光伏微网系统中储能单元的控制研究

安鹏

摘要：随着环境污染和资源短缺问题的日趋严重，可再生能源的发展特别是光伏发电备受人们的关注。储能单元作为微网系统的重要组成部分，对微网系统的稳定、安全、可靠运行发挥着至关重要的作用。本文对应用在光伏微网系统中的储能单元展开研究，以保证其能满足光伏微网系统不同的充放电要求，提出了相应的充放电控制策略。

关键词：微网；储能单元；蓄电池；控制策略

中图分类号：TM912文献标识码： A

将储能单元应用到微网系统中，能够承担分布式发电单元波动造成的功率差额，降低对敏感负荷及电网的冲击；能够保证微网系统在并网与离网两种运行模式间的平稳过渡，改善微网系统的电能质量。可见，设计出性能优越的储能单元及合理有效的控制策略，使其快速响应微网系统要求，已成为微网系统中研究的关键问题之一。铅酸蓄电池以其能量密度高、储存能量大、储能技术成熟、成本低等优点在微网领域获得了广泛应用。

一、我国光伏微网发展现状

光伏微网最主要的特征是既可以独立运行，又可以与电网并网运行。2008 年，国内第一个光伏微网实验研究系统在杭州电子科技大学建立。该系统的电源包括光伏阵列，柴油发电机，蓄电池组。其中光伏发电比例达 50%，柴油机的功率为 120Kw。预计每年可节约 48t标准煤。北京交通大学姜久春等教授已经成功研制出太阳能光伏微网发电系统，并于 2009 年 4 月在北京申请专利。同年10 月份，武汉承光博德光电科技有限公司的马玉林等研制出微网太阳能光伏供电系统，也在武汉申请专利。该系统中微网变流器含有 DC/AC 和 AC/DC 变换器功能，当光伏阵列无能量且蓄电池荷电状态较低，电网通过 AC/DC 变换对蓄电池进行充电，保证蓄电池始终处于较高的荷电状态，延长蓄电池寿命。光伏微网系统结合并网型光伏发电技术和离网光伏发电技术的优点，解决当前中小功率太阳能光伏发电推广面临的成本高、效率低的问题，同时也为发电系统转型和升级提供方便。目前，国内虽然大约有 4.5 万小水电站，但在枯水期间一连几个月都无法发电，从而造成该区域无电或缺点，同时，光伏微网技术也是智能电网技术的一部分，在这些区域建立光伏微网是必要的。

二、光伏微网系统结构

本文所研究的是一个小型光伏微网系统的储能单元，其选用光伏作为分布式电源，通过逆变器与交流母线相连。同时交流母线还接有储能单元，用于保证微网系统的能量供需平衡。光伏微网系统中还设有一个静态开关，实现交流母线与电网的连接和断开。静态开关闭合时，微网以并网模式工作；静态开关断开时，微网工作在离网模式。此外，中心控制器通过与底层控制器通信对微网系统进行总体调度和控制，而底层的控制器则用来响应中心控制器的控制指令以完成对自身的控制。此光伏微网系统采用的是基于交流母线的微网结构。这种结构形式既不会由于某个分布式电源出现故障而导致整个系统崩溃，也不会由于只接一个逆变器而导致系统增大容量时受到逆变器功率等级的限制。但是这种形式下多个逆变器并联于交流母线上，不仅成本会大大提高，而且控制还较为复杂，需控制多个逆变器同步工作，否则会在逆变器之间出现环流，对微网系统造成危害。

铅酸蓄电池能量密度高，能存储较多的能量，并且可靠性高，而近年来，阀控式密封铅酸蓄电池由于具有免加水维护、不漏液、污染小、寿命长等优点而在电力领域得到广泛应用。阀控密封式铅酸蓄电池主要由正负极接线端子、正负极板、隔板、电解液、安全阀以及外壳等组成。一般一个 12V 的铅酸蓄电池由6 个单格电池串联组成，每个单格电池的额定电压为 2V。每个单格电池都包括多个正极板、负极板以及正负极板之间的玻璃纤维隔板，并且在它们之间添加了一定比重的稀硫酸电解液。单格电池串联之后，分别将第一个单格电池的正极和最后一个单格的负极引出作为整个铅酸蓄电池的正、负极接线端子。

隔板位于正负极板之间，不仅可以防止两极板间短路，而且还不会阻隔正负极板间离子的流通。在充放电过程中蓄电池内部会产生大量气体，为了避免发生爆炸，需将气体排出，所以蓄电池结构中安装有安全阀。VRLA 蓄电池安全阀具有单向性，不允许外部空气进入蓄电池，并且在蓄电池内部压强达到一定压强时，其自动打开以排出气体而保护蓄电池，同时安全阀的密封作用也使得蓄电池在使用过程中失水量降低而减少加水维护。

