雙電池儲能系統在光伏微網中的運用研究

楊國

（福建星云電子股份有限公司，福建 福州 350015）

我國國土幅員遼闊，地區之間的發展存在不平衡不充分的問題，特別是在能源的儲存與調度方面存在很大的難度。2011年前后，我國的中部地區曾經出現過很長時間供電不足的問題。這進一步反映了傳統發電在國家整體能源供給中的局限性，也由此引發了更深度的能源供給思考。經過10年的發展，目前我國在新能源開發方面取得了長足的進步，從根本上改變了電力能源供給的尷尬局面，并一躍成為電力供給與生產的佼佼者。光伏發電的研究功不可沒，在未來大有可為。

1 微電網系統及其拓撲結構

在過去的幾十年里，我國的供電模式是建立在大電網輸送的基礎上的，對微電網系統的認識存在一定的不足。然而，隨著社會的發展，大電網的弊端也開始逐漸顯現。主要體現在大電網連接的復雜性，維修工程的資源高耗損、人員高危作業與高精力投入等，極大地限制了現代化城市的發展與基礎民生工程建設。尤其是在2008年，南方地區的大暴雪天氣直接對大電網系統造成了毀滅性打擊，使得相關領域研究、建設與管理人員都徹底意識到微電網系統的實踐應用價值，并快速通過相關審核，開始建設微電網供給系統。

在幾年時間里，中國的微電網系統建設得到了極大支持，相關的課題研究也成為學術熱點，進一步促進了微電網領域的繁榮發展。在新能源概念的影響下，也進一步催生了將新能源發電有效融入微電網建設系統中的理念。其主要的實施策略在于分布式發電系統的建立。在某個特定區域內，根據當地的自然資源情況進行分析，整合出一整套發電系統以滿足當地的電力供給，實現本地區資源的“即發即用”。這樣的電力供給設想，在極大程度上改善了大電網供給弊端的同時，也使微電網建設得以創新發展。不僅如此，這樣的供給結構，還能將多產的電力資源進行有效輸送，極大程度上還能解決偏遠地區和孤島地區的電力供給問題。

2 儲能技術在微電網系統中的應用

2.1 儲能技術的基本概念

在進行微電網系統建設與應用的過程中，儲能系統的建設是極為重要的項目。尤其在遠距離輸送與解決欠發達地區的用電問題上，更需要儲能系統充分發揮自身的功能。儲能技術的研發，在穩定可再生資源輸出功率波動問題上具有非常重要的科研意義，尤其是考慮到用電低峰期與高峰期之間的能量供求差的問題上顯得更為重要。完善的儲能技術，能夠極大避免電力損耗問題，尤其是能夠在很大程度上減少發電過程對資源的浪費，平衡系統的整體運作功率，維持微電網系統內部的穩定運轉。

要實現電能儲存，就需要將電能轉化為其他形式的能量，如化學能、機械能，等等。本文介紹的重點，是將電能轉換為電池能保存在特定的電池系統中，這也是目前我國廣泛使用的電能儲存手段之一。其最大的優勢在于存儲方便，且相關經濟投入較低，能夠極大適應中國的基礎民生發展。

2.2 儲能技術的微電網應用

儲能技術研究的前提，是要根據實際需要選擇最合適的儲能裝置類型。在國內幾十年的研究中，已經對相關儲能裝置的基本特征和使用場合有了非常清晰的實驗研究和類別劃分。從儲能裝置的基本工作原理角度上，其主要的組成在于電池和超級電容器的有機組合，利用兩者之間的互補性質，分別承擔低頻能量和高頻能量，以滿足對電能儲存的基本需求的同時，保證電能存儲質量。

目前，國內使用做普遍的存儲設備是鋰電池。之所以選擇鋰電池，是因為其具備頻繁充放電兼容能力、過放和過沖的功率穩定性以及使用溫度的適配性三項優良性能。在大量的實驗總結中，根據鋰電池的性能反饋與數據運行反饋進行深入分析的過程中，又提出了關于使用雙電池系統的設想。這一設想的基本邏輯，在于進一步延長電池組的使用壽命，并且在裝置物理性能范圍內提升能量利用率，通過這兩項指標的改良，進一步降低微電網光伏發電的生產成本，這也將進一步適應民生發展，促進社會生產積極性，推動各項事業健康與可持續發展。

