浅谈基于混合储能的光伏发电并网系统的能量管理及协调控制

于波，沈啸轩

（1.国家能源集团德令哈光伏发电有限公司，青海 德令哈 817000；2.华北电力大学，北京 102206）

光伏发电是发展前景良好的清洁型能源。近年来，光伏发电站陆续投入运营，受到光照和温度等因素的影响，电力输出功率存在间歇波动性和随机性，因此，为了维持电网稳定性采用储能装置十分必要。

1 储能技术在光伏并网发电系统中的应用

储能装置是光伏并网发电系统中的重要组成部分。通常包括蓄电池、超级电容器。其中，蓄电池成本低廉，但是循环倍率有限制，功率密度较低，因此，无法很好地兼顾蓄电池充放电过程以及电池最大功率跟踪。考虑到光伏电站的实际发电规律，采用蓄电池往往充放电循环次数多造成容量迅速失效，使蓄电池寿命缩减。超级电容器是另一种储能类型。相比蓄电池，超级电容器的循环寿命更长，对充放电次数没有很多限制，功率密度高，可以实现瞬时功率吸纳放出。唯一的不足是不能长时间为负荷提供电能。在当前的光伏并网系统中，通常采用上述两种储能类型，实现优势互补，构建高性能的储能系统，蓄电池作为长期储能装置，超级电容器作为短期储能装置，既可以实现能量长时间储备的目的，而且可以瞬时调节系统的功率，采取合理的能量管理策略。

2 能量管理模型及综合控制策略

通过对蓄电池和超级电容器容量进行配比，满足储能系统的能量管理需求。设计环节应考虑储能系统的电流吞吐能力，满足光伏发电系统的脉动电流变化，要留有一定的富裕量。能量管理目标的实现主要是对光伏控制器和并联控制器进行工况调整。在恒流条件下，超级电容器的充电电压达到最大功率跟踪值，光伏控制器的输出电流减小，此时，光伏控制器在最大功率跟踪值条件下进入充电工况。当超级电容器的电容量较小时，电压较低，在最大功率跟踪值条件下，光伏控制器的输出电流较大，此时，为恒流模式充电工况，直到达到超级电容器最大功率跟踪值。超级电容器能量接近上限时，此时，端口电压接近额定电压，光伏控制器不再是最大功率跟踪模式，而进入恒压模式，保持电压不变。并联控制器在设计过程中应考虑储能系统的容量配置及相关影响因素，如气候、负荷、光照、温度等条件下所引起的发电功率变化情况。当蓄电池能量较少时，并联控制器以恒流模式对蓄电池充电；当蓄电池能量较多时，并联控制器处于恒压工况。如果超级电容器的电压比并联控制器的输入电压下限时，并联控制器停止运行。当蓄电池容量饱和且系统没有负载时，也将停止运行。如果充电电流保持恒定，则光伏控制器在超级电容器电压正常的情况下保持恒流输出；如果充电电流不能保持恒定，则光伏控制器进入恒压工作模式或者最大工作跟踪模式。此时，会存在光伏控制器启停切换频繁的问题，为此，采用滞回比较的方式设置并联控制启停两个门限。此外，可能存在蓄电池过放电的问题，对此在蓄电池电压小于电压下限时，系统切断蓄电池和负载之间的连接，使蓄电池充放电状态合理，延长电池寿命。

在能量管理过程中，大多采用最大功率跟踪的方式，具体方法包括恒定电压控制法、扰动观察法、电导增量法。扰动观察法和电导增量法在采样环节存在误差，因此，会对系统启动造成不利影响，造成功率波动。在系统由开路电压转变为最大功率电压的过程中，电流变化情况较为剧烈，这种情况更加重了误差影响，对电流理论值带来偏差，不利于能量控制的准确性和时效性。为了减少采样带来的误差，将扰动观察法和电导增量法相结合进行计算。通过检测功率和电压的变化数值和变化方向，对系统电压进行调整使系统快速达到最大功率，然后，根据功率变化情况，采用电导增量法找到最大功率点。根据负载和输出功率之间的差值确定蓄电池充放电控制策略。由于功率对负载的变化情况更敏感，因此，根据负载和功率之间的差值能够更快速地对系统瞬时功率进行平衡。采用上述方法可以避免蓄电池在充放电两种状态下频繁切换，而且避免了在大电流高电压状态下工作，延长电池的使用寿命，减少电流的剧烈波动。

