一種混合儲能光伏并網系統設計

牛 萌，劉海軍，林培峰，梁適春

（1 中電普瑞科技有限公司，北京 102200；2 北京交通大學電氣工程學院，北京 100192）

在儲能技術領域，國外特別是美國和日本研究起步早，成果多并有豐富的工程實際經驗。國內對于儲能領域的研究起步較晚，相關技術水平與國外還有差距。目前大規模儲能技術中只有抽水蓄能技術比較成熟，主要用于電網的調峰、調頻、應急保障以及輔助核電站進行功率調節，但卻受地理環境、建設周期的約束。國內大力發展布置靈活的電池儲能技術包括各類儲能電池如鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池，以及超級電容器等，但目前沒有任何一種儲能技術能全面滿足智能電網接納分布式能源的運行要求[1]。

1 混合型儲能的應用考慮

在實際分布式電源應用中，由于風電和太陽能光伏等發電單元具有間歇性和隨機性的特點，儲能系統作為關鍵的功率補償單元，往往需要頻繁地吸收/發出較大功率。頻繁的大功率充放電或深度放電，造成儲能電池內阻增大、溫度升高、不可逆損耗增加等現象，導致儲能電池容量累積性虧損并在短時間內快速下降，嚴重影響電池的使用壽命。

在國內儲能技術沒有突破性進展的時期，將不同的儲能介質結合起來應用，利用其優勢彌補其不足，將是未來一段時間內的應用方向[2]。對于分布式電源儲能系統，把具有快速響應特性的功率型儲能介質和具有大容量儲能特性的能量型儲能介質相結合，這種混合儲能系統通過對不同儲能介質的協調配合，將有效提高儲能系統的功率輸出能力，優化系統結構，降低設備冗余度，延長儲能電池的循環壽命。

2 儲能介質的應用類型

儲能介質特性各異，運行時間從秒級到小時級不等，按實際應用類型可分為能量型和功率型兩種[3]。

2.1 能量型應用

能量型儲能介質以高能量密度為特點，主要用于需要高能量輸出的場合，可持續提供分鐘級至小時級的功率輸出，在電力系統中主要用于電力調峰、平滑分布式電源、分時管理及熱備用等。目前應用的能量型儲能介質多為電池類儲能，如鋰離子電池、鉛儲能電池、鈉硫電池及釩電池等。

在光伏發電系統中，應用能量型儲能可以在陽光充足時將多余的電能儲存起來，在用電高峰或光照不好時提供電力輸出，充分利用太陽能發電，還可幫助電網應對尖峰負荷。

2.2 功率型應用

功率型儲能介質以高功率密度為特點，主要用于短時高功率輸出，一般提供秒級至分鐘級的功率輸出，作為過渡或短時調節，電力系統中主要用于調頻、改善電能質量等。目前應用的功率型儲能介質主要有飛輪儲能、超級電容器、超導電磁儲能等。

由于功率型儲能介質能夠快速釋放高功率電能，在光伏發電系統中可平衡光照變化導致的電網功率波動，提供有功/無功補償，大大改善電能質量，有助于電網的穩定安全運行。

3 系統配置原理

這套系統是中電普瑞科技有限公司的10 kW光伏-儲能并網系統示范項目，以儲能控制器為控制核心對系統的能量流動進行協調控制，利用MPPT 跟蹤光伏組件最大功率的同時，調整儲能系統的出功，使光伏的能量以恒定功率平穩安全送入電網。

3.1 整體結構

光伏-儲能并網系統的結構如圖1所示。光伏組件產生的電能經儲能控制器，轉換成穩定電能為儲能系統充電，或者通過儲能介質的協調配合以可控功率按需送入電網。儲能控制器是儲能系統的控制核心，通過儲能控制器將各儲能介質統一協調控制，并將能量通過并網變流器送入電網；儲能介質采用鋰電池與超級電容器搭配，與光伏組件并接入儲能控制器；儲能控制器與電池管理系統通信，實時掌握電池的運行或故障狀態，同時與并網變流器及后臺監控系統通信，交換并網信息及功率指令，將關鍵數據實時顯示并保存。此系統所需電池的容量較低，不需要復雜的控制，系統經濟性好，易實現。

