基于智慧蓄電池的光伏儲能系統及其控制策略

王超，胡浩，鄭煉，2，吳鐵洲，詹敏，鮑岧

（1.湖北工業大學太陽能高效利用及儲能運行控制湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430068；2.武漢培芳李科技有限公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

在“碳達峰、碳中和”的背景下，光伏等可再生能源發電占電網比例逐漸提高，而光伏發電系統的輸出功率具有隨機性和波動性，不能滿足電網調峰、調頻的要求，對電網的安全運行造成威脅[1]，因此須在光伏系統中加入儲能系統[2]，[3]。

常規的光伏儲能系統主要由電池包（battery pack）和集中式儲能變流器構成。蓄電池經串、并聯組成電池包，電池包對蓄電池的一致性要求較高，不同容量、新舊狀態的蓄電池同時使用會降低蓄電池的充放電效率，同時電池包的容量、壽命也會大大縮減，嚴重時甚至導致火災、爆炸等安全問題[4]，[5]。相同標稱容量、相同狀態的蓄電池組成電池包后，由于蓄電池實際容量參數的不一致性，電池包容量會下降3%～10%，且在使用過程中，蓄電池老化速度的差異會進一步加大蓄電池容量不一致性，引起電池包容量下降。通過給電池包添加均衡電路，可以降低電池包中蓄電池的不一致性。均衡電路分為主動均衡和被動均衡[6]。被動均衡通過能量消耗來實現蓄電池SOC均衡。主動均衡通過變換器，將高能量蓄電池中的能量轉移到低能量的蓄電池中[7]。文獻[8]對蓄電池組采用被動均衡，提高了蓄電池容量的一致性，但浪費了大量能量。文獻[9]，[10]對蓄電池進行主動均衡，提高了蓄電池容量的一致性，但控制電路復雜，需要增加專門的均衡電路，增加了光伏系統的成本。

本文提出了一種基于智慧蓄電池的光伏儲能系統方案。在方案進行蓄電池SOC均衡時，不需要消耗能量，提高了能量的利用率，且不需要增加專門的均衡電路，提高了電路器件的利用率，降低了系統成本。本文所提出的基于智慧蓄電池的光伏儲能系統將分布式模塊化變流器技術、物聯網技術、智能控制技術與蓄電池有機融合，是一種新的光伏儲能系統的組成結構，符合能源系統向數字化、智能化發展的未來趨勢。該結構除了可以實現本文所論述的電池SOC均衡控制等功能外，還可以融入電池安全管理、蓄電池SOH監控等重要功能。

1 含儲能的光伏系統組成結構

目前，常規含儲能的光伏系統主要由光伏陣列、蓄電池、集中式儲能變流器和逆變器組成。其對蓄電池一致性要求較高，蓄電池不一致性問題導致電池包可用容量和使用壽命都顯著降低。本文提出的基于智慧蓄電池的光伏儲能系統，不需外加集中式儲能變流器，采用分布式模塊化變流器作為儲能變流器，同時還可以靈活有效的對蓄電池SOC進行均衡，提高電池包的可用容量，延長蓄電池的使用壽命。含儲能的光伏系統結構如圖1所示。

圖1 含儲能的光伏系統組成結構圖Fig.1 Composition structure diagram of photovoltaic system with energy storage

2 基于智慧蓄電池的光伏儲能系統設計

2.1 智慧蓄電池單體結構設計

在設計智慧蓄電池時，將物聯網（Internet of Things，IoT）、人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術、分布式模塊化變流器技術與蓄電池相結合，使蓄電池變成可感知、可通信、可思考、可行動的“智慧生命體”。

本文所提出的智慧蓄電池有2種正常工作模式：直流電壓源和直流電流源。2種故障模式：短路模式和開路模式。圖2為智慧蓄電池組成結構圖。智慧蓄電池單體的電氣部分與蓄電池的接口為DE，其由2根電源線構成。智慧蓄電池對外有輸出接口AB和通信接口。