VRLA 蓄电池的工作原理与传统铅酸蓄电池基本相同，在充放电过程中，蓄电池内部的化学反应方程式如下：

放电

PbO 2+2H 2SO4 +Pb 2PbSO4 +2H2O

充电

而正、负极板的化学反应方程式则为：

放电

PbO 2+HSO-4 +3H+ +2ePbSO4 +2H2 O

充电

放电

Pb+HSO-4 PbSO4 +H+ +2e

充电

从上述化学反应方程式中可以看出，VRLA 蓄电池在充电时，正、负极板上在放电后生成的硫酸铅分别被分解还原成活性物质二氧化铅和铅，同时生成硫酸。随着充电过程的继续，蓄电池内部会有气体生成，正极生成氧气，负极生成氢气。VRLA 蓄电池采用密封式结构，产生的气体不会排到蓄电池外部，随着气体量的不断增加，蓄电池内部的压力会将正极产生的氧气推向负极，将负极的铅氧化成氧化铅，氧化铅又与硫酸反应生成硫酸铅，从而继续进行负极的充电反应，这样既缓解了蓄电池内部的气压，同时减少了氧气与氢气复合生生水而流失。另外，VRLA 蓄电池采用特殊的板栅材料使得负极生成氢气的含量大大减小，这同样也降低了失水量。蓄电池在放电时，正、负极板上的活性物质与硫酸发生化学反应生成硫酸铅使电解液的浓度降低，从而使蓄电池的内阻增加，导致其电动势降低。

三、微网中储能单元的控制策略

由于储能单元应用在微网系统中，因此设计储能单元的控制策略时，要考微网系统的运行方式及控制策略。微网系统的控制策略主要从系统级和单元级两方面来考虑。顾名思义，系统级控制策略指的是微网系统的整体控制策略，而单元级控制策略是指微网系统中各单元包括储能单元的控制策略。

1、微网系统的整体控制策略主要包括主从控制和对等控制两种方法。

主从控制是针对微网系统工作在离网模式下提出的控制思想。微网系统由于电网故障而与主网断开，为了确保负荷仍能正常工作，需要有微网系统中的一个或多个分布式电源来提供交流母线上的电压和频率支撑。主控单元通过与从控单元之间的通信来获取从控单元的运行信息，并向从控单元传达控制指令以控制其作出相应的响应。可见，主从控制方式下，通信线路一旦出现故障，系统就会崩溃。同时，这种控制模式下，主控单元的容量以及安全性有着严格的要求：主控单元要有足够的容量以满足负载的要求；主控单元要将故障发生的概率降到最低以确保其能为微网系统提供频率和电压的支撑。

对等控制则是指各分布式电源没有主从之分，它们共同来维持交流母线的电压和频率的稳定。各分布式电源间可以不用通信线路相连，根据各自的下垂特性曲线来对自身进行控制以实现交流母线电压和频率的自动调节。在某个分布式电源出故障时，可立即退出运行而对整个微网系统不会造成影响。同样，当微网系统需要加入新的分布式电源时，可以以相同的控制策略直接接入微网系统，不会对整个系统产生影响，实现了“即插即用”的功能。但是，这种控制方法对非线性负载调节性较差，抗干扰性不高，并且需要较高的控制精度。

2、微网单元级的控制策略主要包括 P/Q 控制、Droop 控制以及 V/f 控制等。

P/Q 控制策略，简单的说，就是对分布式电源输出的有功功率和无功功率进行控制的一种方法。并网运行时，微网系统中各分布式电源不参与交流电压和频率的调节，而是由主网承担，因此这时各分布式电源均可采用P/Q 控制策略。离网运行时，无论微网系统采用的是主从控制还是对等控制，这时均有分布式电源来提供交流母线上的电压和频率支撑，而其它分布式电源则采用 P/Q 控制策略调节微网系统的有功和无功功率。P/Q 控制策略一般有两种方式，一种是有功功率和无功功率分开控制，有功功率控制是通过给定分布式电源的有功输出并控制直流母线电压稳定来完成的，而无功功率控制则是通过控制逆变器来输出给定值。另一种方式是有功和无功的控制均由逆变器承担，通过对逆变器控制以输出给定的有功功率和无功功率。

Droop 控制也称作下垂控制，它借鉴了电力系统的一次调频功能，利用传统发电机的有功-频率（P-f），无功-电压（Q-U）两条特性曲线，对分布式电源中的逆变器进行控制，实现对微网系统交流母线上电压和频率的调节。这种控制方法多应用于微网系统离网运行的工作模式下，多个分布式电源的逆变器并联，各自采用下垂控制策略，共同维持交流母线电压和频率的稳定。它们当中每台逆变器无需与其他逆变器进行通信，而只需检测自身的运行信息，控制有功和无功的输出。

V/f 控制指的就是对分布式电源逆变器的电压和频率进行控制，以提供交流母线电压和频率的支撑。在微网系统离网运行时，某分布式电源的逆变器会采用这种控制方法来维持微网交流母线电压和频率的稳定。通常采用V/f 控制策略的分布式发电单元应选用能持续供电的分布式电源如燃气轮机等，而那种会因为天气原因而导致供电不稳定的分布式电源如光伏发电等不宜采用此控制方法。

四、结语

本文结合光伏微网系统的结构及运行特点从能量流和功率流角度分析了储能单元的不同工作模态，并提出相应的能量调度管理及充放电控制方案。因此，做好光伏微网系统中储能单元的控制研究工作，制定微网系统中储能单元的控制策略，保证系统安全运行，有效减少蓄电池的多次小循环放电行为，大大提升储能单元的储能经济性，促进我国电力经济的发展。

参 考 文 献

[1] 廖志凌，阮新波. 独立光伏发电系统能量管理控制策略[J]. 中国电机工程学报，2009，29(31): 46-52.

[2] 杜棋峰. 光伏微网系统的储能单元研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012：25-33.