基于智慧蓄电池的光伏储能系统及其控制策略

王超，胡浩，郑炼，2，吴铁洲，詹敏，鲍岧

（1.湖北工业大学太阳能高效利用及储能运行控制湖北省重点实验室，湖北 武汉 430068；2.武汉培芳李科技有限公司，湖北 武汉 430074）

0 引言

在“碳达峰、碳中和”的背景下，光伏等可再生能源发电占电网比例逐渐提高，而光伏发电系统的输出功率具有随机性和波动性，不能满足电网调峰、调频的要求，对电网的安全运行造成威胁[1]，因此须在光伏系统中加入储能系统[2]，[3]。

常规的光伏储能系统主要由电池包（battery pack）和集中式储能变流器构成。蓄电池经串、并联组成电池包，电池包对蓄电池的一致性要求较高，不同容量、新旧状态的蓄电池同时使用会降低蓄电池的充放电效率，同时电池包的容量、寿命也会大大缩减，严重时甚至导致火灾、爆炸等安全问题[4]，[5]。相同标称容量、相同状态的蓄电池组成电池包后，由于蓄电池实际容量参数的不一致性，电池包容量会下降3%～10%，且在使用过程中，蓄电池老化速度的差异会进一步加大蓄电池容量不一致性，引起电池包容量下降。通过给电池包添加均衡电路，可以降低电池包中蓄电池的不一致性。均衡电路分为主动均衡和被动均衡[6]。被动均衡通过能量消耗来实现蓄电池SOC均衡。主动均衡通过变换器，将高能量蓄电池中的能量转移到低能量的蓄电池中[7]。文献[8]对蓄电池组采用被动均衡，提高了蓄电池容量的一致性，但浪费了大量能量。文献[9]，[10]对蓄电池进行主动均衡，提高了蓄电池容量的一致性，但控制电路复杂，需要增加专门的均衡电路，增加了光伏系统的成本。

本文提出了一种基于智慧蓄电池的光伏储能系统方案。在方案进行蓄电池SOC均衡时，不需要消耗能量，提高了能量的利用率，且不需要增加专门的均衡电路，提高了电路器件的利用率，降低了系统成本。本文所提出的基于智慧蓄电池的光伏储能系统将分布式模块化变流器技术、物联网技术、智能控制技术与蓄电池有机融合，是一种新的光伏储能系统的组成结构，符合能源系统向数字化、智能化发展的未来趋势。该结构除了可以实现本文所论述的电池SOC均衡控制等功能外，还可以融入电池安全管理、蓄电池SOH监控等重要功能。

1 含储能的光伏系统组成结构

目前，常规含储能的光伏系统主要由光伏阵列、蓄电池、集中式储能变流器和逆变器组成。其对蓄电池一致性要求较高，蓄电池不一致性问题导致电池包可用容量和使用寿命都显著降低。本文提出的基于智慧蓄电池的光伏储能系统，不需外加集中式储能变流器，采用分布式模块化变流器作为储能变流器，同时还可以灵活有效的对蓄电池SOC进行均衡，提高电池包的可用容量，延长蓄电池的使用寿命。含储能的光伏系统结构如图1所示。

图1 含储能的光伏系统组成结构图Fig.1 Composition structure diagram of photovoltaic system with energy storage

2 基于智慧蓄电池的光伏储能系统设计

2.1 智慧蓄电池单体结构设计

在设计智慧蓄电池时，将物联网（Internet of Things，IoT）、人工智能（Artificial Intelligence，AI）技术、分布式模块化变流器技术与蓄电池相结合，使蓄电池变成可感知、可通信、可思考、可行动的“智慧生命体”。

本文所提出的智慧蓄电池有2种正常工作模式：直流电压源和直流电流源。2种故障模式：短路模式和开路模式。图2为智慧蓄电池组成结构图。智慧蓄电池单体的电气部分与蓄电池的接口为DE，其由2根电源线构成。智慧蓄电池对外有输出接口AB和通信接口。

图2 智慧蓄电池组成结构图Fig.2 Structure diagram of smart battery

本文智慧蓄电池系统中，电力电子主电路采用半桥电路，如图3所示。

图3 基于半桥电路的智慧蓄电池主电路Fig.3 Main circuit of smart battery based on halfbridge circuit

智慧电池输出控制结构图如图4所示。

图4 智慧蓄电池输出控制结构图Fig.4 Control structure diagram of output mode of smart battery

当智慧蓄电池工作于电压源输出模式时，U为输出电压，Uref为输出电压给定值，ΔU为电压误差，ΔD为开关管M1占空比的调节量。当智慧蓄电池工作于电流源输出模式时，i为输出电流，iref为输出电流给定值，Δi为电流误差。

