光伏微網系統中儲能單元的控制研究

安鵬

摘要：隨著環境污染和資源短缺問題的日趨嚴重，可再生能源的發展特別是光伏發電備受人們的關注。儲能單元作為微網系統的重要組成部分，對微網系統的穩定、安全、可靠運行發揮著至關重要的作用。本文對應用在光伏微網系統中的儲能單元展開研究，以保證其能滿足光伏微網系統不同的充放電要求，提出了相應的充放電控制策略。

關鍵詞：微網；儲能單元；蓄電池；控制策略

中圖分類號：TM912文獻標識碼： A

將儲能單元應用到微網系統中，能夠承擔分布式發電單元波動造成的功率差額，降低對敏感負荷及電網的沖擊；能夠保證微網系統在并網與離網兩種運行模式間的平穩過渡，改善微網系統的電能質量?？梢?，設計出性能優越的儲能單元及合理有效的控制策略，使其快速響應微網系統要求，已成為微網系統中研究的關鍵問題之一。鉛酸蓄電池以其能量密度高、儲存能量大、儲能技術成熟、成本低等優點在微網領域獲得了廣泛應用。

一、我國光伏微網發展現狀

光伏微網最主要的特征是既可以獨立運行，又可以與電網并網運行。2008 年，國內第一個光伏微網實驗研究系統在杭州電子科技大學建立。該系統的電源包括光伏陣列，柴油發電機，蓄電池組。其中光伏發電比例達 50%，柴油機的功率為 120Kw。預計每年可節約 48t標準煤。北京交通大學姜久春等教授已經成功研制出太陽能光伏微網發電系統，并于 2009 年 4 月在北京申請專利。同年10 月份，武漢承光博德光電科技有限公司的馬玉林等研制出微網太陽能光伏供電系統，也在武漢申請專利。該系統中微網變流器含有 DC/AC 和 AC/DC 變換器功能，當光伏陣列無能量且蓄電池荷電狀態較低，電網通過 AC/DC 變換對蓄電池進行充電，保證蓄電池始終處于較高的荷電狀態，延長蓄電池壽命。光伏微網系統結合并網型光伏發電技術和離網光伏發電技術的優點，解決當前中小功率太陽能光伏發電推廣面臨的成本高、效率低的問題，同時也為發電系統轉型和升級提供方便。目前，國內雖然大約有 4.5 萬小水電站，但在枯水期間一連幾個月都無法發電，從而造成該區域無電或缺點，同時，光伏微網技術也是智能電網技術的一部分，在這些區域建立光伏微網是必要的。

二、光伏微網系統結構

本文所研究的是一個小型光伏微網系統的儲能單元，其選用光伏作為分布式電源，通過逆變器與交流母線相連。同時交流母線還接有儲能單元，用于保證微網系統的能量供需平衡。光伏微網系統中還設有一個靜態開關，實現交流母線與電網的連接和斷開。靜態開關閉合時，微網以并網模式工作；靜態開關斷開時，微網工作在離網模式。此外，中心控制器通過與底層控制器通信對微網系統進行總體調度和控制，而底層的控制器則用來響應中心控制器的控制指令以完成對自身的控制。此光伏微網系統采用的是基于交流母線的微網結構。這種結構形式既不會由于某個分布式電源出現故障而導致整個系統崩潰，也不會由于只接一個逆變器而導致系統增大容量時受到逆變器功率等級的限制。但是這種形式下多個逆變器并聯于交流母線上，不僅成本會大大提高，而且控制還較為復雜，需控制多個逆變器同步工作，否則會在逆變器之間出現環流，對微網系統造成危害。

鉛酸蓄電池能量密度高，能存儲較多的能量，并且可靠性高，而近年來，閥控式密封鉛酸蓄電池由于具有免加水維護、不漏液、污染小、壽命長等優點而在電力領域得到廣泛應用。閥控密封式鉛酸蓄電池主要由正負極接線端子、正負極板、隔板、電解液、安全閥以及外殼等組成。一般一個 12V 的鉛酸蓄電池由6 個單格電池串聯組成，每個單格電池的額定電壓為 2V。每個單格電池都包括多個正極板、負極板以及正負極板之間的玻璃纖維隔板，并且在它們之間添加了一定比重的稀硫酸電解液。單格電池串聯之后，分別將第一個單格電池的正極和最后一個單格的負極引出作為整個鉛酸蓄電池的正、負極接線端子。

隔板位于正負極板之間，不僅可以防止兩極板間短路，而且還不會阻隔正負極板間離子的流通。在充放電過程中蓄電池內部會產生大量氣體，為了避免發生爆炸，需將氣體排出，所以蓄電池結構中安裝有安全閥。VRLA 蓄電池安全閥具有單向性，不允許外部空氣進入蓄電池，并且在蓄電池內部壓強達到一定壓強時，其自動打開以排出氣體而保護蓄電池，同時安全閥的密封作用也使得蓄電池在使用過程中失水量降低而減少加水維護。

