基于智慧蓄電池的光伏儲能系統(tǒng)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(yè)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(fā)電占電網比例逐漸提高，而光伏發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)中加入儲能系統(tǒng)[2]，[3]。

常規(guī)的光伏儲能系統(tǒng)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(tài)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(tài)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(tǒng)的成本。

本文提出了一種基于智慧蓄電池的光伏儲能系統(tǒng)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(tǒng)成本。本文所提出的基于智慧蓄電池的光伏儲能系統(tǒng)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(tǒng)的組成結構，符合能源系統(tǒng)向數字化、智能化發(fā)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(jiān)控等重要功能。

1 含儲能的光伏系統(tǒng)組成結構

目前，常規(guī)含儲能的光伏系統(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 含儲能的光伏系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(jié)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(tǒng)構建方法

基于智慧蓄電池的光伏儲能系統(tǒng)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(jié)，直流電流源的輸出電流可調節(jié)。

基于智慧蓄電池的光伏儲能系統(tǒng)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(tǒng)的輸出特性相同，因此可以把基于智慧蓄電池的儲能系統(tǒng)等效成1個智慧蓄電池，形成嵌套，構成更大的儲能系統(tǒng)。基于智慧蓄電池的光伏儲能系統(tǒng)不再需要外加集中式儲能變流器，提高了光伏儲能系統(tǒng)的性價比，圖6為基于智慧蓄電池的光伏儲能系統(tǒng)結構示意圖。

圖5 基于智慧蓄電池的光伏儲能系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)控制策略

3.1 基于智慧蓄電池的光伏儲能系統(tǒng)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(tǒng)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(zhí)行級。組織級的輸入條件是系統(tǒng)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(zhí)行級。執(zhí)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(zhí)行級運用PID控制等經典控制理論來實現控制目標。執(zhí)行級還對蓄電池的荷電狀態(tài)SOC和健康狀態(tài)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)中一個蓄電池的荷電狀態(tài)為SOCij，經過較短時間t1后，基于智慧蓄電池的光伏儲能系統(tǒng)中所有蓄電池的荷電狀態(tài)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)對外做功為

3.2.2 蓄電池SOC均衡對光伏儲能系統(tǒng)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(tǒng)中蓄電池容量存在差異的狀態(tài)，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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)，需要增加專門的均衡電路，相較于此類儲能系統(tǒng)，基于智慧蓄電池的光伏儲能系統(tǒng)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(tǒng)成本。

圖8 光伏儲能系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)。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(tǒng)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(tǒng)對于不同容量、不同狀態(tài)的蓄電池的適應性。圖9為3×3實驗儲能系統(tǒng)樣機圖，圖10為實驗儲能系統(tǒng)恒壓輸出模式電壓紋波圖。

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

圖10 實驗儲能系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)能夠穩(wěn)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(tǒng)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(xù)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(tǒng)輸出電壓始終穩(wěn)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(tǒng)的輸出電壓保持穩(wěn)定，同時能夠實現蓄電池SOC均衡。

4.2 光伏儲能系統(tǒng)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(tǒng)和常規(guī)光伏儲能系統(tǒng)的消納能力進行對比實驗。兩種光伏儲能系統(tǒng)所用的蓄電池數量和規(guī)格相同，兩種光伏儲能系統(tǒng)均使用了9只蓄電池，總容量均為667.2 Wh，兩種儲能系統(tǒng)額定電壓均為36 V。進行對比的兩種光伏系統(tǒng)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(tǒng)光照條件基本相同；常規(guī)光伏儲能系統(tǒng)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(tǒng)充入、放出的能量。圖12為兩種光伏系統(tǒng)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(tǒng)充電，待光伏儲能系統(tǒng)充滿后，從功率分析儀讀取充入光伏儲能系統(tǒng)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(tǒng)中能量放空，從功率分析儀讀取光伏儲能系統(tǒng)放出的能量值，此為一個充放電循環(huán)。選取3次充放電循環(huán)實驗數據，對兩種光伏儲能系統(tǒng)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(tǒng)平均可充入的能量比常規(guī)光伏儲能系統(tǒng)高出34.9%、平均可放出的能量比常規(guī)光伏儲能系統(tǒng)高35.1%。

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

表2 光伏儲能系統(tǒng)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(tǒng)的能量消納能力與常規(guī)光伏儲能系統(tǒng)相比有明顯提升，但具體提升的百分比數值與儲能系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的構建方法，并分析了該系統(tǒng)蓄電池SOC均衡控制策略。通過理論分析和實驗可知，與常規(guī)光伏儲能系統(tǒng)相比，本文所提出的基于智慧蓄電池的光伏儲能系統(tǒng)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(guī)光伏儲能系統(tǒng)相比，本文蓄電池的光伏儲能系統(tǒng)的能量消納能力提升了約35%。