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。實驗表明，本文提出的基于模糊算法的恒流控制可以提高儲能系統(tǒng)的動態(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、波動性以及負載的隨機性，嚴重影響微電網(wǎng)的電能質(zhì)量和系統(tǒng)的安全性。作為一個可控單元，儲能系統(tǒng)BESS（battery energy storage system）可使可再生能源并網(wǎng)發(fā)電更加穩(wěn)定，有利于保障實現(xiàn)“儲能一電網(wǎng)”之間的能量互動。

 

除此之外，BESS還可以應(yīng)對電網(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)化儲能變流器的控制技術(shù)，對于提升儲能變流器性能和改善微電網(wǎng)運行可控性具有重要意義。

 

儲能變流器的有效控制是微電網(wǎng)能夠達到安全、高效、可靠和經(jīng)濟運行的必要保證。目前對于儲能雙向變流器的研究主要集中在主電路拓撲結(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方面[3,5]。

 

儲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，對于儲能變流器的控制研究往往側(cè)重于外環(huán)控制的改進。

 

為了實現(xiàn)儲能系統(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)廠家的建議進行充電或放電控制。其實現(xiàn)方式通常采用易于實現(xiàn)的雙閉環(huán)PI控制[11]。

 

在傳統(tǒng)的PI控制下，系統(tǒng)具有較強的魯棒性，但是由于其未考慮非線性時變的儲能電池模型，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)計時的性能指標[14,15]。

 

文獻[2]提出了基于PI控制器的儲能系統(tǒng)直流側(cè)電壓控制，雖穩(wěn)態(tài)時直流電壓波動較小，但出現(xiàn)了超調(diào)現(xiàn)象，有較大沖擊；文獻[3]提出采用雙環(huán)PI控制策略實現(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BESS所具有的非線性特性，采用一種模糊控制策略實現(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)控制下儲能系統(tǒng)參數(shù)和控制指令變化對控制效果的影響，以此原則來建立模糊控制規(guī)則，并在14kWh儲能系統(tǒng)中進行實驗驗證。結(jié)果表明，相對于傳統(tǒng)控制策略，模糊控制具有更好的動態(tài)性能，可以縮短控制量的調(diào)節(jié)時間。

 

1 儲能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型（略）

 

儲能系統(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  儲能系統(tǒng)的主電路

 

對于儲能系統(tǒng)的主電路的分析基于以下假設(shè)[5]：1) 配電網(wǎng)的電動勢采用三相平衡的純正弦波電動勢；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，因此常在儲能蓄電池的外環(huán)控制中應(yīng)用。但在設(shè)計PI 控制時，并沒有考慮蓄電池模型的非線性時變特性，所以線性PI 控制無法適應(yīng)蓄電池系統(tǒng)的非線性特性、動態(tài)變化特性以及保持原本的性能指標。下文分別針對參考指令因素和電池狀態(tài)因素進行仿真，以研究分析這些因素對響應(yīng)速度的影響。

 

3 基于模糊外環(huán)恒流控制器設(shè)計（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 儲能變流器恒流控制實驗結(jié)果（略）

 

為了檢驗所用方法對提高系統(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 搭建了儲能控制實驗平臺，在該平臺上，分別對傳統(tǒng)的PI 控制、模糊控制進行了儲能恒流控制的實驗，并來驗證其模糊控制在實際應(yīng)用中的可行性和有效性。

 

圖10  儲能系統(tǒng)實驗平臺電源層硬件

 

 

儲能系統(tǒng)實驗平臺的電源層硬件如圖10 所示，主要由儲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控制儲能變流器實現(xiàn)恒流控制時，由于其控制未考慮非線性時變的蓄電池模型，所以使得線性PI控制難以適應(yīng)蓄電池系統(tǒng)的非線性和動態(tài)變化特性以及保持原本的性能指標。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。

 

從實驗結(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)動態(tài)響應(yīng)能力，且未對系統(tǒng)穩(wěn)定造成不良影響，具有實際可操作性和有效性。