光伏電力混合儲能系統的能量管理策略研究

姚維平， 鄂志君， 張 寧， 楊幫宇， 劉 偉， 劉 晨

（1.國網天津市電力公司， 天津 300072； 2.北京清大高科系統控制有限公司， 北京 102208； 3.東華大學，上海 200051）

0 引言

近年來， 可再生能源 （Renewable Energy Sources， RES） 在普通民用住宅和工業生產領域中的應用愈加廣泛。 光伏（Photovoltaic， PV）發電技術在各種RES 解決方案中，已經有相當多的應用場景[1]，[2]。

在光伏電力系統中， 電池能量存儲（Battery Energy Storage， BES） 單元在維持電能持續供應方面具有重要的作用[3]，[4]。 傳統的BES 單元主要使用鉛酸電池作為存儲介質，隨著技術的不斷發展，鋰離子電池憑借自身能量密度高、轉化效率好等特點，成為一種全新的技術解決方案。 無論采用哪種BES 結構作為基本的儲能單位，都需要對鏈路中的電源進行控制，進而維持電網中的電流強度， 保護BES 單元的使用壽命和輸出穩定性。適當的電源管理對于實現系統的高性能運行至關重要[5]，[6]。

文獻[7]，[8]表明，與傳統的電力系統相比，光伏電力系統在成本和轉換效率中具有明顯的優勢。 由于光伏電力系統一般通過直流電力傳輸系統進行輸送， 因此無法在普通家庭和大多數的工業應用場景中直接使用， 需要進行直流電和交流電之間的模式轉換， 但是這種轉換會導致系統能量損耗，并會干擾電路中正常的電流強度[9]～[12]。

為了解決上述問題， 同時增強電網的整體穩定性， 本文提出了一種用于光伏電力混合儲能系統的能量管理策略， 該策略主要通過優化電網中各個獨立電源的控制來實現總體的能量管理。

1 光伏電力混合儲能系統的能量管理策略

PV，BES 和直流負載傳輸是目前電力系統中最常用的3 種技術。 為了更好地探究電力系統中的能量管理策略，本文對直流傳輸系統（DC）和交流傳輸系統（AC）的傳輸狀態進行了對比，結果如表1 所示。

表1 以直流和交流為中心的系統架構比較Table 1 Comparison of system architecture centered on DC and AC

從表1 中可以看出： 以直流為中心的傳輸系統為電池能量儲存系統提供了最佳的充電保護；以交流為中心的傳輸系統， 通過減少光伏電源到交流負載的轉換級數，保護了BES 系統的穩定運行， 為電池組的靈活部署提供了有效的保證。 因此，在以交流為中心的傳輸系統中，可以靈活地配置BES 單元。

當系統控制器未適當管理能量流時， 就必須考慮安全隱患。 當光伏電力系統中的總發電量超過BES 系統的最大值時，系統的充電電壓和電流就會超過電池系統的上限， 對儲能系統造成不可逆的損壞。本文所提出的能量管理策略，可以在穩定傳輸系統內部電流的情況下， 通過電源控制器使BES 系統在充放電過程中，保持穩定的電流變化曲線[13]。為了保持光伏電力系統的穩定運行，需要將電網中的電流和電壓控制在Vbatmax和Ibatmax以內。同時為了防止儲能系統的過度充放電，電源轉換器應滿足如下條件：

式中：（VM+vm）為交流電壓的幅值；（fn+Δf）為基波頻率；（θ0+θ）為相電壓。

根據式（2），電池轉換器可以控制與交流電源線有關的3 個獨立參數：（VM+vm），（fn+Δf）和（θ0+θ）。 這3 個獨立的參數組合成一個更復雜的通信結構， 其中電池轉換器通過交流電源線與其他分布式電源轉換器進行通信。

電池轉換器可作為具有電壓控制功能的電壓源逆變器，直接控制輸出電壓的產生（幅值、頻率和相角），具體如下所示：

圖1 為使用電池轉換器和并網光伏逆變器的混合電力傳輸系統的控制框圖， 其中并網光伏逆變器控制結構具有最大功率點跟蹤和功率縮減功能。光伏逆變器的控制器不斷監視電網參數，并在檢測到接收信號cF發生特定變化的情況下對傳輸模式進行解調。從圖1 中可以看到，BES 充電曲線依賴于電力線的間接控制， 而無需依靠其他有線通信方式。

圖1 控制框圖Fig.1 Control block diagram

通常使用以下3 種方法實現電池轉換器（發射器）和PV 逆變器（接收器）之間的通信：

①cF的線性變化；

②cF基于模式的變化；

③數字調制傳輸。使用此特定方法，電池轉換器對可控制的載波信號cF進行調制，光伏逆變器以類似于模數轉換的方式對信息進行解調。 cF的變化以0 和1 的格式提供信息。例如，如果電壓相位角是用于通信的信號， 則以二進制頻移鍵控（Frequency Shift Keying， FSK）的形式使用。 在這種特殊情況下，發射器（電池轉換器）會引入cF的變化， 然后檢測并解調此時傳輸系統中電路的電流變化情況。

表2 為在電池轉換器和光伏逆變器分布式發電機中電源管理控制器的設計要求。

在本文所提出的光伏電源混合儲能控制策略中，電源管理控制需要與多個交流網絡進行連接。這種連接和控制方式可以完成多階段的充電狀態監控以及外部發電機之間的信息同步和傳遞工作。

2 基于頻率控制的能量均衡和減載策略

本文基于頻率的電源管理控制為BES 的多級充電功率平衡和減載提供了一種魯棒的方法，該方法可以有效減少系統的能量損耗， 增強整個鏈路的穩定性，控制結構如圖2 所示。

