雙電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在光伏微網(wǎng)中的運(yùn)用研究

楊國(guó)

（福建星云電子股份有限公司，福建 福州 350015）

我國(guó)國(guó)土幅員遼闊，地區(qū)之間的發(fā)展存在不平衡不充分的問題，特別是在能源的儲(chǔ)存與調(diào)度方面存在很大的難度。2011年前后，我國(guó)的中部地區(qū)曾經(jīng)出現(xiàn)過很長(zhǎng)時(shí)間供電不足的問題。這進(jìn)一步反映了傳統(tǒng)發(fā)電在國(guó)家整體能源供給中的局限性，也由此引發(fā)了更深度的能源供給思考。經(jīng)過10年的發(fā)展，目前我國(guó)在新能源開發(fā)方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，從根本上改變了電力能源供給的尷尬局面，并一躍成為電力供給與生產(chǎn)的佼佼者。光伏發(fā)電的研究功不可沒，在未來大有可為。

1 微電網(wǎng)系統(tǒng)及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在過去的幾十年里，我國(guó)的供電模式是建立在大電網(wǎng)輸送的基礎(chǔ)上的，對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)存在一定的不足。然而，隨著社會(huì)的發(fā)展，大電網(wǎng)的弊端也開始逐漸顯現(xiàn)。主要體現(xiàn)在大電網(wǎng)連接的復(fù)雜性，維修工程的資源高耗損、人員高危作業(yè)與高精力投入等，極大地限制了現(xiàn)代化城市的發(fā)展與基礎(chǔ)民生工程建設(shè)。尤其是在2008年，南方地區(qū)的大暴雪天氣直接對(duì)大電網(wǎng)系統(tǒng)造成了毀滅性打擊，使得相關(guān)領(lǐng)域研究、建設(shè)與管理人員都徹底意識(shí)到微電網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值，并快速通過相關(guān)審核，開始建設(shè)微電網(wǎng)供給系統(tǒng)。

在幾年時(shí)間里，中國(guó)的微電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)得到了極大支持，相關(guān)的課題研究也成為學(xué)術(shù)熱點(diǎn)，進(jìn)一步促進(jìn)了微電網(wǎng)領(lǐng)域的繁榮發(fā)展。在新能源概念的影響下，也進(jìn)一步催生了將新能源發(fā)電有效融入微電網(wǎng)建設(shè)系統(tǒng)中的理念。其主要的實(shí)施策略在于分布式發(fā)電系統(tǒng)的建立。在某個(gè)特定區(qū)域內(nèi)，根據(jù)當(dāng)?shù)氐淖匀毁Y源情況進(jìn)行分析，整合出一整套發(fā)電系統(tǒng)以滿足當(dāng)?shù)氐碾娏┙o，實(shí)現(xiàn)本地區(qū)資源的“即發(fā)即用”。這樣的電力供給設(shè)想，在極大程度上改善了大電網(wǎng)供給弊端的同時(shí)，也使微電網(wǎng)建設(shè)得以創(chuàng)新發(fā)展。不僅如此，這樣的供給結(jié)構(gòu)，還能將多產(chǎn)的電力資源進(jìn)行有效輸送，極大程度上還能解決偏遠(yuǎn)地區(qū)和孤島地區(qū)的電力供給問題。

2 儲(chǔ)能技術(shù)在微電網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 儲(chǔ)能技術(shù)的基本概念

在進(jìn)行微電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用的過程中，儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)是極為重要的項(xiàng)目。尤其在遠(yuǎn)距離輸送與解決欠發(fā)達(dá)地區(qū)的用電問題上，更需要儲(chǔ)能系統(tǒng)充分發(fā)揮自身的功能。儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)，在穩(wěn)定可再生資源輸出功率波動(dòng)問題上具有非常重要的科研意義，尤其是考慮到用電低峰期與高峰期之間的能量供求差的問題上顯得更為重要。完善的儲(chǔ)能技術(shù)，能夠極大避免電力損耗問題，尤其是能夠在很大程度上減少發(fā)電過程對(duì)資源的浪費(fèi)，平衡系統(tǒng)的整體運(yùn)作功率，維持微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

