一种混合储能光伏并网系统设计

牛 萌，刘海军，林培峰，梁适春

（1 中电普瑞科技有限公司，北京 102200；2 北京交通大学电气工程学院，北京 100192）

在储能技术领域，国外特别是美国和日本研究起步早，成果多并有丰富的工程实际经验。国内对于储能领域的研究起步较晚，相关技术水平与国外还有差距。目前大规模储能技术中只有抽水蓄能技术比较成熟，主要用于电网的调峰、调频、应急保障以及辅助核电站进行功率调节，但却受地理环境、建设周期的约束。国内大力发展布置灵活的电池储能技术包括各类储能电池如锂离子电池、钠硫电池、液流电池，以及超级电容器等，但目前没有任何一种储能技术能全面满足智能电网接纳分布式能源的运行要求[1]。

1 混合型储能的应用考虑

在实际分布式电源应用中，由于风电和太阳能光伏等发电单元具有间歇性和随机性的特点，储能系统作为关键的功率补偿单元，往往需要频繁地吸收/发出较大功率。频繁的大功率充放电或深度放电，造成储能电池内阻增大、温度升高、不可逆损耗增加等现象，导致储能电池容量累积性亏损并在短时间内快速下降，严重影响电池的使用寿命。

在国内储能技术没有突破性进展的时期，将不同的储能介质结合起来应用，利用其优势弥补其不足，将是未来一段时间内的应用方向[2]。对于分布式电源储能系统，把具有快速响应特性的功率型储能介质和具有大容量储能特性的能量型储能介质相结合，这种混合储能系统通过对不同储能介质的协调配合，将有效提高储能系统的功率输出能力，优化系统结构，降低设备冗余度，延长储能电池的循环寿命。

2 储能介质的应用类型

储能介质特性各异，运行时间从秒级到小时级不等，按实际应用类型可分为能量型和功率型两种[3]。

2.1 能量型应用

能量型储能介质以高能量密度为特点，主要用于需要高能量输出的场合，可持续提供分钟级至小时级的功率输出，在电力系统中主要用于电力调峰、平滑分布式电源、分时管理及热备用等。目前应用的能量型储能介质多为电池类储能，如锂离子电池、铅储能电池、钠硫电池及钒电池等。

在光伏发电系统中，应用能量型储能可以在阳光充足时将多余的电能储存起来，在用电高峰或光照不好时提供电力输出，充分利用太阳能发电，还可帮助电网应对尖峰负荷。

2.2 功率型应用

功率型储能介质以高功率密度为特点，主要用于短时高功率输出，一般提供秒级至分钟级的功率输出，作为过渡或短时调节，电力系统中主要用于调频、改善电能质量等。目前应用的功率型储能介质主要有飞轮储能、超级电容器、超导电磁储能等。

由于功率型储能介质能够快速释放高功率电能，在光伏发电系统中可平衡光照变化导致的电网功率波动，提供有功/无功补偿，大大改善电能质量，有助于电网的稳定安全运行。

3 系统配置原理

这套系统是中电普瑞科技有限公司的10 kW光伏-储能并网系统示范项目，以储能控制器为控制核心对系统的能量流动进行协调控制，利用MPPT 跟踪光伏组件最大功率的同时，调整储能系统的出功，使光伏的能量以恒定功率平稳安全送入电网。

3.1 整体结构

光伏-储能并网系统的结构如图1所示。光伏组件产生的电能经储能控制器，转换成稳定电能为储能系统充电，或者通过储能介质的协调配合以可控功率按需送入电网。储能控制器是储能系统的控制核心，通过储能控制器将各储能介质统一协调控制，并将能量通过并网变流器送入电网；储能介质采用锂电池与超级电容器搭配，与光伏组件并接入储能控制器；储能控制器与电池管理系统通信，实时掌握电池的运行或故障状态，同时与并网变流器及后台监控系统通信，交换并网信息及功率指令，将关键数据实时显示并保存。此系统所需电池的容量较低，不需要复杂的控制，系统经济性好，易实现。