圖2 智慧蓄電池組成結構圖Fig.2 Structure diagram of smart battery

本文智慧蓄電池系統中，電力電子主電路采用半橋電路，如圖3所示。

圖3 基于半橋電路的智慧蓄電池主電路Fig.3 Main circuit of smart battery based on halfbridge circuit

智慧電池輸出控制結構圖如圖4所示。

圖4 智慧蓄電池輸出控制結構圖Fig.4 Control structure diagram of output mode of smart battery

當智慧蓄電池工作于電壓源輸出模式時，U為輸出電壓，Uref為輸出電壓給定值，ΔU為電壓誤差，ΔD為開關管M1占空比的調節量。當智慧蓄電池工作于電流源輸出模式時，i為輸出電流，iref為輸出電流給定值，Δi為電流誤差。

2.2 智慧蓄電池的光伏儲能系統構建方法

基于智慧蓄電池的光伏儲能系統的總輸出有直流電壓源、直流電流源2種工作模式，可以在2種模式間切換，并且直流電壓源的輸出電壓可調節，直流電流源的輸出電流可調節。

基于智慧蓄電池的光伏儲能系統的構建方法如圖5。另外，因為本文所提的智慧蓄電池和基于智慧蓄電池的儲能系統的輸出特性相同，因此可以把基于智慧蓄電池的儲能系統等效成1個智慧蓄電池，形成嵌套，構成更大的儲能系統。基于智慧蓄電池的光伏儲能系統不再需要外加集中式儲能變流器，提高了光伏儲能系統的性價比，圖6為基于智慧蓄電池的光伏儲能系統結構示意圖。

圖5 基于智慧蓄電池的光伏儲能系統構建流程圖Fig.5 Process diagram of PV energy storage system based on smart batteries

圖6 基于智慧蓄電池的光伏儲能系統結構示意圖Fig.6 Structure diagram of PV energy storage system based on smart batteries

3 基于智慧蓄電池的光伏儲能系統控制策略

3.1 基于智慧蓄電池的光伏儲能系統總體控制策略

根據分層遞階智能控制理論的啟示，建立基于智慧蓄電池的光伏儲能系統的3層智能控制策略：第1層為組織級，第2層為協調級，第3層為執行級。組織級的輸入條件是系統的總體要求，協調級的輸入條件是組織級的輸出條件，由通信網絡的軟硬件構成，協調級根據輸入條件給分配每只智慧蓄電池工作模式、輸出電壓或電流的目標值，并輸出給執行級。執行級的算法運行于智慧蓄電池單體上，根據協調級給出的工作模式和目標值，執行級運用PID控制等經典控制理論來實現控制目標。執行級還對蓄電池的荷電狀態SOC和健康狀態SOH進行估算，通過協調級上報給組織級。圖7為總體控制策略圖。

圖7 總體控制策略圖Fig.7 Diagram of overall control strategy

3.2 基于智慧蓄電池的光伏儲能系統SOC均衡控制策略

3.2.1 蓄電池SOC均衡控制策略

基于智慧蓄電池的光伏儲能系統SOC均衡可分為組間均衡和組內均衡，組間均衡是使組與組之間電池串的SOC保持均衡,組內均衡是指同一組內各個蓄電池的SOC保持均衡。

本文中用變量j表示蓄電池組的組號，j=1，2，…，N；用變量i表示智慧蓄電池在組內的順序編號，i=1，2，…，M。假設在某時刻基于智慧蓄電池的光伏儲能系統中一個蓄電池的荷電狀態為SOCij，經過較短時間t1后，基于智慧蓄電池的光伏儲能系統中所有蓄電池的荷電狀態達到均衡，此時蓄電池的SOC值為SOC0。用Qij表示基于智慧蓄電池的光伏儲能系統中對應蓄電池的標稱容量，基于智慧蓄電池的光伏儲能系統輸出電壓、電流值為Uo，Io。確定了擬達到均衡的時間t1后，基于智慧蓄電池的光伏儲能系統對外做功為

