淺談基于混合儲能的光伏發電并網系統的能量管理及協調控制

于波，沈嘯軒

（1.國家能源集團德令哈光伏發電有限公司，青海 德令哈 817000；2.華北電力大學，北京 102206）

光伏發電是發展前景良好的清潔型能源。近年來，光伏發電站陸續投入運營，受到光照和溫度等因素的影響，電力輸出功率存在間歇波動性和隨機性，因此，為了維持電網穩定性采用儲能裝置十分必要。

1 儲能技術在光伏并網發電系統中的應用

儲能裝置是光伏并網發電系統中的重要組成部分。通常包括蓄電池、超級電容器。其中，蓄電池成本低廉，但是循環倍率有限制，功率密度較低，因此，無法很好地兼顧蓄電池充放電過程以及電池最大功率跟蹤?？紤]到光伏電站的實際發電規律，采用蓄電池往往充放電循環次數多造成容量迅速失效，使蓄電池壽命縮減。超級電容器是另一種儲能類型。相比蓄電池，超級電容器的循環壽命更長，對充放電次數沒有很多限制，功率密度高，可以實現瞬時功率吸納放出。唯一的不足是不能長時間為負荷提供電能。在當前的光伏并網系統中，通常采用上述兩種儲能類型，實現優勢互補，構建高性能的儲能系統，蓄電池作為長期儲能裝置，超級電容器作為短期儲能裝置，既可以實現能量長時間儲備的目的，而且可以瞬時調節系統的功率，采取合理的能量管理策略。

2 能量管理模型及綜合控制策略

通過對蓄電池和超級電容器容量進行配比，滿足儲能系統的能量管理需求。設計環節應考慮儲能系統的電流吞吐能力，滿足光伏發電系統的脈動電流變化，要留有一定的富裕量。能量管理目標的實現主要是對光伏控制器和并聯控制器進行工況調整。在恒流條件下，超級電容器的充電電壓達到最大功率跟蹤值，光伏控制器的輸出電流減小，此時，光伏控制器在最大功率跟蹤值條件下進入充電工況。當超級電容器的電容量較小時，電壓較低，在最大功率跟蹤值條件下，光伏控制器的輸出電流較大，此時，為恒流模式充電工況，直到達到超級電容器最大功率跟蹤值。超級電容器能量接近上限時，此時，端口電壓接近額定電壓，光伏控制器不再是最大功率跟蹤模式，而進入恒壓模式，保持電壓不變。并聯控制器在設計過程中應考慮儲能系統的容量配置及相關影響因素，如氣候、負荷、光照、溫度等條件下所引起的發電功率變化情況。當蓄電池能量較少時，并聯控制器以恒流模式對蓄電池充電；當蓄電池能量較多時，并聯控制器處于恒壓工況。如果超級電容器的電壓比并聯控制器的輸入電壓下限時，并聯控制器停止運行。當蓄電池容量飽和且系統沒有負載時，也將停止運行。如果充電電流保持恒定，則光伏控制器在超級電容器電壓正常的情況下保持恒流輸出；如果充電電流不能保持恒定，則光伏控制器進入恒壓工作模式或者最大工作跟蹤模式。此時，會存在光伏控制器啟停切換頻繁的問題，為此，采用滯回比較的方式設置并聯控制啟停兩個門限。此外，可能存在蓄電池過放電的問題，對此在蓄電池電壓小于電壓下限時，系統切斷蓄電池和負載之間的連接，使蓄電池充放電狀態合理，延長電池壽命。

在能量管理過程中，大多采用最大功率跟蹤的方式，具體方法包括恒定電壓控制法、擾動觀察法、電導增量法。擾動觀察法和電導增量法在采樣環節存在誤差，因此，會對系統啟動造成不利影響，造成功率波動。在系統由開路電壓轉變為最大功率電壓的過程中，電流變化情況較為劇烈，這種情況更加重了誤差影響，對電流理論值帶來偏差，不利于能量控制的準確性和時效性。為了減少采樣帶來的誤差，將擾動觀察法和電導增量法相結合進行計算。通過檢測功率和電壓的變化數值和變化方向，對系統電壓進行調整使系統快速達到最大功率，然后，根據功率變化情況，采用電導增量法找到最大功率點。根據負載和輸出功率之間的差值確定蓄電池充放電控制策略。由于功率對負載的變化情況更敏感，因此，根據負載和功率之間的差值能夠更快速地對系統瞬時功率進行平衡。采用上述方法可以避免蓄電池在充放電兩種狀態下頻繁切換，而且避免了在大電流高電壓狀態下工作，延長電池的使用壽命，減少電流的劇烈波動。

