淺談基于混合儲(chǔ)能的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的能量管理及協(xié)調(diào)控制

于波，沈嘯軒

（1.國(guó)家能源集團(tuán)德令哈光伏發(fā)電有限公司，青海 德令哈 817000；2.華北電力大學(xué)，北京 102206）

光伏發(fā)電是發(fā)展前景良好的清潔型能源。近年來，光伏發(fā)電站陸續(xù)投入運(yùn)營(yíng)，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(dòng)性和隨機(jī)性，因此，為了維持電網(wǎng)穩(wěn)定性采用儲(chǔ)能裝置十分必要。

1 儲(chǔ)能技術(shù)在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

儲(chǔ)能裝置是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的重要組成部分。通常包括蓄電池、超級(jí)電容器。其中，蓄電池成本低廉，但是循環(huán)倍率有限制，功率密度較低，因此，無(wú)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(shí)際發(fā)電規(guī)律，采用蓄電池往往充放電循環(huán)次數(shù)多造成容量迅速失效，使蓄電池壽命縮減。超級(jí)電容器是另一種儲(chǔ)能類型。相比蓄電池，超級(jí)電容器的循環(huán)壽命更長(zhǎng)，對(duì)充放電次數(shù)沒有很多限制，功率密度高，可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)功率吸納放出。唯一的不足是不能長(zhǎng)時(shí)間為負(fù)荷提供電能。在當(dāng)前的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，通常采用上述兩種儲(chǔ)能類型，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，構(gòu)建高性能的儲(chǔ)能系統(tǒng)，蓄電池作為長(zhǎng)期儲(chǔ)能裝置，超級(jí)電容器作為短期儲(chǔ)能裝置，既可以實(shí)現(xiàn)能量長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)備的目的，而且可以瞬時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)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(duì)蓄電池和超級(jí)電容器容量進(jìn)行配比，滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理需求。設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的電流吞吐能力，滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)的脈動(dòng)電流變化，要留有一定的富裕量。能量管理目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)主要是對(duì)光伏控制器和并聯(lián)控制器進(jìn)行工況調(diào)整。在恒流條件下，超級(jí)電容器的充電電壓達(dá)到最大功率跟蹤值，光伏控制器的輸出電流減小，此時(shí)，光伏控制器在最大功率跟蹤值條件下進(jìn)入充電工況。當(dāng)超級(jí)電容器的電容量較小時(shí)，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(shí)，為恒流模式充電工況，直到達(dá)到超級(jí)電容器最大功率跟蹤值。超級(jí)電容器能量接近上限時(shí)，此時(shí)，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(jìn)入恒壓模式，保持電壓不變。并聯(lián)控制器在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置及相關(guān)影響因素，如氣候、負(fù)荷、光照、溫度等條件下所引起的發(fā)電功率變化情況。當(dāng)蓄電池能量較少時(shí)，并聯(lián)控制器以恒流模式對(duì)蓄電池充電；當(dāng)蓄電池能量較多時(shí)，并聯(lián)控制器處于恒壓工況。如果超級(jí)電容器的電壓比并聯(lián)控制器的輸入電壓下限時(shí)，并聯(lián)控制器停止運(yùn)行。當(dāng)蓄電池容量飽和且系統(tǒng)沒有負(fù)載時(shí)，也將停止運(yùn)行。如果充電電流保持恒定，則光伏控制器在超級(jí)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(jìn)入恒壓工作模式或者最大工作跟蹤模式。此時(shí)，會(huì)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(shè)置并聯(lián)控制啟停兩個(gè)門限。此外，可能存在蓄電池過放電的問題，對(duì)此在蓄電池電壓小于電壓下限時(shí)，系統(tǒng)切斷蓄電池和負(fù)載之間的連接，使蓄電池充放電狀態(tài)合理，延長(zhǎng)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(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法。擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法在采樣環(huán)節(jié)存在誤差，因此，會(huì)對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)造成不利影響，造成功率波動(dòng)。在系統(tǒng)由開路電壓轉(zhuǎn)變?yōu)樽畲蠊β孰妷旱倪^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(duì)電流理論值帶來偏差，不利于能量控制的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。為了減少采樣帶來的誤差，將擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法相結(jié)合進(jìn)行計(jì)算。通過檢測(cè)功率和電壓的變化數(shù)值和變化方向，對(duì)系統(tǒng)電壓進(jìn)行調(diào)整使系統(tǒng)快速達(dá)到最大功率，然后，根據(jù)功率變化情況，采用電導(dǎo)增量法找到最大功率點(diǎn)。根據(jù)負(fù)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(duì)負(fù)載的變化情況更敏感，因此，根據(jù)負(fù)載和功率之間的差值能夠更快速地對(duì)系統(tǒng)瞬時(shí)功率進(jìn)行平衡。采用上述方法可以避免蓄電池在充放電兩種狀態(tài)下頻繁切換，而且避免了在大電流高電壓狀態(tài)下工作，延長(zhǎng)電池的使用壽命，減少電流的劇烈波動(dòng)。

3 光儲(chǔ)系統(tǒng)中混合儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制策略及系統(tǒng)仿真分析