圖2 用于電池轉換器線路頻率控制的通用控制結構Fig.2 General control structure for line frequency control of battery converter

圖2（a）為本文設計的一種通過控制光伏逆變器的功率來間接控制電池充電電壓和電流的網格結構。 當檢測到反向功率/電流時（按常規的充電模式Pdc>0 或Idc>0），數字開關kchg被關閉。兩個控制器的輸出（GdcV，GdcI）相加并在最大值Δfmax之下限制整個系統的擾動。

電池轉換器的控制器是利用線性頻率變化設計的，其中cF=Δf，并且需要依賴電流、電壓和SOC參數。考慮到系統電源管理，可以設計具有減載功能的以直流和交流為中心的電源系統。 減載功能擴展了通信機制的適用性， 使其可用于交流負載管理和PV 逆變器。 如果電力系統使用BES 的電力儲備運行，或者預測RES 的可用性較低（例如，冬季太陽輻照度水平較低），則減載功能將發揮作用。在這種模式下，交流負載按預定的優先順序關閉。圖2（b）為在孤島離網模式下運行的電池轉換器，以及帶有可控斷路器的交流面板，用于分配交流負載。 電池轉換器可直接對SOC/SOH（SOH 為電池健康度）進行BES 監控，并控制交流斷路器的位置（斷開或閉合）。交流減載模式（常規放電模式Pdc<0，Idc<0）的過渡（kdis=on）通過使用如下頻率梯度公式實現：

具備減載功能的電源管理策略可以在電池轉換器控件內或交流斷路器中（遠程控制，集成在配電面板上）實現。配電面板旨在通過使用控制方程cF來控制交流斷路器[圖2（b）]。在這種情況下，電池轉換器通過向下的頻率變化間接命令斷路器改變其狀態，如式（6）所示。

當SOC 降低到一定限制以下時 （即SOClim=50%），BES 的充電狀態受到持續監控， 非關鍵負載通過控制功能關閉，如圖2（b）所示。

2.1 BES 充電電源系統分析

圖3 具有線頻控制和通信能力的以交流為中心的電力系統中能量流控制的按鍵波形Fig.3 Button waveform of energy flow control in AC-centric power system with line frequency control and communication capabilities

圖3 為具有線頻控制和通信能力的以交流為中心的電力系統中能量流控制的按鍵波形。 圖3（a），（b）顯示了在電池轉換器中實現的多級充電曲線，以滿足BES 的穩定工作需求。 電池轉換器將BES 的SOC 和SOH 參數維持在一個穩定的區間。

在t1時，啟動BES 充電周期，直流電壓（Vdc）和電流（Idc）隨著光伏能源的使用而增加。在t2時，電池轉換器將線路頻率從其標稱值上移（fn→fabs），這是由于直流電壓接近吸收水平（Vabs）。光伏逆變器輸出功率開始從瞬時功率Pm減少至電壓吸收功率（Pabs）。 在t3時，直流電流從體電流（Ibulk）降低到可吸收電流（Iabs），導致頻率由可吸收頻率→極限頻率變化（fabs→flim），進而使PV 逆變器的功率削減（flim）。在t4之后，電池整流器的充電曲線轉變為浮充階段，隨著臨近浮動頻率（ffloat），進一步推動頻率變化， 而光伏逆變器會自動減少發電量浮動功率（Pfloat）。

2.2 BES 放電減載

在低輻照度條件下， 光伏能量不足以滿足交流負載需求。 交流負載減少操作如圖3（c）所示，在較高的交流負載需求期間變為活動狀態。 電池SOC 電量較低時（SOC

3 仿真與數據分析

圖4 使用鉛酸電池進行放電和多階段充電的能量管理策略實驗Fig.4 Energy management strategy experiment using leadacid batteries for discharge and multi-stage charging

圖5 使用鋰離子電池進行放電和多階段充電的能量管理策略實驗Fig.5 Energy management strategy experiment using lithiumion batteries for discharge and multi-stage charging

圖4，5 顯示了能量管理策略在住宅離網應用中的實驗結果， 其中頻率線性變化用于功率流控制，并使用了光伏電源、交流負載和鉛酸、鋰離子兩種電池。實驗評估表明，使用鉛酸電池和鋰離子電池的結果相似。 在t0→t1，太陽輻照度可以忽略不計，并且光伏逆變器不收集任何能量。電池以放電模式工作，為交流負載供電（PACload=1 kW）。 在t1時，PV 轉換器開始發電（PpvAC），可用太陽能PpvAC大于交流負載PACload，能量流向電池端口。在t2時，電池電流（Idc）和電壓（Vdc）開始增加，電池轉換器改變頻率[圖5（c）]。 當頻率增加時，光伏轉換器降低輸出， 直到達到功率平衡為止：PpvAC=PACload+Pdc。在t3時，控制算法降低了充電電流基準（），進入限流運行模式。 電池轉換器增加了頻率， 導致PV 轉換器功率削減（Plim）。在t2→t4，電池以吸收模式進行充電。 在t4時，控制算法降低了充電電壓基準（），進入恒壓、浮充工作模式。 在此基礎上，電池轉換器再次增加頻率，使得PV 轉換器進一步減少輸出功率。

4 總結

本文提出了一種針對電源系統的靈活電源管理策略， 可以在含有電池轉換器和光伏逆變器的系統中高效地使用。 該能量管理策略能夠充分利用電力系統中組合架構之間的連接關系， 有效緩解了電池能量存儲所產生的過充電、欠充電問題，并將充放電電流控制在一個相對穩定的范圍內，延長了電池的使用壽命。通過設計實驗，證明了本文所提策略可以使用于多種實際應用場景， 有效增強能量的轉換效率，降低使用成本。