单元内充放电均衡策略
并联于单元直流母线上的各组双向DC/DC变 流器通过控制电池的充放电功率来稳定母线电压， 单元内均衡策略便是通过调节图4中电流内环参考 值偏移量乂《;)的大小来平衡并联电池组的SOC值。 仍以ab相i单元为例,各并联电池组电流参考值偏 移量可由式(7)计算：
Ai邮)=[br(S柳-S*) >=1,2,…，m (7)
其中为第j组并联电池电流偏移量;为单 元内均衡策略采用的比例控制器系数;为第j组 电池SOC值;S&为m组电池SOC的均值，即是该串 联单元的等效SOC值。
对于S0C值高于均值的电池组，单元内均衡策 略促使其加速放电或延缓充电，同时,各组电池的电 流偏移量之和为零，保证了单元直流母线电压控制 的效果不变。
4仿真实验
为检验所设计链式储能系统拓扑及控制系统的 有效性，基于EMTOC/PSCAD软件进行了仿真实验。 测试系统为三相三角接链式储能装置，接人500 V电 网，每相串联3组变流器，各单元直流母线上并联2 组DC/DC模块，每个模块对应一组储能电池。
系统及控制器仿真系统参数如下：额定容量& 为300 kW;电池电动势为259 V，内阻为0.05 0;每 相串联滤波电感Lf为1 mH;系统接人电阻/?s为 0.002 5 (1，电感^为20 (xH;直流电容Cd为1 mF; DC/DC升压电感Lh为5 mH;系统频率/为50 Hz;单 元逆变器开关频率/s,为1 000 Hz；DC/DC开关频率 /s为5 _ Hz;单元直流电压参考值uA为400 V;功 率环积分器系数Ke为0.005 kV.s;直接电流控制PI 参数 K„ 为 0.02 A'1,^ 为 0.2 A.s;DC/DC 电压环 PI参数KPd为1 n'L为0.008 n.s;DC/DC电流环参 数达为0.1 A-1;充放电均衡控制器参数ZCio为40A, Ki,为200 A,A：„为1 (说明:PI控制器比例、积分系数
及有关系数有单位的原因是其输人量和输出量的量 纲不同，彼此间的单位也不同。A-1是指“1/安培”， a-s是指“安培.秒'n-1为“1/欧姆”，n.s为“欧 姆.秒”)。
稳态运行条件下的系统各状态量波形如图10 所示。其中…^^卜叫^^^叫^分别表示各相第1单兀 直流母线电压为^相2单元直流母线电压; t丨⑴、&丨(2)为ab 1单元对应的2组电池电流，而
iawri,为ab相2单元第1组电池电流。
储能系统以交流侧单位功率因数额定容量放 电，由于链式系统5相直流侧分离，线电流会在单元 直流电压上产生2倍电网频率的功率波动。若不考 虑DC/DC响应,波动幅值可由式(8)近似估计:15]:
其中为电压波动幅值，/X,丄为该相系统电压及流 过电流的有效值，71为串联单元数。DC/DC的响应 延迟使实际电压波动略大于估计值，在15 V左右；反 之，也会在电池电流中引起二倍频分量,其幅值 可由“估计,其中/STra为DC/DC电压环PI控制 器的比例系数。在电池电流的波形放大处,4m⑴与
的幅值、纹波相位基本相同，而Am的纹 波相位互差180°，多重化技术使2组电池的电流轮流 注人直流母线,可减小电压纹波，改善控制性能。
为检验电池充放电均衡策略的有效性，令储能系 统以200kW充电，各组储能电池S0C初值为0.3,只 有ab相1单元由于刚投人，2组电池S0C值分别为0.8 和0.6,S0C不平衡时系统充电过程如图11所不。
a. ab相与另两相等效SOC值相差0.13，相间均 衡策略产生38 A零序电流&，其方向与相同，使 得匕减小,iu.、乙增加，如上图中虚线所示；
b.在单元间均衡策略的作用下,ab相1单元输 出电压减小，2、3单元输出电压升高，使1单元充电 功率进一步减小； .
c.单元内均衡策略使S0C值较高的电池承担更 小的充电电流，在2组电池相差较大的情况下较高 者甚至运行于放电状态，如图中^
图11不平衡SOC下储能电池充电情况 Fig. 11 Battery charging under unbalanced SOC
图11中，ab相1单元2组电池电流分 别在12 A(放电）和48 A(充电）左右；同相2单元单 组电池充电电流在40A左右，大于1单元的均值18 A; 而ab相电池平均提供32.67 A充电电流，也小于另两 相每组50 A的均值，与分析相符。
电池的各级充放电策略不但在充电或放电状态 下发挥作用，在储能系统零功率输出的热备用状态下 也可以适当平衡各组电池的S0C。反之，S0C的均 衡控制必须要求某一组或几组电池运行在较高电流 下，因此均衡的速度受到电池最大电流的限制。装 置越是接近额定功率运行,受限幅影响S0C均衡控 制的效果越弱，因此不能保证在一个充/放电过程中 平衡任意的S0C分布。这一过程可能需要在多次充 放电中完成。图12模拟了这一过程。
图12充放电条件下的S0C平衡控制
图12中系统从0.5 s时刻，每隔0.25 s在200 kW 充电与200 kW放电状态之间切换。各组电池S0C 初值亦为30%，ab相1单元2组电池S0C初值设 为45 %与35 %。为缩短仿真时间，单组电池容最设 为60A.S。从图中可以看出，充放电平衡策略不影响 储能装置良好的功率响应，同时充放电均衡策略在充 放电切换的过程中可达到连续调节。另一方面，假设 0.5 s时刻Sm,,达到电池充电结束的阈值，则装置停 止充电，此时其他组储能电池并没得到充分利用，这 也是串联型储能装置固有的问题，这一问题在3个充 放电周期后因S0C重新均等而得到解决。
4结论
为实现高电压、大容量的城网储能,本文基于链 式系统拓扑,结合多重化双向DC/DC变流技术,提出 了一类适合于大容量、多储能模块的电池储能系统。
并基于三角接法设计了一套链式电池储能系统，以 及适应于该系统的电池充放电控制与三级均衡策 略，使装置在充电、放电的过程中，各组储能电池的 荷电状态自动趋于平衡，也使得链式系统的冗余单 元得以引人，以提高装置运行的可靠性。而另一方 面，充放电均衡的速度受电池及变流器最大电流的 限制，在S0C值差异较大的情况下可能需要多个充 放电周期实现，其间储能系统的总容量受限。文中 设计的链式储能系统拓扑不但适用于电池储能，对 超级电容等电压源储能元件同样适用。
参考文献：