要實(shí)現(xiàn)電能儲(chǔ)存，就需要將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，如化學(xué)能、機(jī)械能，等等。本文介紹的重點(diǎn)，是將電能轉(zhuǎn)換為電池能保存在特定的電池系統(tǒng)中，這也是目前我國(guó)廣泛使用的電能儲(chǔ)存手段之一。其最大的優(yōu)勢(shì)在于存儲(chǔ)方便，且相關(guān)經(jīng)濟(jì)投入較低，能夠極大適應(yīng)中國(guó)的基礎(chǔ)民生發(fā)展。

2.2 儲(chǔ)能技術(shù)的微電網(wǎng)應(yīng)用

儲(chǔ)能技術(shù)研究的前提，是要根據(jù)實(shí)際需要選擇最合適的儲(chǔ)能裝置類型。在國(guó)內(nèi)幾十年的研究中，已經(jīng)對(duì)相關(guān)儲(chǔ)能裝置的基本特征和使用場(chǎng)合有了非常清晰的實(shí)驗(yàn)研究和類別劃分。從儲(chǔ)能裝置的基本工作原理角度上，其主要的組成在于電池和超級(jí)電容器的有機(jī)組合，利用兩者之間的互補(bǔ)性質(zhì)，分別承擔(dān)低頻能量和高頻能量，以滿足對(duì)電能儲(chǔ)存的基本需求的同時(shí)，保證電能存儲(chǔ)質(zhì)量。

目前，國(guó)內(nèi)使用做普遍的存儲(chǔ)設(shè)備是鋰電池。之所以選擇鋰電池，是因?yàn)槠渚邆漕l繁充放電兼容能力、過放和過沖的功率穩(wěn)定性以及使用溫度的適配性三項(xiàng)優(yōu)良性能。在大量的實(shí)驗(yàn)總結(jié)中，根據(jù)鋰電池的性能反饋與數(shù)據(jù)運(yùn)行反饋進(jìn)行深入分析的過程中，又提出了關(guān)于使用雙電池系統(tǒng)的設(shè)想。這一設(shè)想的基本邏輯，在于進(jìn)一步延長(zhǎng)電池組的使用壽命，并且在裝置物理性能范圍內(nèi)提升能量利用率，通過這兩項(xiàng)指標(biāo)的改良，進(jìn)一步降低微電網(wǎng)光伏發(fā)電的生產(chǎn)成本，這也將進(jìn)一步適應(yīng)民生發(fā)展，促進(jìn)社會(huì)生產(chǎn)積極性，推動(dòng)各項(xiàng)事業(yè)健康與可持續(xù)發(fā)展。

3 雙電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在光伏微網(wǎng)中的應(yīng)用

對(duì)于光伏微店網(wǎng)而言，儲(chǔ)能裝置是重要且具備很強(qiáng)實(shí)用價(jià)值的部分。其作用對(duì)光伏微店網(wǎng)而言，可以說是微電網(wǎng)系統(tǒng)的靈魂，能夠有效平衡電能產(chǎn)生、存儲(chǔ)與輸送之間的關(guān)系，并且對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行而言也是不可或缺的核心部分。

3.1 儲(chǔ)能裝置的分類與選擇

常見的儲(chǔ)能裝置主要有四種：超導(dǎo)儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超級(jí)電容和蓄電池。其他的儲(chǔ)能裝置在實(shí)際應(yīng)用過程中使用不多，且均是在特殊環(huán)境下使用，在此不做介紹。每種儲(chǔ)能裝置都有著自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其主要的分類依據(jù)在于能量存儲(chǔ)密度、功率密度等。

（1）快速儲(chǔ)能裝置。在響應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部能量變化上具有相當(dāng)?shù)拿舾行?，在短時(shí)間內(nèi)能夠適應(yīng)設(shè)備的能量變化。一般情況下，作為短時(shí)間的備用存儲(chǔ)設(shè)備或者保護(hù)設(shè)備使用，具有代表性的是超級(jí)電容。

（2）長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能裝置。能夠?qū)⒛芰吭谘b置中存儲(chǔ)很長(zhǎng)時(shí)間，自身的能量密度很高，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量的長(zhǎng)期存儲(chǔ)與釋放，并且可以進(jìn)行能量的有效交換。但是，其工作環(huán)境需要能量變化比較穩(wěn)定，不能出現(xiàn)瞬間變化的情況，代表性的裝置有蓄電池、發(fā)電機(jī)等。

