儲(chǔ)能逆變器能量管理及直流母線(xiàn)控制策略的研究

李冰 李宏

摘 要：儲(chǔ)能逆變器既可以支持并網(wǎng)工作，也可以支持離網(wǎng)工作，同時(shí)還支持并離網(wǎng)無(wú)縫切換，較普通并網(wǎng)逆變器或離網(wǎng)逆變器復(fù)雜很多。傳統(tǒng)的方案仍然把儲(chǔ)能逆變器看做一個(gè)整體，但是實(shí)際應(yīng)用中工況繁多，系統(tǒng)變得復(fù)雜龐大，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的分析和研究，進(jìn)而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了降低系統(tǒng)分析和研究的難度，筆者首先調(diào)研了儲(chǔ)能逆變器的市場(chǎng)需求，從中歸納了能量管理的方案。在此前提下，研究了一種基于母線(xiàn)管理的系統(tǒng)分解方案。將系統(tǒng)分解為多個(gè)子系統(tǒng)，不同工況下，通過(guò)指定不同子系統(tǒng)控制母線(xiàn)的辦法，讓各子系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行。通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，方法可行有效。

關(guān)鍵詞：光伏、儲(chǔ)能、逆變器、母線(xiàn)電壓控制

0 引言

太陽(yáng)能作為取之不盡、用之不竭、分布廣泛、無(wú)污染的新能源，具有更廣闊的發(fā)展前景，更受到各方研究人員的青睞。據(jù)國(guó)際能源署（IEA）預(yù)測(cè)，到2030年全球光伏累計(jì)裝機(jī)量有望達(dá)1721GW，到2050年將進(jìn)一步增加至4670GW，光伏行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

但是，太陽(yáng)能光伏發(fā)電的能量直接來(lái)源于太陽(yáng)光的照射，而地球表面上的太陽(yáng)照射受氣候的影響很大，長(zhǎng)期的雨雪天、陰天、霧天甚至云層的變化都會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的發(fā)電狀態(tài)。隨著光伏裝機(jī)容量的增長(zhǎng)，光伏并網(wǎng)發(fā)電的不穩(wěn)定性問(wèn)題逐漸凸顯。為解決光伏發(fā)電的穩(wěn)定性，同時(shí)增加電網(wǎng)的可靠性，均衡峰谷電荷，光伏廠(chǎng)家逐漸開(kāi)始開(kāi)發(fā)儲(chǔ)能產(chǎn)品。

儲(chǔ)能逆變器既可以工作在并網(wǎng)模式，也可以工作與離網(wǎng)模式，電池板、電池、電網(wǎng)、負(fù)載會(huì)出現(xiàn)多種組和工況，給儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)置增加很多難度。為增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，減小設(shè)計(jì)難度，筆者以公用直流母線(xiàn)電壓為接口，將復(fù)雜的系統(tǒng)解耦為多個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)。

1. 能量管理

傳統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器實(shí)時(shí)將電池板的能量輸送到電網(wǎng)；傳統(tǒng)的離網(wǎng)逆變器輕載時(shí)將電池板的能量存入電池，重載時(shí)從電池取電。兩者的能量管理模式都很單一，管理算法簡(jiǎn)單。

儲(chǔ)能逆變器，可以并網(wǎng)也可以離網(wǎng)，還需要并離網(wǎng)無(wú)縫切換。能量管理比較復(fù)雜。能量流動(dòng)方向如下圖。

筆者調(diào)研了儲(chǔ)能逆變器的市場(chǎng)需求，按照應(yīng)用需求，歸納為3種工作模式：通用模式、離網(wǎng)模式、備用模式和經(jīng)濟(jì)模式。

通用模式：該模式為儲(chǔ)能機(jī)的常用模式，能量管理總策略為：最大能力本地消化能量。當(dāng)電池板功率大時(shí)，優(yōu)先給負(fù)載和電池使用；電池板功率小時(shí)負(fù)載優(yōu)先使用電池能量。即：

能量消耗順序：電池板 > 電池 > 電網(wǎng)。

能量輸出順序：本地負(fù)載 > 電池 > 電網(wǎng)

離網(wǎng)模式：該模式主要應(yīng)用于偏遠(yuǎn)山區(qū)或牧區(qū)等無(wú)電網(wǎng)區(qū)域。能量管理同離網(wǎng)機(jī)：輕載時(shí)將板的能量存入電池，重載時(shí)從電池取電。

備用模式：該模式主要應(yīng)用于有電網(wǎng)，但是電網(wǎng)不穩(wěn)定，經(jīng)常停電的情況。能量管理策略為有電網(wǎng)時(shí)，電池板能量?jī)?yōu)先給電池充電，電網(wǎng)斷電時(shí)，用電池的能量供本地負(fù)載。