3 光储系统中混合储能协调控制策略及系统仿真分析

基于低通滤波原理来设计混合储能协调控制策略是一种有效的方式。其原理是光伏电源输出功率通过滤波器得到光伏电源输出功率参考值，将之与光伏电源输出功率值相减，得到混合储能系统功率指令参考值。然后，这一功率指令参考值通过第二个滤波器，得到高频分量和低频分量，其中高频分量作为超级电容的功率参考值，低频分量作为蓄电池的功率参考值。由于超级电容器充放电快速，循环次数限制少，因此，优先对超级电容器进行充放电，减少蓄电池充放电次数，延长其寿命。此外，对超级电容器电压和蓄电池荷电状态进行检测，优化得到两个滤波器的时间常数，从而对混合储能系统的功率进行调整，合理分配充放电顺序。对第一个滤波器的时间常数进行调节可以实现混合储能系统的过充过放保护。例如，当检测到超级电容器端电压和蓄电池荷电状态达到混合储能系统过充过放工况时，调小第一个滤波器的时间常数，避免过充过放情况发生。对第二个滤波器的时间常数进行调节，可实现对混合储能系统的协调控制。当功率指令经过第二个滤波器后，分别得到高频分量，对应超级电容器功率参考值和低频分量对应蓄电池功率参考值。有限对超级电容器进行充放电，当超级电容器不能满足混合储能系统的功率指令时，再用蓄电池来满足剩余功率指令。当第一个滤波器时间常数增大时，混合储能系统的功率指令增大；当第一个滤波器时间常数减小时，混合储能系统的功率指令减小。第一个滤波器时间常数恒定时，当增大第二个滤波器时间常数，则混合储能系统功率指令主要由超级电容器承担；当减小第二个滤波器时间常数，则混合储能系统功率指令主要由蓄电池承担。

对超级电容器电压进行区间划分，为0、0.2倍最大电压、0.8倍最大电压、最大电压；对蓄电池荷电进行区间划分，为0、最小荷电、最大荷电、1。由于超级电容器相应速度快，因此，超级电容器优先充放电。混合储能系统仿真模型根据混合储能系统功率指令的正负判断进行充放电动作。当混合储能系统功率指令为正值时设置为充电，当混合储能系统功率指令为负值时设置为放电，当混合储能功率指令为零时不动作，返回上一步。

当混合储能系统功率指令为正值时，检测超级电容器端电压，如果超过0.2倍最大电压，则优先对超级电容器进行放电，第二滤波器时间常数为极大值。当超级电容器端电压低于0.2倍最大电压时，检测蓄电池荷电状态，如果荷电状态超过最小荷电，此时混合储能系统功率指令主要由蓄电池承担，超级电容器为辅。当储能系统进入过放保护区域时，调小第一滤波器时间常数，使混合储能系统功率指令减小。

当混合储能系统功率指令为负值时，检测超级电容器端电压，如果不超过0.8倍最大电压，则优先对超级电容器进行充电，第二滤波器时间常数为极大值。当超级电容器端电压高于0.8倍最大电压时，检测超级电容器端电压是否不超过最大电压，如果不超过则放电动作由蓄电池承担，调小第二滤波器时间常数。检测蓄电池荷电状况，当荷电不超过最大荷电值，则继续对蓄电池充电；当荷电超过最大荷电值，此时，储能系统进入过充保护区域，调小第一滤波器时间常数，使混合储能系统功率指令减小。

4 结语

光伏发电站具有能量波动大、发电间歇性和随机性的特点，因此在发电并网环节存在较多的风险。为了提高光伏电站并网平稳性和可靠性，采用蓄电池和超级电容器相结合的方式更好地发挥出混合储能系统在能量管理中的协同优势，对于优化蓄电池充放电，延长电池使用寿命创建了积极条件。基于低通滤波原理对混合储能系统设计协调控制策略，便于更好地保护储能设备，实现平稳充放电目标。