光伏电力混合储能系统的能量管理策略研究

0 引言

近年来， 可再生能源 （Renewable Energy Sources， RES） 在普通民用住宅和工业生产领域中的应用愈加广泛。 光伏（Photovoltaic， PV）发电技术在各种RES 解决方案中，已经有相当多的应用场景[1]，[2]。

在光伏电力系统中， 电池能量存储（Battery Energy Storage， BES） 单元在维持电能持续供应方面具有重要的作用[3]，[4]。 传统的BES 单元主要使用铅酸电池作为存储介质，随着技术的不断发展，锂离子电池凭借自身能量密度高、转化效率好等特点，成为一种全新的技术解决方案。 无论采用哪种BES 结构作为基本的储能单位，都需要对链路中的电源进行控制，进而维持电网中的电流强度， 保护BES 单元的使用寿命和输出稳定性。适当的电源管理对于实现系统的高性能运行至关重要[5]，[6]。

文献[7]，[8]表明，与传统的电力系统相比，光伏电力系统在成本和转换效率中具有明显的优势。 由于光伏电力系统一般通过直流电力传输系统进行输送， 因此无法在普通家庭和大多数的工业应用场景中直接使用， 需要进行直流电和交流电之间的模式转换， 但是这种转换会导致系统能量损耗，并会干扰电路中正常的电流强度[9]～[12]。

为了解决上述问题， 同时增强电网的整体稳定性， 本文提出了一种用于光伏电力混合储能系统的能量管理策略， 该策略主要通过优化电网中各个独立电源的控制来实现总体的能量管理。

1 光伏电力混合储能系统的能量管理策略

PV，BES 和直流负载传输是目前电力系统中最常用的3 种技术。 为了更好地探究电力系统中的能量管理策略，本文对直流传输系统（DC）和交流传输系统（AC）的传输状态进行了对比，结果如表1 所示。

表1 以直流和交流为中心的系统架构比较
Table 1 Comparison of system architecture centered on DC and AC

从表1 中可以看出： 以直流为中心的传输系统为电池能量储存系统提供了最佳的充电保护；以交流为中心的传输系统， 通过减少光伏电源到交流负载的转换级数，保护了BES 系统的稳定运行， 为电池组的灵活部署提供了有效的保证。 因此，在以交流为中心的传输系统中，可以灵活地配置BES 单元。

当系统控制器未适当管理能量流时， 就必须考虑安全隐患。 当光伏电力系统中的总发电量超过BES 系统的最大值时，系统的充电电压和电流就会超过电池系统的上限， 对储能系统造成不可逆的损坏。本文所提出的能量管理策略，可以在稳定传输系统内部电流的情况下， 通过电源控制器使BES 系统在充放电过程中，保持稳定的电流变化曲线[13]。为了保持光伏电力系统的稳定运行，需要将电网中的电流和电压控制在Vbatmax 和Ibatmax 以内。同时为了防止储能系统的过度充放电，电源转换器应满足如下条件：

电池充电的参考电压和电流水平 是温度（TB）的函数，用F 来表明函数映射关系。如果不满足式（1），则不受控制的能量流可能会导致电池充电电压过高，造成电池不可逆转的损坏。 为了避免这种不良影响，本文将形成网格的电池转换器设计为多变量系统：直接调节，控制交流电压、频率和相角；间接调节，控制直流电压、电流和剩余电量（State of Charge， SOC），稳定BES 系统的充电电压。 电池转换器的正弦波（t）由调制指数mi、振幅标尺参考VM 和初始相位角θ0 生成。

式中：（VM+vm）为交流电压的幅值；（fn+Δf）为基波频率；（θ0+θ）为相电压。

根据式（2），电池转换器可以控制与交流电源线有关的3 个独立参数：（VM+vm），（fn+Δf）和（θ0+θ）。 这3 个独立的参数组合成一个更复杂的通信结构， 其中电池转换器通过交流电源线与其他分布式电源转换器进行通信。

电池转换器可作为具有电压控制功能的电压源逆变器，直接控制输出电压的产生（幅值、频率和相角），具体如下所示：

图1 为使用电池转换器和并网光伏逆变器的混合电力传输系统的控制框图， 其中并网光伏逆变器控制结构具有最大功率点跟踪和功率缩减功能。光伏逆变器的控制器不断监视电网参数，并在检测到接收信号cF 发生特定变化的情况下对传输模式进行解调。从图1 中可以看到，BES 充电曲线依赖于电力线的间接控制， 而无需依靠其他有线通信方式。

