王志，唐云峰，熊雄，胡金芳

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083）

鋰離子電池儲能系統(tǒng)建模與控制策略研究

王志，唐云峰，熊雄，胡金芳

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083）

儲能對功率及能量的時間、空間遷移能力是解決間歇性電源并網(wǎng)輸出波動性、間歇性等一系列問題的有效措施［1-2］。其中，電化學(xué)儲能方式應(yīng)用較為廣泛，但是其并網(wǎng)中的配置及不同工況對其充放電特性有較大影響。因此，需對電池儲能系統(tǒng)控制及充放電特性展開研究以滿足電池安全穩(wěn)定運(yùn)行、快速充放電響應(yīng)和瞬時大功率輸出的要求。

鋰離子電池儲能以其結(jié)構(gòu)簡單，循環(huán)壽命長等特點(diǎn)被逐步應(yīng)用于間歇性電源發(fā)電領(lǐng)域［3-5］。文獻(xiàn)［6-8］從鋰離子電池本體內(nèi)部的損耗角度，建立了等效模型，研究了鋰離子電池充放電特性；文獻(xiàn)［9］研究了不同充放電模式對鋰離子電池系統(tǒng)效率的影響。但是文獻(xiàn)［4］都是在理想充放電情況下，并沒有考慮含變換器的電池安全充放電控制模式及其不同工況下儲能系統(tǒng)的充放電動態(tài)響應(yīng)能力。

基于此，為了更準(zhǔn)確地研究鋰離子電池儲能系統(tǒng)的充放電特性，提出含DC/DC變換器的不同充放電模式控制策略研究。在分析并建立鋰離子電池儲能系統(tǒng)等效模型的基礎(chǔ)上，采用內(nèi)環(huán)為鋰離子電池側(cè)電感平均電流控制，外環(huán)為恒功率、恒流和恒壓切換控制的DC/DC變換器雙閉環(huán)策略。以鋰離子當(dāng)前電池荷電狀態(tài)和充放電功率作為輸入條件，建立模糊控制模塊對其SOC進(jìn)行自適應(yīng)控制，保證其安全運(yùn)行同時，優(yōu)化其運(yùn)行工況。

1 鋰離子電池儲能系統(tǒng)建模

鋰離子電池儲能系統(tǒng)主要包括正負(fù)極板、電解質(zhì)、隔膜與外殼等主要部件組成［8］，其工作原理如圖1所示。

在鋰離子電池工作時，通過鋰離子在正負(fù)極之間的移動來實現(xiàn)電池的快速充放電，而電池結(jié)構(gòu)不會發(fā)生不可逆的變化。當(dāng)電池充電時，鋰離子從正極分離，在負(fù)極中嵌入；當(dāng)電池放電時，鋰離子從負(fù)極分離，在正極中嵌入［9-10］。

圖1 鋰離子電池工作原理結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of Li-ion operating principle

為了反映出鋰離子電池的動態(tài)響應(yīng)特性、輸入輸出的伏安特性以及荷電狀態(tài)隨充放電的變化特性［13-15］，本文建立了鋰離子電池簡化等效電路，如圖2所示。

圖2 鋰離子電池等效電路Fig.2 Equivalent circuit of Li-ion

為了防止鋰離子電池過充或過放，保證鋰離子電池端電壓工作于線性變化區(qū)，SOC取值為0.15～0.8［11］。其SOC隨充放電時間變化特性可表示為：

式（2）中，Pstack為鋰離子電池的輸出功率；Pn為額定功率；Tstep為仿真步長；Trated為鋰離子電池在額定功率輸出下的持續(xù)工作時間。

電壓Us為：式中，Vequilibrium為單體鋰離子電池均衡電勢；R為流體常數(shù)；T為溫度；F為法拉第常數(shù)。

2 基于雙向DC/DC的鋰離子電池充放電控制策略

為了提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性與動態(tài)響應(yīng)速度，本文采用互補(bǔ)型PWM控制的雙向DC/DC變換器，實現(xiàn)能量的雙向傳輸［12-13］，其鋰離子電池儲能系統(tǒng)的主電路框圖如圖3所示。

圖3 鋰離子電池儲能系統(tǒng)主電路框圖Fig.3 Circuit diagram of Li-ion energy storage system

從圖3可以看出，該儲能系統(tǒng)由鋰離子電池組、雙向DC/DC變換器、電壓型三相PWM逆變器以及并網(wǎng)電抗器組成。當(dāng)電網(wǎng)向鋰離子電池充電時，逆變器做整流運(yùn)行，為DC/DC提供前級恒定電源，而當(dāng)鋰離子電池放電時，又通過逆變器實現(xiàn)向電網(wǎng)回饋能量，其中通過控制雙向DC/DC變換器可實現(xiàn)鋰離子電池的恒功率、恒流及恒壓等充放電方式。本文提出的雙向DC/DC控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。雙向DC/DC變換器采用雙閉環(huán)控制方式，其中電流內(nèi)環(huán)采用鋰離子電池側(cè)電感平均電流模式控制，外環(huán)根據(jù)不同工況采用恒功率、恒電流、恒電壓3種控制模式切換［16-18］。