图1 光伏储能系统的结构图Fig.1 Structure diagram of PV system with hybrid energy storage

3.2 系统配置设计

3.2.1 光伏组件

光伏组件的设计包括光伏组件与储能系统的电压匹配以及光伏阵列的串并联设计。根据光伏组件的设计要求，光伏阵列电压等级设计约为储能电池标称电压的1.4倍，保证电池充满时电压不会高于光伏组件的设计电压使电流倒灌。根据系统的功率等级以及光伏组件的自身电压、电流参数可确定光伏组件的串联个数，根据系统的装机容量可确定光伏组件的并联个数。

3.2.2 储能系统

储能系统的设计包括储能介质容量的设计计算和储能介质的串并联设计。对储能介质容量的选择需要依据光伏系统的装机容量以及系统满发时间，同时充分考虑电池的可用放电深度以及光伏组件可提供电流的大小。储能介质的串联个数取决于储能介质单体的标称电压，需要串联的储能介质个数等于储能系统的标称电压除以储能介质单体的标称电压，其中储能系统的标称电压由光伏组件的工作电压及储能控制器的额定电压决定，保证储能系统可靠充电的同时满足控制器的电压等级标准。储能系统内部各储能介质的标称电压应尽量相同，并根据各储能介质运行时间的不同设计各储能介质容量。

针对本系统锂离子电池与超级电容器的配合形式，超级电容器以日照曲线的功率跌落最大值以及跌落时间为配置原则，作为系统瞬时的功率补充，按秒级配置，一般为15~30 s，容量不超过锂电池额定容量的1/20。

超级电容的容量设计公式为[3]

式（1）中，dV 为超级电容器放电期间端电压的变化量，它往往由已知的系统工作电压与系统允许最小电压的差决定；I 为超级电容器放电电流；C 为超级电容器总容量，它可以是多个超级电容器串并联的结果，其计算方法与普通电容器串并联相同，即

式（2）中，npar为超级电容器并联个数；nser为超级电容器串联个数；Csin为超级电容器的单体容量。系统最大允许电压决定超级电容器串联个数。

锂电池的设计需容量考虑日均耗电、放电深度、充放电效率等因素，并将锂电池的投资与收益进行比较。本系统考虑后续扩容，配置容量为系统峰值功率值，最大持续满功率运行时间为4 h。

3.2.3 储能控制器

储能控制器是连接光伏组件、储能介质以及并网变流器的关键部件，具有可扩展的双向DC/DC模块，可根据系统等级灵活配置。储能控制器通过 各电源间的协调控制及保护，与系统其它部分进行通信，保证系统的安全稳定运行。此系统中，储能控制器共配置三组DC/DC 模块。光伏控制模块通过MPPT 控制策略跟踪光伏组件最大功率，锂电池与超级电容器的DC/DC 模块经过统一协调控制按需提供功率，三组模块各自进行DC/DC 变换后并接至直流母线。

由于光伏组件的电压等级高于储能系统的电压等级，因此储能控制器输入侧电压等级高于光伏组件的开路电压，输入侧功率满足系统的最大工作功率；并网变流器的输入侧与储能控制器的直流母线连接，通过储能控制器的短时功率预测策略将功率指令下达给并网变流器，储能控制器的直流母线电压必须严格满足逆变器的直流侧电压范围，防止系统频繁启停。

3.2.4 并网变流器

并网变流器处于电网与储能控制器之间，在满足储能系统充放电特性要求的前提下，可按照电网调度指令，调节输出的有功功率和无功功率，实现对电网有功功率和无功功率的控制；实时与电池管理系统及储能控制器通信，提供电网状态信息及系统的保护控制。

并网变流器的输出侧根据应用场合的不同直接或经变压器接入配电网，输入侧连接储能控制器，其功率等级由系统的装机容量决定，输入电压范围应与储能系统的充放电电压范围相匹配，而储能系统的最低电压应大于逆变器的并网启动电压，以保证系统正常运行，避免无故掉电。

4 系统运行控制策略

储能控制器作为系统运行和控制的核心，与系统内各关键部件进行功率调节及信息交互，将储能电池的状态信息、逆变器的并网信息等上传至上位机，并根据上位机的相关运行指令进行启停或功率输出，并网变流器接收储能控制器的给定功率值，逆变输送至电网。