3.2 儲(chǔ)能裝置的等效模型

在電池內(nèi)部，充電過程和放點(diǎn)過程往往都是通過一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)。由于化學(xué)反應(yīng)的特殊性，要想對(duì)電池工作狀態(tài)、相關(guān)特性進(jìn)行深入研究，最主要的方式就是建立起有效的數(shù)字模型。在這一基本思路下，等效電路模擬法孕育而生，并且快速發(fā)展出四種主要模型，既線性模型、多階RC環(huán)路模型、戴維南模型和PNGV模型。

3.3 鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC檢測(cè)

在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，鋰電池是在PV系統(tǒng)中發(fā)揮自身作用的。要想使鋰電池的性能發(fā)揮最大化，就必須適應(yīng)PV系統(tǒng)在輸出能源時(shí)的間歇性和波動(dòng)性特征，以保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作的穩(wěn)定與高效。為了實(shí)現(xiàn)這一基本目的，要讓鋰電池具備兩方面的系統(tǒng)職能。一方面，是要充分保障發(fā)電側(cè)與網(wǎng)側(cè)功率供給的平衡，長(zhǎng)期維持直流電壓的穩(wěn)定運(yùn)行；另一方面，是要具備在負(fù)載功率發(fā)生較大波動(dòng)時(shí)平衡系統(tǒng)運(yùn)行的基本能力，尤其是整個(gè)光照環(huán)境發(fā)生重大變化時(shí)，能夠有效抵消輸出功率的短時(shí)間波動(dòng)。因此，需要引入SOC函數(shù)關(guān)系分析電池的參數(shù)變化，并且找出最優(yōu)解。

3.4 充放電深度對(duì)電池使用壽命的影響

一般來說，與電池使用壽命之間相關(guān)的，是電池使用周期內(nèi)的充電、放電深度。在這一基本情況下，要想實(shí)現(xiàn)鋰電池組使用壽命的延長(zhǎng)，就必須從充、放電深度理論研究著手。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)測(cè)出的數(shù)據(jù)，分析鋰電池的性能衰減參數(shù)，找到鋰電池的最佳充電、放電范圍，在使用的過程中注重對(duì)衰減參數(shù)的有效控制，設(shè)定合理的運(yùn)行參數(shù)指標(biāo)。

3.5 雙向DC/DC變換器的工作原理

本文的分析重點(diǎn)，是在交直流母線型微電網(wǎng)中，研究PV系統(tǒng)下鋰電池組的運(yùn)行工作原理問題。當(dāng)電路連通后，鋰電池組將會(huì)以雙向DC/DC交換器的方式與直流母線相連，直流母線與交流母線之間的連接也會(huì)借助逆變器完成，最終接入大電網(wǎng)。在這一過程中，鋰電池組內(nèi)電能的儲(chǔ)存與釋放，都需要借助這一基本系統(tǒng)完成。

3.6 雙電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略

借助光伏微電網(wǎng)的模型分析技術(shù)，可以得到微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部的輸出功率發(fā)生變化，鋰電池組將通過自身的充電、放電機(jī)制進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到系統(tǒng)內(nèi)部的功率達(dá)到平衡狀態(tài)，維持系統(tǒng)內(nèi)部的電壓穩(wěn)定。也就是說，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏微店網(wǎng)電有效控制，就必須借助雙電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)節(jié)機(jī)制，利用其中的數(shù)據(jù)分析與充電、放電功能觸發(fā)條件，就能夠維持整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)平衡。

4 結(jié)語

綜上所述，我國(guó)的雙電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的光伏微網(wǎng)應(yīng)用雖然在過去的十幾年間取得了一系列重大技術(shù)突破，但總體而言還有一段路要走。世界上關(guān)于電池儲(chǔ)能技術(shù)的研究有很多，但是真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的卻只有我國(guó)，這意味著中國(guó)的電池儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展擁有極好的物理實(shí)踐基礎(chǔ)，這也正是我國(guó)能夠提出并實(shí)驗(yàn)雙電池儲(chǔ)能理論的根本原因所在。在實(shí)際發(fā)電過程中，PV陣列的輸出功率問題還是未來一段時(shí)間需要重點(diǎn)攻關(guān)的課題，不僅要充分考慮感性與溶性問題，更需要考慮純阻性負(fù)載問題。堅(jiān)信在未來幾年內(nèi)，光伏發(fā)電與電池儲(chǔ)能技術(shù)將會(huì)更加完善。