2.2 智慧蓄电池的光伏储能系统构建方法

基于智慧蓄电池的光伏储能系统的总输出有直流电压源、直流电流源2种工作模式，可以在2种模式间切换，并且直流电压源的输出电压可调节，直流电流源的输出电流可调节。

基于智慧蓄电池的光伏储能系统的构建方法如图5。另外，因为本文所提的智慧蓄电池和基于智慧蓄电池的储能系统的输出特性相同，因此可以把基于智慧蓄电池的储能系统等效成1个智慧蓄电池，形成嵌套，构成更大的储能系统。基于智慧蓄电池的光伏储能系统不再需要外加集中式储能变流器，提高了光伏储能系统的性价比，图6为基于智慧蓄电池的光伏储能系统结构示意图。

图5 基于智慧蓄电池的光伏储能系统构建流程图Fig.5 Process diagram of PV energy storage system based on smart batteries

图6 基于智慧蓄电池的光伏储能系统结构示意图Fig.6 Structure diagram of PV energy storage system based on smart batteries

3 基于智慧蓄电池的光伏储能系统控制策略

3.1 基于智慧蓄电池的光伏储能系统总体控制策略

根据分层递阶智能控制理论的启示，建立基于智慧蓄电池的光伏储能系统的3层智能控制策略：第1层为组织级，第2层为协调级，第3层为执行级。组织级的输入条件是系统的总体要求，协调级的输入条件是组织级的输出条件，由通信网络的软硬件构成，协调级根据输入条件给分配每只智慧蓄电池工作模式、输出电压或电流的目标值，并输出给执行级。执行级的算法运行于智慧蓄电池单体上，根据协调级给出的工作模式和目标值，执行级运用PID控制等经典控制理论来实现控制目标。执行级还对蓄电池的荷电状态SOC和健康状态SOH进行估算，通过协调级上报给组织级。图7为总体控制策略图。

图7 总体控制策略图Fig.7 Diagram of overall control strategy

3.2 基于智慧蓄电池的光伏储能系统SOC均衡控制策略

3.2.1 蓄电池SOC均衡控制策略

基于智慧蓄电池的光伏储能系统SOC均衡可分为组间均衡和组内均衡，组间均衡是使组与组之间电池串的SOC保持均衡,组内均衡是指同一组内各个蓄电池的SOC保持均衡。

本文中用变量j表示蓄电池组的组号，j=1，2，…，N；用变量i表示智慧蓄电池在组内的顺序编号，i=1，2，…，M。假设在某时刻基于智慧蓄电池的光伏储能系统中一个蓄电池的荷电状态为SOCij，经过较短时间t1后，基于智慧蓄电池的光伏储能系统中所有蓄电池的荷电状态达到均衡，此时蓄电池的SOC值为SOC0。用Qij表示基于智慧蓄电池的光伏储能系统中对应蓄电池的标称容量，基于智慧蓄电池的光伏储能系统输出电压、电流值为Uo，Io。确定了拟达到均衡的时间t1后，基于智慧蓄电池的光伏储能系统对外做功为

3.2.2 蓄电池SOC均衡对光伏储能系统能量消纳能力影响分析

图8中，蓄电池长度表示蓄电池的可用容量，阴影部分表示蓄电池内的电量。为模拟光伏储能系统中蓄电池容量存在差异的状态，选取1只容量较小的蓄电池和2只容量较大的蓄电池串联构成电池组，对其充放电进行分析。在无均衡电路的光伏储能系统中，由于电池组中蓄电池容量的不一致性，串联电池组的可用容量是由容量最小的蓄电池单体决定的。充电时，容量最小的蓄电池的电量首先充满，为防止容量最小的蓄电池过充，电池组停止充电，但此时组内其他蓄电池并未充满；放电时，容量最小的蓄电池的电量最先放空，为防止容量最小的蓄电池过放，电池组停止放电，此时组内其他蓄电池还有电量无法释放。并且，容量大的蓄电池始终充不满或放不完电，蓄电池的容量得不到有效的利用，降低了电池组的可用容量。在基于智慧蓄电池的光伏储能系统中，通过控制各个蓄电池充放电的速度，使各个蓄电池SOC均衡，从而使所有蓄电池的容量都得到有效利用，提升了电池组的可用容量。另外，现有的带均衡电路的光伏储能系统，需要增加专门的均衡电路，相较于此类储能系统，基于智慧蓄电池的光伏储能系统将分布式模块化变流器“一物两用”，同时作为储能变流器和均衡电路，提高了电路器件的利用率，降低了系统成本。

图8 光伏储能系统可用容量对比分析示意图Fig.8 Comparative analysis of the available capacity of PV energy storage systems

4 实验及结果分析

4.1 基于智慧蓄电池的光伏储能系统SOC均衡实验及分析

选用7只12 V/7 Ah蓄电池，2只12 V/3.3 Ah蓄电池，制作了由9只蓄电池构成的3×3基于智慧蓄电池的光伏储能系统样机，3×3指3只智慧蓄电池先串联构成1组，再将3组并联构成基于智慧蓄电池的光伏储能系统。在9只蓄电池中选用2只不同容量的蓄电池，主要基于两方面考虑：①为了模拟光伏储能系统中由于蓄电池老化速度不一样，导致蓄电池容量有较大差异的情况；②为了检验储能系统对于不同容量、不同状态的蓄电池的适应性。图9为3×3实验储能系统样机图，图10为实验储能系统恒压输出模式电压纹波图。

