储能系统工作原理：解析与优化

储能系统的核心任务是能量交换，为简化处理，假设蓄电池为理想直流电源，不考虑电池损耗等问题。图6.60描述了储能系统的两种基本工作模式。

图6.60　储能系统工作模式图

图6.61　储能系统并网示意图

当蓄电池组向电网放电输出能量时，DC/DC变换器为Boost电路，工作在升压模式，PWM变流器工作在逆变状态；当蓄电池组从电网吸收能量充电时，PWM变流器工作在整流状态，DC/DC变换器为Buck电路，工作在降压模式。PWM变流器为电压源型，直流侧并联电容器与DC/DC变换器输出端相连，稳态运行时，电容电压维持在恒定值。图6.61为储能系统连接无限大电网的示意图。

图6.62　储能系统运行向量图

PWM变流器和三相电网之间通过耦合电抗XE连接，PWM变流器的交流侧输出电压向量为，若忽略高次谐波，则可以把PWM变流器看成可控正弦交流电压源，调节的相位和幅值，便可得到系统所需相位和幅值的输出电流，假设电网电压向量为，PWM变流器输出电压和电流的向量图如图6.62所示，旋转坐标系的d轴与电网电压向量重合，PWM变流器输出电压滞后于电网电压δ角度，输出电流为。

在向量图所示的运行状态下，PWM变流器交流侧输出电压与电流之间的向量关系可以表示为：

滞后电网电压的角度为θ，在电网电压定向的dq坐标系下，的d轴电流代表有功电流，q轴电流代表无功电流，可得PWM变流器从电网吸收的有功和无功功率分别为

由式（6.46）可见，当滞后于电网电压，即δ大于零时，变流器从电网吸收有功功率，变流器工作在整流运行，向直流侧蓄电池充电，DC/DC变换器工作在Buck降压模式运行；当超前于电网电压，即δ小于零时，变流器向电网输出有功功率，变流器工作在并网逆变运行，直流侧蓄电池放电，同时，调节变流器输出电压幅值也可以控制输出功率大小。从无功功率表达式可以得出，改变变流器输出电压幅值，当ut－uEcos δ＜0，变流器向电网输出无功功率；当ut－uEcos δ＞0，变流器从电网吸收无功功率。因此，通过控制PWM变流器的输出电压，可以实现变流器的四象限运行。

1.储能系统的拓扑结构

为了实现功率双向流动，直流侧采用双向DC/DC变换器的拓扑结构，这里使用元器件较少，电路结构比较简单的双向半桥DC/DC变换器，其主拓扑结构如图6.63所示，其中L为变换器直流侧电感，RL为寄生电阻，iL为流过RL和L的电流，ubat为直流电池电压，udc为输出端电容器电压，uin为下桥臂开关管两端电压。

图6.63　DC/DC变换器电路结构

分析双向DC-DC变换器电路的两种运行模式，若Sk为开关管功率器件Sd和Su的开关函数，则有

当Sd＝1，Su＝0时，DC/DC变换器工作在BOOST模式下，开关Sd工作在恒频PWM下，占空比为Dd，等效电路如图6.64所示。

图6.64　BOOST电路工作原理(www.xing528.com)

当Sd导通时，电流流向如图6.64（a）所示，电感线圈L电流线性增加，电能以磁能形式存储在电感线圈中，忽略串联电阻阻值，电感两端电压为ubat；当Sd关断时，等效电路如图6.64（b）所示，电感线圈开始放电，向电容充电，电感两端电压为ubat－udc，在一个开关周期内，电感线圈储存与放出的能量守恒，于是有等式：

则直流输入电压与电容电压的关系可以表示为

可见DC/DC变换器的输出端电压大于直流电源输入电压，为BOOST运行模式，功率从左向右流。

当Sd＝0，Su＝1时，DC/DC变换器工作在BUCK模式下，开关Su工作在恒频PWM下，占空比为Du，等效电路如图6.65（a）所示。当Su导通时，电流由电容器流向电池，给电池充电，如图电感两端电压为udc－ubat；当Su关断时，电流回路如图6.65（b）所示，电感线圈继续放电，给直流电源充电，电感两端电压为－ubat，在一个开关周期内，电感线圈能量守恒，于是有

图6.65　BUCK电路工作原理

则直流输入电压与电容电压的关系可以表示为：

此时，从功率流动方向来看，电路为BUCK电路，电容侧为直流输入端，直流电源侧为输出端，功率从右向左流动。

PWM变流器为三相全桥电压型逆变器，采用SVPWM调制策略，其拓扑结构如图6.66所示，变流器的直流侧为并联电容，连接DC/DC变换器的输出端，变流器网侧出线端通过耦合电感与电网连接。

图6.66　PWM变流器的电路结构图

2.储能系统的数学模型

根据前文介绍的储能系统DC/DC变换器和PWM变换器的拓扑结构，储能系统电路结构如图6.67所示。其中，DC/DC变换器目标是控制直流电池的充电和放电电流，即控制流过RL和L串联通路的电流iL，根据能量守恒原理，直流电源的输出功率等于PWM变流器交流侧的输出功率，因此，电流iL包括两部分，一部分电流用来维持输出端电容器电压稳定，保证PWM变换器正常工作，另一部分作为有功功率电流，最终转换为PWM变流器的有功功率输出。DC/DC变换器的数学模型可以描述如下：

图6.67　储能系统电路结构图

PWM变流器的目标是控制交流侧输出功率，采用功率解耦控制法，同步旋转坐标系d轴与电网电压向量重合，仿照STATCOM逆变器数学模型，交流侧输出电压与电网电压的关系在同步坐标系下表示为