4.1 系统运行控制流程

如图2所示，系统开始运行后通过与逆变器通信得到是否具备并网条件的信息，并追踪光伏阵列的最大功率点，实时判断各种工作情况下的能量调度策略，协调控制系统各发电单元的功率流，保持系统的高效稳定运行。

储能控制器的工作模式分为光伏并网模式和光伏-储能并网两种工作模式，可通过转换开关进行模式切换。

图2 系统运行控制流程图Fig.2 the system operation and control diagram

4.2 光伏并网模式

光伏并网模式时，系统与常见光伏发电系统相同，逆变器工作在MPPT 模式并网发电，储能系统切断，当储能系统需要故障检修或有特定需要时运行此模式。

4.3 光伏-储能并网模式

光伏-储能并网模式是系统的主要工作模式，在此模式下，储能控制器作为控制核心控制系统的运转，系统的运行包括自动和手动两种模式。自动模式下，系统通过跟踪光伏组件输入能量调节逆变器并网功率，超级电容承担滤波功能，储能电池承担储存能量的功能。手动模式主要用于没有阳光的特殊情况下，依靠储能电池在其放电周期内以恒功率向电网送电。

4.3.1 自动模式

自动模式下，储能控制器各DC/DC 模块进入预先设定的工作模式，光伏模块工作在最大功率跟踪状态；超级电容模块工作在恒压状态，用于吸收短时的光伏输入能量波动；储能电池模块工作在恒流状态，用于吸收长期的光伏输入能量波动。

这种状态下，储能控制器将计算上一时间段的输入功率平均值，并令光伏逆变器以此恒定功率值并网发电，从而保证了长时间内系统输入、输出功率的基本平衡。较短时间的光照跌落将由超级电容模块吸收，各时间段内的波动由于平均功率的计算可基本滤除。这种策略有效减少了储能电池模块的频繁充放电，只有能量差额随着时间积累，超出超级电容的调节范围时，启动储能电池模块，这样使储能电池的寿命大大延长。

4.3.2 手动模式

手动模式下，储能控制器各模块预先设定的工作模式为：光伏模块停机，超级电容模块停机，储能电池模块工作在恒压状态，为逆变器提供一个稳定的电源。逆变器功率指令就等于要求的输出功率指令。设定输出功率时，根据SOC 状态反馈一个系统能够运行时间，供操作人员参考。当电池SOC值过低时，系统报警，自动停机并通知上位机。

5 小 结

本文介绍了一种基于混合储能的光伏并网系统，配置锂电池与超级电容器作为储能介质，储能控制器作为系统控制核心，完成了与监控系统通信并接受其调度、管理电池组和光伏阵列之间的能量分配协调直流源为逆变器提供稳定的功率支撑。光伏电池模块工作在最大功率跟踪状态，按照光伏输出功率曲线控制并网变流器并网发电；储能电池模块接收电池管理系统的信息，用于稳定直流母线电压，通过控制超级电容模块和蓄电池模块的电流使直流母线对外呈现恒压源特性；超级电容承担滤波功能，有效吸收光伏组件的短时功率波动，避免了锂电池的频繁充放电，充分发挥了混合储能系统的优势，可扩展性强。此系统有效减少了储能电池的充放电次数，降低了设备冗余度，提高了系统的功率输出能力，具有良好的经济意义及应用价值。

[1] Yu Enke（俞恩科），Chen Liangjin（陈梁金）. Characteristics and comparison of large-scale electric energy storage technologies [J]．Zhejiang Electric Power（浙江电力），2011，1：4-8.

[2] Chen Wei（陈伟），Shi Jing（石晶），Ren Li（任丽），Tang Yuejin（唐跃进），Shi Yanhui（石延辉）. Composite usage of muti-type energy storage technologies in microgrid[J]．Automation of Electric Power Systems（电力系统自动化），2010，34（1）：112-115.

[3] Wang Bin（王斌），Shi Zhengrong（施正荣），Zhu Tuo（朱拓），Meng Zhaoyuan（孟昭渊）. Design of controller with ultracapacitor- battery hybrid energy on a stand-alone PV system[J]．Energy Engineering（能源工程），2007（5）：37-41.