經(jīng)濟(jì)模式：該模式主要應(yīng)用于峰谷電價(jià)差別較大的地區(qū)。能量管理策略為：電網(wǎng)用電高峰期把電池能量輸送到電網(wǎng)；電網(wǎng)用電低谷期從電網(wǎng)上取電給電池充電。

2. 子系統(tǒng)劃分

為降低系統(tǒng)復(fù)雜性，按照功能劃分，分為4個(gè)子系統(tǒng)：邏輯時(shí)序及控制子系統(tǒng)、電池板輸入子系統(tǒng)、電池管理子系統(tǒng)、逆變子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)的功能如下：

2.1 邏輯時(shí)序及控制子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)啟停時(shí)序，運(yùn)行邏輯，電量統(tǒng)計(jì)，接地故障檢測(cè)，漏電流檢測(cè)，孤島檢測(cè)等。

2.2電池板輸入子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)負(fù)責(zé)在并網(wǎng)模式或有電池的離網(wǎng)模式下對(duì)電池板進(jìn)行MPPT跟蹤，在無(wú)電池的離網(wǎng)模式下控制母線(xiàn)電壓。

2.3電池管理子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)負(fù)責(zé)儲(chǔ)能的充放電管理，同時(shí)在離網(wǎng)模式下穩(wěn)母線(xiàn)電壓。

2.4 逆變子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)負(fù)責(zé)將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，接電網(wǎng)及用電設(shè)備。

3.母線(xiàn)電壓的控制

電池板輸入子系統(tǒng)、電池輸入子系統(tǒng)、逆變子系統(tǒng)三者以母線(xiàn)為界分為三個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，三個(gè)子系統(tǒng)處了共用直流母線(xiàn)，幾乎無(wú)耦合。

根據(jù)電網(wǎng)電壓及直流輸入電壓，計(jì)算出停止PV輸入母線(xiàn)電壓Ubus_boost_stop，啟動(dòng)PV輸入母線(xiàn)電壓Ubus_start，電池自動(dòng)充電最低電壓Ubus_charge，交流穩(wěn)壓電壓給定Ubus_give，電池自動(dòng)放電最高電壓Ubus_discharge。

電池板輸入子系統(tǒng)負(fù)載最大功率點(diǎn)跟蹤，不參與母線(xiàn)控制，當(dāng)能量過(guò)剩，母線(xiàn)超過(guò)Ubus_ boost_stop時(shí)停止工作，當(dāng)母線(xiàn)電壓將至Ubus_ boost_start時(shí)再次啟動(dòng)。

系統(tǒng)處于離網(wǎng)模式時(shí)，電池輸入子系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制母線(xiàn)電壓：如果母線(xiàn)電壓大于等于Ubus_charge，電池管理子系統(tǒng)給電池充電；如果母線(xiàn)電壓小于等于Ubus_discharge，電池管理子系統(tǒng)從電池放電；母線(xiàn)電壓在兩者之間時(shí)，不充電也不放電，此時(shí)，電池板能量與負(fù)載能量相等。

系統(tǒng)處于并網(wǎng)模式時(shí)，逆變子系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制母線(xiàn)電壓： 如果系統(tǒng)處于賣(mài)電的狀態(tài)，電池管理子系統(tǒng)給電池充電；如果系統(tǒng)處于買(mǎi)電的狀態(tài)，電池管理子系統(tǒng)從電池放電；如果系統(tǒng)處于買(mǎi)賣(mài)電平衡狀態(tài)，不充電也不放電。

4.驗(yàn)證

筆者根據(jù)上述策略設(shè)計(jì)了一臺(tái)5kw儲(chǔ)能樣機(jī)，并用該樣機(jī)組建家庭微網(wǎng)系統(tǒng)。電池板5kw，電池48V、200Ah，負(fù)載有手機(jī)充電器、電視機(jī)、風(fēng)扇、照明燈具等。

經(jīng)1個(gè)月的觀察，機(jī)器運(yùn)行穩(wěn)定，無(wú)論電網(wǎng)是否有電，各用電負(fù)載正常工作。同時(shí)，負(fù)載輕、電池板能量強(qiáng)時(shí)可實(shí)現(xiàn)余電上網(wǎng)；電池板能量若時(shí)電池放電，也可以維持賣(mài)電賣(mài)電平衡，電池電量低時(shí)，自動(dòng)從電網(wǎng)取電，確保負(fù)載正常供電。

5.結(jié)論

筆者通過(guò)對(duì)其系統(tǒng)的分解，將其分為多個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的子系統(tǒng)。該方案可大大減小系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析的難度，增加系統(tǒng)穩(wěn)定度。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，上述控制策略完全可以滿(mǎn)足當(dāng)前常規(guī)用戶(hù)的使用要求。