[10] 董旭柱,，雷金勇，饒宏,，等.含蓄電池儲能的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真[A].第十三屆中國科協(xié)年會第15分會場-大規(guī)模儲能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用研討會論文集[C].天津：2011.
[11] 紀(jì)明偉,，陳杰，欒慶磊.基于電流分解的微網(wǎng)功率控制策略研究[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報,，2009,，17(5)：110-113.
[12] 王立喬，孫孝峰.分布式發(fā)電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社,，2010.