圖1 光伏儲能系統的結構圖Fig.1 Structure diagram of PV system with hybrid energy storage

3.2 系統配置設計

3.2.1 光伏組件

光伏組件的設計包括光伏組件與儲能系統的電壓匹配以及光伏陣列的串并聯設計。根據光伏組件的設計要求，光伏陣列電壓等級設計約為儲能電池標稱電壓的1.4倍，保證電池充滿時電壓不會高于光伏組件的設計電壓使電流倒灌。根據系統的功率等級以及光伏組件的自身電壓、電流參數可確定光伏組件的串聯個數，根據系統的裝機容量可確定光伏組件的并聯個數。

3.2.2 儲能系統

儲能系統的設計包括儲能介質容量的設計計算和儲能介質的串并聯設計。對儲能介質容量的選擇需要依據光伏系統的裝機容量以及系統滿發時間，同時充分考慮電池的可用放電深度以及光伏組件可提供電流的大小。儲能介質的串聯個數取決于儲能介質單體的標稱電壓，需要串聯的儲能介質個數等于儲能系統的標稱電壓除以儲能介質單體的標稱電壓，其中儲能系統的標稱電壓由光伏組件的工作電壓及儲能控制器的額定電壓決定，保證儲能系統可靠充電的同時滿足控制器的電壓等級標準。儲能系統內部各儲能介質的標稱電壓應盡量相同，并根據各儲能介質運行時間的不同設計各儲能介質容量。

針對本系統鋰離子電池與超級電容器的配合形式，超級電容器以日照曲線的功率跌落最大值以及跌落時間為配置原則，作為系統瞬時的功率補充，按秒級配置，一般為15~30 s，容量不超過鋰電池額定容量的1/20。

超級電容的容量設計公式為[3]

式（1）中，dV 為超級電容器放電期間端電壓的變化量，它往往由已知的系統工作電壓與系統允許最小電壓的差決定；I 為超級電容器放電電流；C 為超級電容器總容量，它可以是多個超級電容器串并聯的結果，其計算方法與普通電容器串并聯相同，即

式（2）中，npar為超級電容器并聯個數；nser為超級電容器串聯個數；Csin為超級電容器的單體容量。系統最大允許電壓決定超級電容器串聯個數。

鋰電池的設計需容量考慮日均耗電、放電深度、充放電效率等因素，并將鋰電池的投資與收益進行比較。本系統考慮后續擴容，配置容量為系統峰值功率值，最大持續滿功率運行時間為4 h。

3.2.3 儲能控制器

儲能控制器是連接光伏組件、儲能介質以及并網變流器的關鍵部件，具有可擴展的雙向DC/DC模塊，可根據系統等級靈活配置。儲能控制器通過 各電源間的協調控制及保護，與系統其它部分進行通信，保證系統的安全穩定運行。此系統中，儲能控制器共配置三組DC/DC 模塊。光伏控制模塊通過MPPT 控制策略跟蹤光伏組件最大功率，鋰電池與超級電容器的DC/DC 模塊經過統一協調控制按需提供功率，三組模塊各自進行DC/DC 變換后并接至直流母線。

由于光伏組件的電壓等級高于儲能系統的電壓等級，因此儲能控制器輸入側電壓等級高于光伏組件的開路電壓，輸入側功率滿足系統的最大工作功率；并網變流器的輸入側與儲能控制器的直流母線連接，通過儲能控制器的短時功率預測策略將功率指令下達給并網變流器，儲能控制器的直流母線電壓必須嚴格滿足逆變器的直流側電壓范圍，防止系統頻繁啟停。

3.2.4 并網變流器

并網變流器處于電網與儲能控制器之間，在滿足儲能系統充放電特性要求的前提下，可按照電網調度指令，調節輸出的有功功率和無功功率，實現對電網有功功率和無功功率的控制；實時與電池管理系統及儲能控制器通信，提供電網狀態信息及系統的保護控制。

并網變流器的輸出側根據應用場合的不同直接或經變壓器接入配電網，輸入側連接儲能控制器，其功率等級由系統的裝機容量決定，輸入電壓范圍應與儲能系統的充放電電壓范圍相匹配，而儲能系統的最低電壓應大于逆變器的并網啟動電壓，以保證系統正常運行，避免無故掉電。

4 系統運行控制策略

儲能控制器作為系統運行和控制的核心，與系統內各關鍵部件進行功率調節及信息交互，將儲能電池的狀態信息、逆變器的并網信息等上傳至上位機，并根據上位機的相關運行指令進行啟停或功率輸出，并網變流器接收儲能控制器的給定功率值，逆變輸送至電網。