3 光儲系統中混合儲能協調控制策略及系統仿真分析

基于低通濾波原理來設計混合儲能協調控制策略是一種有效的方式。其原理是光伏電源輸出功率通過濾波器得到光伏電源輸出功率參考值，將之與光伏電源輸出功率值相減，得到混合儲能系統功率指令參考值。然后，這一功率指令參考值通過第二個濾波器，得到高頻分量和低頻分量，其中高頻分量作為超級電容的功率參考值，低頻分量作為蓄電池的功率參考值。由于超級電容器充放電快速，循環次數限制少，因此，優先對超級電容器進行充放電，減少蓄電池充放電次數，延長其壽命。此外，對超級電容器電壓和蓄電池荷電狀態進行檢測，優化得到兩個濾波器的時間常數，從而對混合儲能系統的功率進行調整，合理分配充放電順序。對第一個濾波器的時間常數進行調節可以實現混合儲能系統的過充過放保護。例如，當檢測到超級電容器端電壓和蓄電池荷電狀態達到混合儲能系統過充過放工況時，調小第一個濾波器的時間常數，避免過充過放情況發生。對第二個濾波器的時間常數進行調節，可實現對混合儲能系統的協調控制。當功率指令經過第二個濾波器后，分別得到高頻分量，對應超級電容器功率參考值和低頻分量對應蓄電池功率參考值。有限對超級電容器進行充放電，當超級電容器不能滿足混合儲能系統的功率指令時，再用蓄電池來滿足剩余功率指令。當第一個濾波器時間常數增大時，混合儲能系統的功率指令增大；當第一個濾波器時間常數減小時，混合儲能系統的功率指令減小。第一個濾波器時間常數恒定時，當增大第二個濾波器時間常數，則混合儲能系統功率指令主要由超級電容器承擔；當減小第二個濾波器時間常數，則混合儲能系統功率指令主要由蓄電池承擔。

對超級電容器電壓進行區間劃分，為0、0.2倍最大電壓、0.8倍最大電壓、最大電壓；對蓄電池荷電進行區間劃分，為0、最小荷電、最大荷電、1。由于超級電容器相應速度快，因此，超級電容器優先充放電。混合儲能系統仿真模型根據混合儲能系統功率指令的正負判斷進行充放電動作。當混合儲能系統功率指令為正值時設置為充電，當混合儲能系統功率指令為負值時設置為放電，當混合儲能功率指令為零時不動作，返回上一步。

當混合儲能系統功率指令為正值時，檢測超級電容器端電壓，如果超過0.2倍最大電壓，則優先對超級電容器進行放電，第二濾波器時間常數為極大值。當超級電容器端電壓低于0.2倍最大電壓時，檢測蓄電池荷電狀態，如果荷電狀態超過最小荷電，此時混合儲能系統功率指令主要由蓄電池承擔，超級電容器為輔。當儲能系統進入過放保護區域時，調小第一濾波器時間常數，使混合儲能系統功率指令減小。

當混合儲能系統功率指令為負值時，檢測超級電容器端電壓，如果不超過0.8倍最大電壓，則優先對超級電容器進行充電，第二濾波器時間常數為極大值。當超級電容器端電壓高于0.8倍最大電壓時，檢測超級電容器端電壓是否不超過最大電壓，如果不超過則放電動作由蓄電池承擔，調小第二濾波器時間常數。檢測蓄電池荷電狀況，當荷電不超過最大荷電值，則繼續對蓄電池充電；當荷電超過最大荷電值，此時，儲能系統進入過充保護區域，調小第一濾波器時間常數，使混合儲能系統功率指令減小。

4 結語

光伏發電站具有能量波動大、發電間歇性和隨機性的特點，因此在發電并網環節存在較多的風險。為了提高光伏電站并網平穩性和可靠性，采用蓄電池和超級電容器相結合的方式更好地發揮出混合儲能系統在能量管理中的協同優勢，對于優化蓄電池充放電，延長電池使用壽命創建了積極條件?；诘屯V波原理對混合儲能系統設計協調控制策略，便于更好地保護儲能設備，實現平穩充放電目標。