3.2.2 蓄電池SOC均衡對光伏儲能系統能量消納能力影響分析

圖8中，蓄電池長度表示蓄電池的可用容量，陰影部分表示蓄電池內的電量。為模擬光伏儲能系統中蓄電池容量存在差異的狀態，選取1只容量較小的蓄電池和2只容量較大的蓄電池串聯構成電池組，對其充放電進行分析。在無均衡電路的光伏儲能系統中，由于電池組中蓄電池容量的不一致性，串聯電池組的可用容量是由容量最小的蓄電池單體決定的。充電時，容量最小的蓄電池的電量首先充滿，為防止容量最小的蓄電池過充，電池組停止充電，但此時組內其他蓄電池并未充滿；放電時，容量最小的蓄電池的電量最先放空，為防止容量最小的蓄電池過放，電池組停止放電，此時組內其他蓄電池還有電量無法釋放。并且，容量大的蓄電池始終充不滿或放不完電，蓄電池的容量得不到有效的利用，降低了電池組的可用容量。在基于智慧蓄電池的光伏儲能系統中，通過控制各個蓄電池充放電的速度，使各個蓄電池SOC均衡，從而使所有蓄電池的容量都得到有效利用，提升了電池組的可用容量。另外，現有的帶均衡電路的光伏儲能系統，需要增加專門的均衡電路，相較于此類儲能系統，基于智慧蓄電池的光伏儲能系統將分布式模塊化變流器“一物兩用”，同時作為儲能變流器和均衡電路，提高了電路器件的利用率，降低了系統成本。

圖8 光伏儲能系統可用容量對比分析示意圖Fig.8 Comparative analysis of the available capacity of PV energy storage systems

4 實驗及結果分析

4.1 基于智慧蓄電池的光伏儲能系統SOC均衡實驗及分析

選用7只12 V/7 Ah蓄電池，2只12 V/3.3 Ah蓄電池，制作了由9只蓄電池構成的3×3基于智慧蓄電池的光伏儲能系統樣機，3×3指3只智慧蓄電池先串聯構成1組，再將3組并聯構成基于智慧蓄電池的光伏儲能系統。在9只蓄電池中選用2只不同容量的蓄電池，主要基于兩方面考慮：①為了模擬光伏儲能系統中由于蓄電池老化速度不一樣，導致蓄電池容量有較大差異的情況；②為了檢驗儲能系統對于不同容量、不同狀態的蓄電池的適應性。圖9為3×3實驗儲能系統樣機圖，圖10為實驗儲能系統恒壓輸出模式電壓紋波圖。

圖9 儲能系統實驗樣機圖Fig.9 Prototype diagram of experimental energy storage system

圖10 實驗儲能系統恒壓輸出電壓紋波圖Fig.10 Voltage ripple diagram of constant voltage output mode of experimental energy storage system

智慧蓄電池采用STM32F103C8單片機作為主控單元，通信模塊采用NRF24L01芯片，電流檢測采用INA225芯片。3×3基于智慧蓄電池的光伏儲能系統實驗樣機輸出設置為直流電壓源模式，總輸出電壓為18 V。未進行SOC均衡時，各智慧蓄電池的輸出電壓或電流采用平均分配策略，工作于電壓源模式的智慧蓄電池輸出電壓自動設置為6 V，工作于電流源模式的智慧蓄電池輸出電流自動設置為總負載電流的1/3。輸出電壓用萬用表測量，電壓紋波用示波器顯示，觀測其交流耦合時的峰峰值和有效值。總輸出電壓的測量結果為18.021 V，電壓紋波小于50 mV。實驗表明，所構建的基于智慧蓄電池的光伏儲能系統能夠穩定運行，如圖11所示。

圖11 均衡實驗中蓄電池SOC隨時間變化關系Fig.11 Relationship of battery SOCs and time of the equalization experiment

