中國儲能網訊：儲能系統(tǒng)是調節(jié)分布式電源性能和保障負荷供電質量的重要環(huán)節(jié)，其中儲能變流器的恒流控制有利于確保儲能電池組的安全以及延長其使用壽命。傳統(tǒng)的線性PI控制難以適應蓄電池系統(tǒng)的非線性和動態(tài)變化特性以及保持原本的性能指標。
本文采用模糊控制算法，根據反饋的誤差及誤差變化率自適應改變控制量。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)響應性能。
當前，綜合利用各種分布式能源的微電網得到了廣泛的關注[1]。在微電網中，風電、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，嚴重影響微電網的電能質量和系統(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發(fā)電更加穩(wěn)定，有利于保障實現(xiàn)“儲能一電網”之間的能量互動。
除此之外，BESS還可以應對電網失電等突發(fā)事件，配合調度系統(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，對于提升儲能變流器性能和改善微電網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能夠達到安全、高效、可靠和經濟運行的必要保證。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構研究、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)的變流器并網控制系統(tǒng)一般采用雙閉環(huán)控制，包括電流內環(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 控制難以適應電池系統(tǒng)和指令的變化以及保持原本設計時的性能指標[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，但并網電流電能質量較差。
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節(jié)時間。
1 儲能系統(tǒng)數(shù)學模型（略）
儲能系統(tǒng)主要的電路結構如圖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[5]：1) 配電網的電動勢采用三相平衡的純正弦波電動勢；2) 交流側的濾波電感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損耗，即將理想開關和損耗電阻串聯(lián)來等效實際的功率開關管;4) 蓄電池等效電路由內阻R和受控電壓源E構成。
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)控制中應用。但在設計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速度的影響。
3 基于模糊外環(huán)恒流控制器設計（略）
為顯著提高系統(tǒng)的響應能力，本文將模糊算法引入外環(huán)控制以適應系統(tǒng)和指令的變化。根據反饋的誤差及誤差變化率自適應改變控制量，從而得到較快的響應速度。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化為數(shù)字控制量。
圖8 基于模糊算法的直流側電流控制
4 儲能變流器恒流控制實驗結果（略）
為了檢驗所用方法對提高系統(tǒng)響應速度方面是否有效，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)學模型，且能提高BESS控制性能的綜合控制策略。
從實驗結果可知，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。