图1 控制框图
Fig.1 Control block diagram

通常使用以下3 种方法实现电池转换器（发射器）和PV 逆变器（接收器）之间的通信：

①cF 的线性变化；

②cF 基于模式的变化；

③数字调制传输。使用此特定方法，电池转换器对可控制的载波信号cF 进行调制，光伏逆变器以类似于模数转换的方式对信息进行解调。 cF 的变化以0 和1 的格式提供信息。例如，如果电压相位角是用于通信的信号， 则以二进制频移键控（Frequency Shift Keying， FSK）的形式使用。 在这种特殊情况下，发射器（电池转换器）会引入cF 的变化， 然后检测并解调此时传输系统中电路的电流变化情况。

表2 为在电池转换器和光伏逆变器分布式发电机中电源管理控制器的设计要求。

在本文所提出的光伏电源混合储能控制策略中，电源管理控制需要与多个交流网络进行连接。这种连接和控制方式可以完成多阶段的充电状态监控以及外部发电机之间的信息同步和传递工作。

表2 电源管理控制器的设计要求
Table 2 Design requirements for power management control

2 基于频率控制的能量均衡和减载策略

本文基于频率的电源管理控制为BES 的多级充电功率平衡和减载提供了一种鲁棒的方法，该方法可以有效减少系统的能量损耗， 增强整个链路的稳定性，控制结构如图2 所示。

图2 用于电池转换器线路频率控制的通用控制结构
Fig.2 General control structure for line frequency control of battery converter

图2（a）为本文设计的一种通过控制光伏逆变器的功率来间接控制电池充电电压和电流的网格结构。 当检测到反向功率/电流时（按常规的充电模式Pdc>0 或Idc>0），数字开关kchg 被关闭。两个控制器的输出（GdcV，GdcI）相加并在最大值Δfmax 之下限制整个系统的扰动。

用于线路频率控制的电池电压和电流控制器以 比 例 积分（Proportional Integral，PI）补偿器 的形式进行选择（带有参数kPv，kPi，kIv，kIi）。 该PI 控制器在低频状态时， 具有稳态误差补偿和更高的增益；在高频状态时，具有稳态的误差补偿和较低的增益，并且可以控制直流电压和电流（Vdc，Idc）以低于额定角频率（ωn=2πfn）的角频率（ωf）进行滤波以消除波纹（2ωn）。 稳定的增益比能够在瞬态条件下更快地响应线路频率的变化。 对直流电压或电流的调整最终会导致线路频率的线性增加（Δfv+Δfi），这会被光伏逆变器检测到，并减少功率直到达到能量平衡为止，具体如式（4）所示。

电池转换器的控制器是利用线性频率变化设计的，其中cF=Δf，并且需要依赖电流、电压和SOC参数。考虑到系统电源管理，可以设计具有减载功能的以直流和交流为中心的电源系统。 减载功能扩展了通信机制的适用性， 使其可用于交流负载管理和PV 逆变器。 如果电力系统使用BES 的电力储备运行，或者预测RES 的可用性较低（例如，冬季太阳辐照度水平较低），则减载功能将发挥作用。在这种模式下，交流负载按预定的优先顺序关闭。图2（b）为在孤岛离网模式下运行的电池转换器，以及带有可控断路器的交流面板，用于分配交流负载。 电池转换器可直接对SOC/SOH（SOH 为电池健康度）进行BES 监控，并控制交流断路器的位置（断开或闭合）。交流减载模式（常规放电模式Pdc<0，Idc<0）的过渡（kdis=on）通过使用如下频率梯度公式实现：

具备减载功能的电源管理策略可以在电池转换器控件内或交流断路器中（远程控制，集成在配电面板上）实现。配电面板旨在通过使用控制方程cF 来控制交流断路器[图2（b）]。在这种情况下，电池转换器通过向下的频率变化间接命令断路器改变其状态，如式（6）所示。

当SOC 降低到一定限制以下时 （即SOClim=50%），BES 的充电状态受到持续监控， 非关键负载通过控制功能关闭，如图2（b）所示。

2.1 BES 充电电源系统分析

图3 具有线频控制和通信能力的以交流为中心的电力系统中能量流控制的按键波形
Fig.3 Button waveform of energy flow control in AC-centric power system with line frequency control and communication capabilities