3 雙電池儲能系統在光伏微網中的應用

對于光伏微店網而言，儲能裝置是重要且具備很強實用價值的部分。其作用對光伏微店網而言，可以說是微電網系統的靈魂，能夠有效平衡電能產生、存儲與輸送之間的關系，并且對于整個系統的穩定運行而言也是不可或缺的核心部分。

3.1 儲能裝置的分類與選擇

常見的儲能裝置主要有四種：超導儲能、飛輪儲能、超級電容和蓄電池。其他的儲能裝置在實際應用過程中使用不多，且均是在特殊環境下使用，在此不做介紹。每種儲能裝置都有著自身獨特的優勢，其主要的分類依據在于能量存儲密度、功率密度等。

（1）快速儲能裝置。在響應系統內部能量變化上具有相當的敏感性，在短時間內能夠適應設備的能量變化。一般情況下，作為短時間的備用存儲設備或者保護設備使用，具有代表性的是超級電容。

（2）長時儲能裝置。能夠將能量在裝置中存儲很長時間，自身的能量密度很高，可以實現系統能量的長期存儲與釋放，并且可以進行能量的有效交換。但是，其工作環境需要能量變化比較穩定，不能出現瞬間變化的情況，代表性的裝置有蓄電池、發電機等。

3.2 儲能裝置的等效模型

在電池內部，充電過程和放點過程往往都是通過一系列復雜的化學反應實現。由于化學反應的特殊性，要想對電池工作狀態、相關特性進行深入研究，最主要的方式就是建立起有效的數字模型。在這一基本思路下，等效電路模擬法孕育而生，并且快速發展出四種主要模型，既線性模型、多階RC環路模型、戴維南模型和PNGV模型。

3.3 鋰電池儲能系統SOC檢測

在微電網系統中，鋰電池是在PV系統中發揮自身作用的。要想使鋰電池的性能發揮最大化，就必須適應PV系統在輸出能源時的間歇性和波動性特征，以保證整個系統運作的穩定與高效。為了實現這一基本目的，要讓鋰電池具備兩方面的系統職能。一方面，是要充分保障發電側與網側功率供給的平衡，長期維持直流電壓的穩定運行；另一方面，是要具備在負載功率發生較大波動時平衡系統運行的基本能力，尤其是整個光照環境發生重大變化時，能夠有效抵消輸出功率的短時間波動。因此，需要引入SOC函數關系分析電池的參數變化，并且找出最優解。

3.4 充放電深度對電池使用壽命的影響

一般來說，與電池使用壽命之間相關的，是電池使用周期內的充電、放電深度。在這一基本情況下，要想實現鋰電池組使用壽命的延長，就必須從充、放電深度理論研究著手。根據大量實驗測出的數據，分析鋰電池的性能衰減參數，找到鋰電池的最佳充電、放電范圍，在使用的過程中注重對衰減參數的有效控制，設定合理的運行參數指標。

3.5 雙向DC/DC變換器的工作原理

本文的分析重點，是在交直流母線型微電網中，研究PV系統下鋰電池組的運行工作原理問題。當電路連通后，鋰電池組將會以雙向DC/DC交換器的方式與直流母線相連，直流母線與交流母線之間的連接也會借助逆變器完成，最終接入大電網。在這一過程中，鋰電池組內電能的儲存與釋放，都需要借助這一基本系統完成。

3.6 雙電池儲能系統的控制策略

借助光伏微電網的模型分析技術，可以得到微電網系統的運行規律。當系統內部的輸出功率發生變化，鋰電池組將通過自身的充電、放電機制進行調節，直到系統內部的功率達到平衡狀態，維持系統內部的電壓穩定。也就是說，要想實現對光伏微店網電有效控制，就必須借助雙電池儲能系統的參數調節機制，利用其中的數據分析與充電、放電功能觸發條件，就能夠維持整個微電網系統的運轉平衡。

4 結語

綜上所述，我國的雙電池儲能系統的光伏微網應用雖然在過去的十幾年間取得了一系列重大技術突破，但總體而言還有一段路要走。世界上關于電池儲能技術的研究有很多，但是真正實現大規模應用的卻只有我國，這意味著中國的電池儲能技術發展擁有極好的物理實踐基礎，這也正是我國能夠提出并實驗雙電池儲能理論的根本原因所在。在實際發電過程中，PV陣列的輸出功率問題還是未來一段時間需要重點攻關的課題，不僅要充分考慮感性與溶性問題，更需要考慮純阻性負載問題。堅信在未來幾年內，光伏發電與電池儲能技術將會更加完善。