圖4 雙向DC/DC變換器控制框圖Fig.4 Control diagram of bi-directional DC/DC converter

圖4中Pref、Iref及Uref分別為充放電功率、電流和電壓給定值；Pbattery為電池功率；Udc為直流側(cè)電壓；IL為電感電流。

當(dāng)鋰離子電池儲能系統(tǒng)處于頻繁無規(guī)則充放電時，將加速電池儲能壽命損耗，且當(dāng)前充放電指令可能造成鋰離子儲能SOC接近上、下限，從而影響下一次充放電能力，因此有必要對其SOC進(jìn)行控制。在如圖4所示的DC/DC控制模塊基礎(chǔ)上，加入SOC模糊自適應(yīng)控制模塊如圖5所示。

圖5 soc模糊自適應(yīng)控制框圖Fig.5 soc fuzzy adaptive control block diagram

在輸入變量中，Pb為經(jīng)DC/DC控制環(huán)節(jié)后的計算輸出儲能充放電功率指令，SOCb為檢測并計算得到的當(dāng)前剩余電量百分比，可用當(dāng)前電量比上額定電量得到，輸出變量Kb為經(jīng)模糊控制后輸出電池充放電功率指令修正系數(shù)，經(jīng)剩余容量計算可得到以修正功率充放電后電池SOCb2值。建立模糊規(guī)則如表1所示，輸入、輸出隸屬度函數(shù)如圖6所示。

表1 模糊控制規(guī)則Tab.1 Fuzzy control rule

圖6 模糊控制輸入、輸出隸屬函數(shù)Fig.6 Input and output membership functions of the fuzzy control

其中，VS、S、MS、M、MB、B、VB、NB、NM、NS、PS、PM、PB分別代表非常小、小、中小、中、中大、大、非常大、負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、正小、正中、正大。

3 仿真分析

3.1 充放電特性仿真分析

為了驗證所提出的充放電控制策略的合理性及有效性，本文針對含雙向DC/DC變換器的10 kW鋰離子電池儲能系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗證。

以10 kW鋰離子電池儲能系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，分別在3 kW、5 kW、7 kW、10 kW充放電功率和80 A、100 A、120 A、140 A充放電電流工況下，對比鋰離子電池外部端電壓及充放電效率特性變化規(guī)律。

當(dāng)鋰離子電池初始SOC為0.2時，分別以不同功率、電流進(jìn)行一次循環(huán)充放電，其端電壓隨時間變化的響應(yīng)波形如圖7所示。

圖7 不同充放電功率及電流下鋰離子電池端電壓特性Fig.7 Terminal voltage characteristic of Li-ion under the different charge-discharge power and current

從圖7可以看出，隨著充放電功率或電流的增加，端電壓的變化速率加快，其充電電壓升高的范圍隨之變大，而放電電壓降低的范圍也隨之增大，這是由于鋰離子電池內(nèi)部損耗和寄生損耗造成的。這就容易造成電池端電壓越限，工作于不安全狀態(tài)。因此，為了保證鋰離子電池工作在安全充放電電壓范圍內(nèi)及輸出電壓滿足使雙向DC/DC變換器正常工作的要求，需要適當(dāng)?shù)剡x取充放電模式。

設(shè)置不同充放電功率、電流為0～10 kW、0～200 A，使SOC在0.1到0.8之間變化，可以得到鋰離子電池充放電效率與荷電狀態(tài)及充放電功率、電流之間的變化規(guī)律，如圖8、圖9所示。由圖8、圖9變化曲線可以看出，不同充放電功率、電流和變化的荷電狀態(tài)對鋰離子電池系統(tǒng)的效率都有一定的影響。恒定充放電功率或電流下，隨著SOC的增加，效率有所提高；同時可以看出，當(dāng)SOC在0.1～0.2時，效率相對較低，這是由于鋰離子電池工作在非線性區(qū)，造成能量的大量損失；而SOC在0.2～0.8變化時，其效率變化范圍相對較小。

圖8 不同荷電狀態(tài)及充放電功率下鋰離子電池充放電效率特性Fig.8 Charge-discharge efficiency characteristic of Liion under the different SOC and Charge-discharge power

圖9 不同荷電狀態(tài)及充放電電流下鋰離子電池充放電效率特性Fig.9 Charge-discharge efficiency characteristic of Li-ion under the different SOC and charge-discharge current