图3 为具有线频控制和通信能力的以交流为中心的电力系统中能量流控制的按键波形。 图3（a），（b）显示了在电池转换器中实现的多级充电曲线，以满足BES 的稳定工作需求。 电池转换器将BES 的SOC 和SOH 参数维持在一个稳定的区间。

在t1 时，启动BES 充电周期，直流电压（Vdc）和电流（Idc）随着光伏能源的使用而增加。在t2 时，电池转换器将线路频率从其标称值上移（fn→fabs），这是由于直流电压接近吸收水平（Vabs）。光伏逆变器输出功率开始从瞬时功率Pm 减少至电压吸收功率（Pabs）。 在t3 时，直流电流从体电流（Ibulk）降低到可吸收电流（Iabs），导致频率由可吸收频率→极限频率变化（fabs→flim），进而使PV 逆变器的功率削减（flim）。在t4 之后，电池整流器的充电曲线转变为浮充阶段，随着临近浮动频率（ffloat），进一步推动频率变化， 而光伏逆变器会自动减少发电量浮动功率（Pfloat）。

2.2 BES 放电减载

在低辐照度条件下， 光伏能量不足以满足交流负载需求。 交流负载减少操作如图3（c）所示，在较高的交流负载需求期间变为活动状态。 电池SOC 电量较低时（SOC<SOClim），电池转换器降低线路频率（f），而频率变化会导致交流负载序列断开。 电池的尺寸和寿命是SOH 的函数，并且取决于充电/放电速率、SOC 范围、放电深度、循环次数和工作温度。系统转换效率的指标（ηconv）需要在系统选型时加以考虑，以确定从BES 到交流端口的有效可用能量。

3 仿真与数据分析

本文通过以下设置验证了用于功率流控制的智能能量管理策略的性能。 电池转换器和光伏逆变器使用两电平全桥， 单相四象限，6 kVA，120/240 V-60 Hz。 铅酸（吸收性玻璃垫）电池容量为6.7 kW·h，锂离子（LiFePO4）电池容量为2.6 kW·h。 线频比例积分补偿器属性：kPv=kPi=1.8，kIv=kIi=Hz。 实验结果如图4，5 所示。

图4 使用铅酸电池进行放电和多阶段充电的能量管理策略实验
Fig.4 Energy management strategy experiment using leadacid batteries for discharge and multi-stage charging

图5 使用锂离子电池进行放电和多阶段充电的能量管理策略实验
Fig.5 Energy management strategy experiment using lithiumion batteries for discharge and multi-stage charging

图4，5 显示了能量管理策略在住宅离网应用中的实验结果， 其中频率线性变化用于功率流控制，并使用了光伏电源、交流负载和铅酸、锂离子两种电池。实验评估表明，使用铅酸电池和锂离子电池的结果相似。 在t0→t1，太阳辐照度可以忽略不计，并且光伏逆变器不收集任何能量。电池以放电模式工作，为交流负载供电（PACload=1 kW）。 在t1时，PV 转换器开始发电（PpvAC），可用太阳能PpvAC大于交流负载PACload，能量流向电池端口。在t2 时，电池电流（Idc）和电压（Vdc）开始增加，电池转换器改变频率[图5（c）]。 当频率增加时，光伏转换器降低输出， 直到达到功率平衡为止：PpvAC=PACload+Pdc。在t3 时，控制算法降低了充电电流基准（），进入限流运行模式。 电池转换器增加了频率， 导致PV 转换器功率削减（Plim）。在t2→t4，电池以吸收模式进行充电。 在t4 时，控制算法降低了充电电压基准（），进入恒压、浮充工作模式。 在此基础上，电池转换器再次增加频率，使得PV 转换器进一步减少输出功率。

4 总结

本文提出了一种针对电源系统的灵活电源管理策略， 可以在含有电池转换器和光伏逆变器的系统中高效地使用。 该能量管理策略能够充分利用电力系统中组合架构之间的连接关系， 有效缓解了电池能量存储所产生的过充电、欠充电问题，并将充放电电流控制在一个相对稳定的范围内，延长了电池的使用寿命。通过设计实验，证明了本文所提策略可以使用于多种实际应用场景， 有效增强能量的转换效率，降低使用成本。