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1、第33卷第7期Vol.33No.72009年4月10日Apr.10,2009电池储能系统的非线性控制器金一丁,宋强,刘文华(清华大学电机系柔性输配电系统研究所,北京市100084)摘要:电池储能系统具有快速、独立地输出有功/无功的潜在能力,在负荷平定、不间断电源、电能质量治理等方面具有很高的应用价值。文中以NaS(钠硫)电池为例,根据其在充/放电周期中端电压变化较大的特点,设计了包括DC2DC斩波调压电路和DC2AC整流/逆变电路在内的电网接入系统,建立了包括电池在内的装置数学模型并提出适用于该装置的控制策略。充分考
2、虑了控制对象的非线性特点,采用反馈精确线性化的方法进行分析和控制器设计。仿真结果证明该控制策略具有良好的稳定性和动态响应,在电池参数存在差异的情况下能保持各组电池电流均衡。关键词:电池储能;反馈线性化;非线性控制;NaS电池中图分类号:TM619;TM460引言问题。本文针对NaS电池储能PCS,建立了双向DC2在电力需求逐年增长的情况下,较大负荷中心DC的充/放电统一数学模型,以整个PCS为控制对配电网中普遍存在负荷因数偏低的问题,新建支持象,结合反馈精确线性化理论及传统比例积分(PI)负荷用电峰值的发电厂和输电系
3、统,从成本、运行效控制,设计了适用于该装置的非线性控制策略,并对率及环保方面考虑均不理想。大容量储能技术与电参数误差的校正进行分析。基于PSCAD/EMTDC力电子变流技术的结合,使得用户负载与电网传输的仿真结果验证了所设计控制器的有效性。功率不再严格相等,对提高负荷因数与系统调峰具有重要意义。储能系统潜在的四象限运行能力使其1NaS电池储能系统在不间断电源、电能质量治理、电力系统稳定控制等NaS电池以熔融金属钠为负极,熔融硫及多硫[123]领域都具有广阔的应用前景。相对于传统的铅化钠为正极,钠2β2氧化铝为电解质和
4、隔膜,充放电酸电池,NaS(钠硫)电池、钒液流电池等因其高能量[9]时的化学反应如下式所示:[425]效率、无自放电现象、使用寿命长等优良特性,已放电2Na+xSNa2S5+(x-5)Sx>5在国外诸多中、大规模电池储能系统工程中得到应充电[6]放电(1)用。国内的上海电力公司也已经开展NaS电池2Na+xSNa2Sxx<5储能的研究工作。本文结合这一研究,设计了适合充电NaS电池开路电压随放电深度的增加而下降,于电池运行特点的电网接入系统(PCS)。当S的摩尔比高时,反应1(式(1)的第1式)的电动随着充放电状态的
5、变化,电池电压的较大变化势在2.076V左右(350℃);随着放电深度的增加,给传递功率的控制带来困难。因此,PCS需要通过电动势随着摩尔比近似于直线下降,如反应2双向DC2DC斩波器得到稳定的直流电压,降低电池(式(1)的第2式)中产生Na2S3的反应电动势为电流纹波,再通过DC2AC变流器接入交流电网。1.78V。同时,电池内阻的影响也会使充放电状态DC2AC变流器作为双向DC2DC斩波器的非线性恒下的端电压差增大。由于这一特点,若直接采用功率负载,二者都是非线性且耦合的,采用经典控制DC2AC变换器作为电池与交
6、流电网接口,会限制变方法不但参数设计困难,在电池参数变化较大及充/[7]流器输出的电压等级,增加装置的损耗,并给变流器放电的不同状态下也难以保证系统稳定。文献控制带来困难。为此,在电池设备与DC2AC变换[8]针对统一潮流控制器设计了非线性控制器,但电器之间增加一级双向DC2DC斩波电路,目的是提高池储能系统是基于双向DC2DC变流器和DC2AC变并稳定直流电压,如图1所示。除此之外,斩波器的流器四象限运行的,给控制器的设计带来了更多的电池侧电抗也起到平波作用,将逆变器直流侧脉冲电流转化为具有一定纹波的直流电流,纹波
7、大小由收稿日期:2008210217;修回日期:2008212215。电抗值决定。—75—©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net2009,33(7)路的状态方程如下:diLiRd1=-iLi+ubidtLdLdnT≤t<(n+Di)T(2)diLiRd11=-iLi+ubi-uddtLdLdLd(n+Di)T≤t<(n+1)T图1NaS电池储能系统式中:i=1,2,3;n
8、=0,1,2,⋯。Fig.1NaSbatteryenergystoragesystem对于电池的充/放电,斩波电路工作于2种不同状态:当电池放电时,上桥臂二极管流过斩波电流,开关管关断,下桥臂开关管工作于脉宽调制(PWM)状态,二极管关断,斩波器工作于Boost模式;当电池充电时,上桥臂开关管工作于PWM状态,二级管图3电池放电状态斩波器模型关