VRLA 蓄電池的工作原理與傳統鉛酸蓄電池基本相同，在充放電過程中，蓄電池內部的化學反應方程式如下：

放電

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

充電

而正、負極板的化學反應方程式則為：

放電

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

充電

放電

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

充電

從上述化學反應方程式中可以看出，VRLA 蓄電池在充電時，正、負極板上在放電后生成的硫酸鉛分別被分解還原成活性物質二氧化鉛和鉛，同時生成硫酸。隨著充電過程的繼續，蓄電池內部會有氣體生成，正極生成氧氣，負極生成氫氣。VRLA 蓄電池采用密封式結構，產生的氣體不會排到蓄電池外部，隨著氣體量的不斷增加，蓄電池內部的壓力會將正極產生的氧氣推向負極，將負極的鉛氧化成氧化鉛，氧化鉛又與硫酸反應生成硫酸鉛，從而繼續進行負極的充電反應，這樣既緩解了蓄電池內部的氣壓，同時減少了氧氣與氫氣復合生生水而流失。另外，VRLA 蓄電池采用特殊的板柵材料使得負極生成氫氣的含量大大減小，這同樣也降低了失水量。蓄電池在放電時，正、負極板上的活性物質與硫酸發生化學反應生成硫酸鉛使電解液的濃度降低，從而使蓄電池的內阻增加，導致其電動勢降低。

三、微網中儲能單元的控制策略

由于儲能單元應用在微網系統中，因此設計儲能單元的控制策略時，要考微網系統的運行方式及控制策略。微網系統的控制策略主要從系統級和單元級兩方面來考慮。顧名思義，系統級控制策略指的是微網系統的整體控制策略，而單元級控制策略是指微網系統中各單元包括儲能單元的控制策略。

1、微網系統的整體控制策略主要包括主從控制和對等控制兩種方法。

主從控制是針對微網系統工作在離網模式下提出的控制思想。微網系統由于電網故障而與主網斷開，為了確保負荷仍能正常工作，需要有微網系統中的一個或多個分布式電源來提供交流母線上的電壓和頻率支撐。主控單元通過與從控單元之間的通信來獲取從控單元的運行信息，并向從控單元傳達控制指令以控制其作出相應的響應?？梢?，主從控制方式下，通信線路一旦出現故障，系統就會崩潰。同時，這種控制模式下，主控單元的容量以及安全性有著嚴格的要求：主控單元要有足夠的容量以滿足負載的要求；主控單元要將故障發生的概率降到最低以確保其能為微網系統提供頻率和電壓的支撐。

對等控制則是指各分布式電源沒有主從之分，它們共同來維持交流母線的電壓和頻率的穩定。各分布式電源間可以不用通信線路相連，根據各自的下垂特性曲線來對自身進行控制以實現交流母線電壓和頻率的自動調節。在某個分布式電源出故障時，可立即退出運行而對整個微網系統不會造成影響。同樣，當微網系統需要加入新的分布式電源時，可以以相同的控制策略直接接入微網系統，不會對整個系統產生影響，實現了“即插即用”的功能。但是，這種控制方法對非線性負載調節性較差，抗干擾性不高，并且需要較高的控制精度。

2、微網單元級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，簡單的說，就是對分布式電源輸出的有功功率和無功功率進行控制的一種方法。并網運行時，微網系統中各分布式電源不參與交流電壓和頻率的調節，而是由主網承擔，因此這時各分布式電源均可采用P/Q 控制策略。離網運行時，無論微網系統采用的是主從控制還是對等控制，這時均有分布式電源來提供交流母線上的電壓和頻率支撐，而其它分布式電源則采用 P/Q 控制策略調節微網系統的有功和無功功率。P/Q 控制策略一般有兩種方式，一種是有功功率和無功功率分開控制，有功功率控制是通過給定分布式電源的有功輸出并控制直流母線電壓穩定來完成的，而無功功率控制則是通過控制逆變器來輸出給定值。另一種方式是有功和無功的控制均由逆變器承擔，通過對逆變器控制以輸出給定的有功功率和無功功率。

Droop 控制也稱作下垂控制，它借鑒了電力系統的一次調頻功能，利用傳統發電機的有功-頻率（P-f），無功-電壓（Q-U）兩條特性曲線，對分布式電源中的逆變器進行控制，實現對微網系統交流母線上電壓和頻率的調節。這種控制方法多應用于微網系統離網運行的工作模式下，多個分布式電源的逆變器并聯，各自采用下垂控制策略，共同維持交流母線電壓和頻率的穩定。它們當中每臺逆變器無需與其他逆變器進行通信，而只需檢測自身的運行信息，控制有功和無功的輸出。

V/f 控制指的就是對分布式電源逆變器的電壓和頻率進行控制，以提供交流母線電壓和頻率的支撐。在微網系統離網運行時，某分布式電源的逆變器會采用這種控制方法來維持微網交流母線電壓和頻率的穩定。通常采用V/f 控制策略的分布式發電單元應選用能持續供電的分布式電源如燃氣輪機等，而那種會因為天氣原因而導致供電不穩定的分布式電源如光伏發電等不宜采用此控制方法。

四、結語

本文結合光伏微網系統的結構及運行特點從能量流和功率流角度分析了儲能單元的不同工作模態，并提出相應的能量調度管理及充放電控制方案。因此，做好光伏微網系統中儲能單元的控制研究工作，制定微網系統中儲能單元的控制策略，保證系統安全運行，有效減少蓄電池的多次小循環放電行為，大大提升儲能單元的儲能經濟性，促進我國電力經濟的發展。

參 考 文 獻

[1] 廖志凌，阮新波. 獨立光伏發電系統能量管理控制策略[J]. 中國電機工程學報，2009，29(31): 46-52.

[2] 杜棋峰. 光伏微網系統的儲能單元研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012：25-33.