基于低通濾波原理來設(shè)計(jì)混合儲(chǔ)能協(xié)調(diào)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(chǔ)能系統(tǒng)功率指令參考值。然后，這一功率指令參考值通過第二個(gè)濾波器，得到高頻分量和低頻分量，其中高頻分量作為超級(jí)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(jí)電容器充放電快速，循環(huán)次數(shù)限制少，因此，優(yōu)先對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行充放電，減少蓄電池充放電次數(shù)，延長(zhǎng)其壽命。此外，對(duì)超級(jí)電容器電壓和蓄電池荷電狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，優(yōu)化得到兩個(gè)濾波器的時(shí)間常數(shù)，從而對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率進(jìn)行調(diào)整，合理分配充放電順序。對(duì)第一個(gè)濾波器的時(shí)間常數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的過充過放保護(hù)。例如，當(dāng)檢測(cè)到超級(jí)電容器端電壓和蓄電池荷電狀態(tài)達(dá)到混合儲(chǔ)能系統(tǒng)過充過放工況時(shí)，調(diào)小第一個(gè)濾波器的時(shí)間常數(shù)，避免過充過放情況發(fā)生。對(duì)第二個(gè)濾波器的時(shí)間常數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。當(dāng)功率指令經(jīng)過第二個(gè)濾波器后，分別得到高頻分量，對(duì)應(yīng)超級(jí)電容器功率參考值和低頻分量對(duì)應(yīng)蓄電池功率參考值。有限對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行充放電，當(dāng)超級(jí)電容器不能滿足混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率指令時(shí)，再用蓄電池來滿足剩余功率指令。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)濾波器時(shí)間常數(shù)增大時(shí)，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率指令增大；當(dāng)?shù)谝粋€(gè)濾波器時(shí)間常數(shù)減小時(shí)，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率指令減小。第一個(gè)濾波器時(shí)間常數(shù)恒定時(shí)，當(dāng)增大第二個(gè)濾波器時(shí)間常數(shù)，則混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率指令主要由超級(jí)電容器承擔(dān)；當(dāng)減小第二個(gè)濾波器時(shí)間常數(shù)，則混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率指令主要由蓄電池承擔(dān)。

對(duì)超級(jí)電容器電壓進(jìn)行區(qū)間劃分，為0、0.2倍最大電壓、0.8倍最大電壓、最大電壓；對(duì)蓄電池荷電進(jìn)行區(qū)間劃分，為0、最小荷電、最大荷電、1。由于超級(jí)電容器相應(yīng)速度快，因此，超級(jí)電容器優(yōu)先充放電?；旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)仿真模型根據(jù)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率指令的正負(fù)判斷進(jìn)行充放電動(dòng)作。當(dāng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率指令為正值時(shí)設(shè)置為充電，當(dāng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率指令為負(fù)值時(shí)設(shè)置為放電，當(dāng)混合儲(chǔ)能功率指令為零時(shí)不動(dòng)作，返回上一步。

當(dāng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率指令為正值時(shí)，檢測(cè)超級(jí)電容器端電壓，如果超過0.2倍最大電壓，則優(yōu)先對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行放電，第二濾波器時(shí)間常數(shù)為極大值。當(dāng)超級(jí)電容器端電壓低于0.2倍最大電壓時(shí)，檢測(cè)蓄電池荷電狀態(tài)，如果荷電狀態(tài)超過最小荷電，此時(shí)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率指令主要由蓄電池承擔(dān)，超級(jí)電容器為輔。當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)入過放保護(hù)區(qū)域時(shí)，調(diào)小第一濾波器時(shí)間常數(shù)，使混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率指令減小。

當(dāng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率指令為負(fù)值時(shí)，檢測(cè)超級(jí)電容器端電壓，如果不超過0.8倍最大電壓，則優(yōu)先對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行充電，第二濾波器時(shí)間常數(shù)為極大值。當(dāng)超級(jí)電容器端電壓高于0.8倍最大電壓時(shí)，檢測(cè)超級(jí)電容器端電壓是否不超過最大電壓，如果不超過則放電動(dòng)作由蓄電池承擔(dān)，調(diào)小第二濾波器時(shí)間常數(shù)。檢測(cè)蓄電池荷電狀況，當(dāng)荷電不超過最大荷電值，則繼續(xù)對(duì)蓄電池充電；當(dāng)荷電超過最大荷電值，此時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)入過充保護(hù)區(qū)域，調(diào)小第一濾波器時(shí)間常數(shù)，使混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率指令減小。

4 結(jié)語(yǔ)

光伏發(fā)電站具有能量波動(dòng)大、發(fā)電間歇性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，因此在發(fā)電并網(wǎng)環(huán)節(jié)存在較多的風(fēng)險(xiǎn)。為了提高光伏電站并網(wǎng)平穩(wěn)性和可靠性，采用蓄電池和超級(jí)電容器相結(jié)合的方式更好地發(fā)揮出混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在能量管理中的協(xié)同優(yōu)勢(shì)，對(duì)于優(yōu)化蓄電池充放電，延長(zhǎng)電池使用壽命創(chuàng)建了積極條件?；诘屯V波原理對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)控制策略，便于更好地保護(hù)儲(chǔ)能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)充放電目標(biāo)。