智慧蓄電池的光伏儲能系統輸出電壓為18 V，負載電阻值約為2.5Ω，采用開路電壓法和安時積分法對電池SOC進行聯合估算，通過開路電壓法獲得蓄電池SOC初值，安時積分法在線估算SOC值，所獲得的SOC值通過單片機串口上傳至上位機。將均衡閾值設定為2%，對每一個蓄電池的SOC估算值進行比較，當任意兩個蓄電池SOC差值的絕對值小于2%時，停止均衡操作，反之則繼續均衡。蓄電池SOC隨時間變化如表1所示。

表1 均衡前后蓄電池SOC值Table 1 SOC values of batteries before and after equalization

由表1可知，均衡前9只蓄電池的SOC值標準差為3.35%，均衡后為0.39%，蓄電池的SOC一致性得到明顯改善。蓄電池SOC均衡過程中，基于智慧蓄電池的光伏儲能系統輸出電壓始終穩定在18 V，且電壓紋波小于80 mV。實驗結果表明，基于智慧蓄電池的光伏儲能系統的輸出電壓保持穩定，同時能夠實現蓄電池SOC均衡。

4.2 光伏儲能系統能量消納能力對比實驗

對基于智慧蓄電池的光伏儲能系統和常規光伏儲能系統的消納能力進行對比實驗。兩種光伏儲能系統所用的蓄電池數量和規格相同，兩種光伏儲能系統均使用了9只蓄電池，總容量均為667.2 Wh，兩種儲能系統額定電壓均為36 V。進行對比的兩種光伏系統均使用1塊60 W單晶硅太陽能電池板，該太陽能電池板最大功率點電壓為18 V；負載均采用5Ω的大功率電阻，負載電壓為18 V。實驗中光源使用太陽光模擬器，使兩種光伏儲能系統光照條件基本相同；常規光伏儲能系統中BMS（Battery Management System）對蓄電池的過充保護電壓為14.5 V、過放保護電壓為10.5 V。使用日置PW3390功率分析儀測量光伏儲能系統充入、放出的能量。圖12為兩種光伏系統實物圖。將蓄電池的能量放空后，開啟太陽光模擬器，斷開模擬負載，太陽能電池板對光伏儲能系統充電，待光伏儲能系統充滿后，從功率分析儀讀取充入光伏儲能系統的能量值；再關閉太陽光模擬器，接通模擬負載，將光伏儲能系統中能量放空，從功率分析儀讀取光伏儲能系統放出的能量值，此為一個充放電循環。選取3次充放電循環實驗數據，對兩種光伏儲能系統能量消納能力進行對比，如表2所示。實驗數據表明基于智慧蓄電池的光伏儲能系統平均可充入的能量比常規光伏儲能系統高出34.9%、平均可放出的能量比常規光伏儲能系統高35.1%。

圖12 兩種光伏儲能系統實物圖Fig.12 Prototype diagram of two kind of energy storage systems

表2 光伏儲能系統充放電能量值Table 2 Charging and discharging energy value of photovoltaic energy storage syste msWh

基于智慧蓄電池的光伏儲能系統的能量消納能力與常規光伏儲能系統相比有明顯提升，但具體提升的百分比數值與儲能系統中蓄電池的容量差異和連接關系有關，在本實驗的條件下，基于智慧蓄電池的光伏儲能系統的能量消納能力提升了約35%。

5 結論

本文提出了一種基于智慧蓄電池的光伏儲能系統的構建方法，并分析了該系統蓄電池SOC均衡控制策略。通過理論分析和實驗可知，與常規光伏儲能系統相比，本文所提出的基于智慧蓄電池的光伏儲能系統具有以下特點：①使用分布式模塊化變流器替代集中式儲能變流器。分布式模塊化變流器可以靈活有效地進行蓄電池SOC均衡。本文蓄電池SOC標準差從3.35%下降至0.39%；②與常規光伏儲能系統相比，本文蓄電池的光伏儲能系統的能量消納能力提升了約35%。