图9 储能系统实验样机图Fig.9 Prototype diagram of experimental energy storage system

图10 实验储能系统恒压输出电压纹波图Fig.10 Voltage ripple diagram of constant voltage output mode of experimental energy storage system

智慧蓄电池采用STM32F103C8单片机作为主控单元，通信模块采用NRF24L01芯片，电流检测采用INA225芯片。3×3基于智慧蓄电池的光伏储能系统实验样机输出设置为直流电压源模式，总输出电压为18 V。未进行SOC均衡时，各智慧蓄电池的输出电压或电流采用平均分配策略，工作于电压源模式的智慧蓄电池输出电压自动设置为6 V，工作于电流源模式的智慧蓄电池输出电流自动设置为总负载电流的1/3。输出电压用万用表测量，电压纹波用示波器显示，观测其交流耦合时的峰峰值和有效值。总输出电压的测量结果为18.021 V，电压纹波小于50 mV。实验表明，所构建的基于智慧蓄电池的光伏储能系统能够稳定运行，如图11所示。

图11 均衡实验中蓄电池SOC随时间变化关系Fig.11 Relationship of battery SOCs and time of the equalization experiment

智慧蓄电池的光伏储能系统输出电压为18 V，负载电阻值约为2.5Ω，采用开路电压法和安时积分法对电池SOC进行联合估算，通过开路电压法获得蓄电池SOC初值，安时积分法在线估算SOC值，所获得的SOC值通过单片机串口上传至上位机。将均衡阈值设定为2%，对每一个蓄电池的SOC估算值进行比较，当任意两个蓄电池SOC差值的绝对值小于2%时，停止均衡操作，反之则继续均衡。蓄电池SOC随时间变化如表1所示。

表1 均衡前后蓄电池SOC值Table 1 SOC values of batteries before and after equalization

由表1可知，均衡前9只蓄电池的SOC值标准差为3.35%，均衡后为0.39%，蓄电池的SOC一致性得到明显改善。蓄电池SOC均衡过程中，基于智慧蓄电池的光伏储能系统输出电压始终稳定在18 V，且电压纹波小于80 mV。实验结果表明，基于智慧蓄电池的光伏储能系统的输出电压保持稳定，同时能够实现蓄电池SOC均衡。

4.2 光伏储能系统能量消纳能力对比实验

对基于智慧蓄电池的光伏储能系统和常规光伏储能系统的消纳能力进行对比实验。两种光伏储能系统所用的蓄电池数量和规格相同，两种光伏储能系统均使用了9只蓄电池，总容量均为667.2 Wh，两种储能系统额定电压均为36 V。进行对比的两种光伏系统均使用1块60 W单晶硅太阳能电池板，该太阳能电池板最大功率点电压为18 V；负载均采用5Ω的大功率电阻，负载电压为18 V。实验中光源使用太阳光模拟器，使两种光伏储能系统光照条件基本相同；常规光伏储能系统中BMS（Battery Management System）对蓄电池的过充保护电压为14.5 V、过放保护电压为10.5 V。使用日置PW3390功率分析仪测量光伏储能系统充入、放出的能量。图12为两种光伏系统实物图。将蓄电池的能量放空后，开启太阳光模拟器，断开模拟负载，太阳能电池板对光伏储能系统充电，待光伏储能系统充满后，从功率分析仪读取充入光伏储能系统的能量值；再关闭太阳光模拟器，接通模拟负载，将光伏储能系统中能量放空，从功率分析仪读取光伏储能系统放出的能量值，此为一个充放电循环。选取3次充放电循环实验数据，对两种光伏储能系统能量消纳能力进行对比，如表2所示。实验数据表明基于智慧蓄电池的光伏储能系统平均可充入的能量比常规光伏储能系统高出34.9%、平均可放出的能量比常规光伏储能系统高35.1%。

图12 两种光伏储能系统实物图Fig.12 Prototype diagram of two kind of energy storage systems

表2 光伏储能系统充放电能量值Table 2 Charging and discharging energy value of photovoltaic energy storage syste msWh

基于智慧蓄电池的光伏储能系统的能量消纳能力与常规光伏储能系统相比有明显提升，但具体提升的百分比数值与储能系统中蓄电池的容量差异和连接关系有关，在本实验的条件下，基于智慧蓄电池的光伏储能系统的能量消纳能力提升了约35%。

5 结论

本文提出了一种基于智慧蓄电池的光伏储能系统的构建方法，并分析了该系统蓄电池SOC均衡控制策略。通过理论分析和实验可知，与常规光伏储能系统相比，本文所提出的基于智慧蓄电池的光伏储能系统具有以下特点：①使用分布式模块化变流器替代集中式储能变流器。分布式模块化变流器可以灵活有效地进行蓄电池SOC均衡。本文蓄电池SOC标准差从3.35%下降至0.39%；②与常规光伏储能系统相比，本文蓄电池的光伏储能系统的能量消纳能力提升了约35%。