东北电力大学 严干贵，朱微等：考虑铅炭电池组一致性的储能系统功率控制策略

研究背景

电池储能是提高微电网运行性能的有效手段，电池组特性及其运行路径的差异性导致储能系统各电池组状态一致性变差，将储能系统等效简化为大容量单体电池，据此设计储能系统控制策略，无法考虑单体电池性能差异、单体电池过充/过放对储能系统整体性能的不利影响。本文以铅炭电池储能系统为研究对象，分析了铅炭电池组一致性劣化现象，提出了考虑单体电池性能分散性的储能系统功率控制策略。

电池组一致性劣化现象

以同批次、额定容量为200 Ah、额定电压为2 V、工作电压上限U_max=2.35 V、工作电压下限U_min=1.8 V的铅炭电池为研究对象，实验分析了12节铅炭电池串联成组后一致性劣化现象，图1为常温(25 ℃)下以2.3 A恒流放电实验各单体电池电压变化曲线。

图1  常温下2.3 A恒流放电实验单体电池电压变化曲线

电池荷电状态(SOC)与其工作电压近似线性相关。随放电深度的递增，电池组单体电池电压分散性增大，电池组一致性劣化程度加剧。SOC为3.6%（放电持续83.8 h）时，单体电池电压抵达电压下限，电池组电压极差达到100 mV。

功率控制策略设计

储能功率控制时考虑单体电池性能分散性对电池组整体性能的不利影响，设计基于电压极差变化量反馈的储能电池组功率控制策略，抑制电池组一致性劣化加剧，提高储能系统运行安全性。功率控制策略示意如图2所示，图中P_b(t)和P*_b.con(t)分别为储能系统功率和功率控制策略调节后储能系统功率，b为基于单体电池电压极差变化量(Δr )反馈的储能系统功率修正系数，令注入主网目标功率为P*(t)，则有：

P (t )=P_W(t )+P_P(t )-P_L(t )-P_E(t )           （1）

P_b(t )=P (t )-P ^*(t )                       （2）

式中：P_W(t )，P_P(t )，P_L(t )，P_E(t )分别为风力发电输出功率、光伏发电输出功率、常规负荷用电功率、EV充电功率。

图2  储能功率控制策略框图

a(U_max-U_min)/100为功率控制策略作用阈值，其中，a为电池组一致性调节系数。若电池组电压极差变化量Δr (t )小于阈值，储能电池组功率保持原值。若Δr (t )超过阈值，表明储能电池组一致性劣化程度严重，需要降低储能电池组调节功率，储能电池组功率乘以修正系数b。

算例分析

在MATLAB/Simulink仿真平台搭建如图2所示电池储能平抑微电网注入主网功率波动算例系统，其中风电、光伏额定装机容量分别为10 kW和6 kW。电池储能系统为108节额定容量200 Ah、工作电压范围1.8 V~2.35 V(额定电压为2 V)的铅炭电池串联组。设计SOC为24%和70%的2种初始荷电工况储能调控算例，微电网某日（24 h）P (t )，P (t )*，P_b(t )变化曲线如图3所示，假设微电网日运行条件不变，下面分析采用所提出的考虑单体电池性能分散性的储能系统功率控制策略的有效性。

图3  注入主网功率、注入主网目标功率和

储能电池组功率

以SOC为24%算例为例，基于本文控制策略（有控）、考虑SOC约束控制策略和无任何约束的功率控制策略（无控）的储能电池组功率、SOC和电池组电压极差分别如图4至图6所示。

图4  3种运行控制策略下储能电池组功率曲线

图5  3种运行控制策略下储能电池组SOC曲线

图6  3种运行控制策略下储能电池组

电压极差变化量曲线

由图5可知，采用所提出控制策略(有控)，SOC变化范围为19.17%~27.44%，而仅考虑SOC约束、无控下SOC变化范围分别为17.89%~27.42%和11.58%~27.42%，有效防止因SOC大范围波动而引起的电池组一致性劣化加剧。

由图6可知，采用所提出控制策略，电池组电压极差变化量范围为55~129 mV，而仅考虑SOC约束、无控下电池组电压极差变化量范围分别为55~141 mV和55~203 mV，电池组电压极差加剧程度显著减小，电池组一致性提高。

有控和无控下微电网注入主网目标功率如图7所示。由图可知，随着运行时间的延长，P^*(t )和P^*(t )' 的差异略有增大，但是4个调度周期内P^*(t )与P^*(t )' 的最大偏差量仅为0.35 kW，微电网与电网交互电量偏差率仅为0.01%，不影响微电网的运行性能。

图7  控制策略前后注入主网目标功率

结语

针对忽略单体电池性能分散性可能导致电池过充/过放而危及电池使用寿命和储能运行安全问题，基于铅炭电池组充放电实验数据，揭示了当电池组SOC达到某阈值后单体电池电压分散性随SOC的递增/递减而加剧的一致性劣化现象，提出了考虑单体电池性能分散性的储能系统功率控制策略，设计了铅炭电池储能平抑含风电、光伏的微电网注入主网功率波动算例系统，算例结果表明：与不控相比，在SOC为24%和70%的2种初始荷电状态下，本文所提功率控制策略的储能系统SOC变化范围分别缩小47.8%和50.9%，电池组电压极差加剧程度分别降低50%和48.1%，能够有效抑制电池组一致性劣化加剧，扩大储能系统双向调节潜力。

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