在SOC一定的情況下，隨著充放電功率或電流的增加，效率呈現(xiàn)出增高-穩(wěn)定-降低的過程，當(dāng)充放電功率或電流達(dá)到3.5 kW或60 A時，效率達(dá)到最高點(diǎn)，在此之后效率會有明顯降低。因此，由圖7效率圖可以看出，在進(jìn)行鋰離子電池充放電選擇的時候，要綜合考慮其充放電模式、能量利用率、電池安全性等因素，從而達(dá)到鋰離子電池儲能系統(tǒng)的安全、有效利用。

3.2 SOC模糊自適應(yīng)控制仿真分析

將1 kW鋰離子電池儲能運(yùn)用到風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電場景中，其中風(fēng)電為2 kW、光伏為1.5 kW，則建立模糊控制器后仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 待跟蹤功率及風(fēng)光實際輸出功率Fig.10 Power to be tracked and actual output curve

圖10中待跟蹤功率為決策者根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行情況下達(dá)的平滑風(fēng)光輸出指令，即為待跟蹤功率指令，在實際運(yùn)行中可根據(jù)當(dāng)前調(diào)度計劃或經(jīng)濟(jì)運(yùn)行來確定，由于不是本文討論重點(diǎn)，在這里省去此步驟。由仿真結(jié)果可知，含有模糊控制器后，風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)能夠很好地跟蹤功率指令，滿足系統(tǒng)需求，這是因為鋰離子電池儲能充放電更加合理，能夠兼顧下一時刻充放電能力同時，較好的跟蹤上一時刻充放電指令。如圖11所示，含有SOC模糊自適應(yīng)控制模塊和未含此模塊下鋰離子電池儲能SOC曲線。SOC1、SOC2分別為加入模糊自適應(yīng)控制模塊前后鋰離子電池SOC曲線。

圖11 SOC曲線對比圖Fig.11 SOC curve comparison chart

由圖11可知，對鋰離子電池SOC進(jìn)行模糊自適應(yīng)控制后，其在充放電過程中SOC2值較SOC1始終維持在更平衡的狀態(tài)下，一方面利于下一時刻充放電的均衡性，另一方面優(yōu)化電池運(yùn)行工況，延長了其壽命。

4 結(jié)論

本文在鋰離子電池?fù)p耗等效電路模型基礎(chǔ)上，提出含雙向DC/DC變換器的鋰離子電池不同模式充放電控制策略，通過仿真研究，驗證了本文所提出的充放電控制策略的有效性，為確保電池儲能系統(tǒng)SOC值維持在合理水平，設(shè)計并建立了模糊自適應(yīng)控制模塊對鋰離子電池SOC進(jìn)行控制，通過風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電場景的仿真，其結(jié)果驗證了所建立模糊控制模塊的正確性。

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（編輯 徐花榮）

Li-Ion Battery Energy Storage System Modeling and Control Strategy

WANG Zhi，TANG Yunfeng，XIONG Xiong，HU Jinfang
（College of Information and Electrical Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China）

研究了含DC/DC變換器的鋰離子電池系統(tǒng)的充放電特性。以鋰離子電池等效電路為基礎(chǔ)，提出了電池側(cè)電感平均電流內(nèi)環(huán)控制及恒功率、恒電流和恒電壓切換的外環(huán)控制DC/DC雙閉環(huán)策略。以鋰離子電池當(dāng)前荷電狀態(tài)和充放電指令為輸入條件，建立模糊控制模塊，基于模糊理論對其充放電進(jìn)行自適應(yīng)安全控制。仿真結(jié)果表明所建立鋰離子模型及控制策略正確性有效性。

鋰離子電池；DC/DC變換器；充放電特性；控制策略；模糊控制

This paper presents a study on the chargedischarge characteristics of the Lithium-ion battery（Li-Ion）energy storage system containing the DC/DC converter.Based on modeling of Li-Ion equivalent circuit，this paper proposes a double closed loop strategy of the DC/DC converter where the inner loop is the average current control on Li-Ion side inductance and the outer loop is the switch control by the constant active power，the constant current and the voltage.Then，with the Li-Ion current state of charge（SOC）and discharge instructions as the input conditions，a Fuzzy Control Module is set up to control its charge/discharge adaptive.The simulation results have proved correctness and effectiveness of the control strategy for the Lithium-ion battery.

Lithium-ion battery；DC/DC converter；chargedischarge characteristic；control strategy；fuzzy control

1674-3814（2015）04-0119-05

TM912

A

2015-02-09。

王志（1989—），男，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)運(yùn)行、控制與規(guī)劃；

唐云峰（1964—），男，副研究員，碩士，從事電力系統(tǒng)及其自動化研究；

熊雄（1988—），男，博士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制、儲能技術(shù)。