4.1 系統運行控制流程

如圖2所示，系統開始運行后通過與逆變器通信得到是否具備并網條件的信息，并追蹤光伏陣列的最大功率點，實時判斷各種工作情況下的能量調度策略，協調控制系統各發電單元的功率流，保持系統的高效穩定運行。

儲能控制器的工作模式分為光伏并網模式和光伏-儲能并網兩種工作模式，可通過轉換開關進行模式切換。

圖2 系統運行控制流程圖Fig.2 the system operation and control diagram

4.2 光伏并網模式

光伏并網模式時，系統與常見光伏發電系統相同，逆變器工作在MPPT 模式并網發電，儲能系統切斷，當儲能系統需要故障檢修或有特定需要時運行此模式。

4.3 光伏-儲能并網模式

光伏-儲能并網模式是系統的主要工作模式，在此模式下，儲能控制器作為控制核心控制系統的運轉，系統的運行包括自動和手動兩種模式。自動模式下，系統通過跟蹤光伏組件輸入能量調節逆變器并網功率，超級電容承擔濾波功能，儲能電池承擔儲存能量的功能。手動模式主要用于沒有陽光的特殊情況下，依靠儲能電池在其放電周期內以恒功率向電網送電。

4.3.1 自動模式

自動模式下，儲能控制器各DC/DC 模塊進入預先設定的工作模式，光伏模塊工作在最大功率跟蹤狀態；超級電容模塊工作在恒壓狀態，用于吸收短時的光伏輸入能量波動；儲能電池模塊工作在恒流狀態，用于吸收長期的光伏輸入能量波動。

這種狀態下，儲能控制器將計算上一時間段的輸入功率平均值，并令光伏逆變器以此恒定功率值并網發電，從而保證了長時間內系統輸入、輸出功率的基本平衡。較短時間的光照跌落將由超級電容模塊吸收，各時間段內的波動由于平均功率的計算可基本濾除。這種策略有效減少了儲能電池模塊的頻繁充放電，只有能量差額隨著時間積累，超出超級電容的調節范圍時，啟動儲能電池模塊，這樣使儲能電池的壽命大大延長。

4.3.2 手動模式

手動模式下，儲能控制器各模塊預先設定的工作模式為：光伏模塊停機，超級電容模塊停機，儲能電池模塊工作在恒壓狀態，為逆變器提供一個穩定的電源。逆變器功率指令就等于要求的輸出功率指令。設定輸出功率時，根據SOC 狀態反饋一個系統能夠運行時間，供操作人員參考。當電池SOC值過低時，系統報警，自動停機并通知上位機。

5 小 結

本文介紹了一種基于混合儲能的光伏并網系統，配置鋰電池與超級電容器作為儲能介質，儲能控制器作為系統控制核心，完成了與監控系統通信并接受其調度、管理電池組和光伏陣列之間的能量分配協調直流源為逆變器提供穩定的功率支撐。光伏電池模塊工作在最大功率跟蹤狀態，按照光伏輸出功率曲線控制并網變流器并網發電；儲能電池模塊接收電池管理系統的信息，用于穩定直流母線電壓，通過控制超級電容模塊和蓄電池模塊的電流使直流母線對外呈現恒壓源特性；超級電容承擔濾波功能，有效吸收光伏組件的短時功率波動，避免了鋰電池的頻繁充放電，充分發揮了混合儲能系統的優勢，可擴展性強。此系統有效減少了儲能電池的充放電次數，降低了設備冗余度，提高了系統的功率輸出能力，具有良好的經濟意義及應用價值。

[1] Yu Enke（俞恩科），Chen Liangjin（陳梁金）. Characteristics and comparison of large-scale electric energy storage technologies [J]．Zhejiang Electric Power（浙江電力），2011，1：4-8.

[2] Chen Wei（陳偉），Shi Jing（石晶），Ren Li（任麗），Tang Yuejin（唐躍進），Shi Yanhui（石延輝）. Composite usage of muti-type energy storage technologies in microgrid[J]．Automation of Electric Power Systems（電力系統自動化），2010，34（1）：112-115.

[3] Wang Bin（王斌），Shi Zhengrong（施正榮），Zhu Tuo（朱拓），Meng Zhaoyuan（孟昭淵）. Design of controller with ultracapacitor- battery hybrid energy on a stand-alone PV system[J]．Energy Engineering（能源工程），2007（5）：37-41.