黃小紅 程鵬志 白兆海 黃智尚

隨著光伏發(fā)電接入電網(wǎng)的比例不斷提高，光伏發(fā)電的間隙性與不可確定性給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來了很多問題，而光儲電站可通過能量存儲和資源容量配置實(shí)現(xiàn)本地能源生產(chǎn)與用能負(fù)荷的基本平衡。

對于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，通過配置一定容量的儲能系統(tǒng)組成可控型光儲一體化發(fā)電系統(tǒng)，使光伏發(fā)電具有與傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)一樣的特性，具備可調(diào)度能力，減少對大電網(wǎng)的并網(wǎng)沖擊，解決大規(guī)?？稍偕茉撮g歇性、波動性、不確定性及電力電子接口給電網(wǎng)帶來的問題，進(jìn)而提高可再生能源的置信度與在用戶側(cè)的安全消納。

對于微電網(wǎng)系統(tǒng)，應(yīng)本著“因地制宜、科學(xué)設(shè)計(jì)”的原則，組建光儲微電網(wǎng)，可根據(jù)需要與公共電網(wǎng)靈活互動且相對獨(dú)立運(yùn)行。由光儲電站形成的微電網(wǎng)項(xiàng)目可依托已有配電網(wǎng)建設(shè)，也可以結(jié)合新建的獨(dú)立電網(wǎng)建設(shè)；可以是單個(gè)光儲微電網(wǎng)，也可以是某一區(qū)域內(nèi)多個(gè)光儲微電網(wǎng)構(gòu)成的微電網(wǎng)群。

近幾年來，在能源與環(huán)境問題的驅(qū)使下，光伏發(fā)電在我國得到了飛速的發(fā)展，但相應(yīng)的問題也越來越明顯，導(dǎo)致棄光限電問題嚴(yán)重。光儲電站可作為光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的升級版，通過能量管理系統(tǒng)將太陽能的自由利用和常規(guī)能源的高效利用結(jié)合起來，促進(jìn)太陽能的高比例且更為有效的利用。對于高比例光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性及光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)的研究正成為學(xué)術(shù)界的探討熱點(diǎn)，但還停留在研究與示范階段。

毫無疑問，目前儲能系統(tǒng)是制約光儲電站規(guī)模化發(fā)展的重要因素。本文主要針對光儲電站的特點(diǎn)，以鋰離子電池作為研究對象，通過對鋰離子電池充放電控制的原理分析，提出了用于光儲電站的部分荷電循環(huán)充放電控制策略，針對具體的光儲電站給出了實(shí)施方案，并結(jié)合實(shí)際光儲電站的應(yīng)用場合給出了數(shù)字仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果。

一、鋰離子電池應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著技術(shù)的進(jìn)步，鋰離子電池的性能指標(biāo)不斷提高。相比于鉛酸電池，鋰離子電池具有較高的能量/功率密度、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因而使得其在微電網(wǎng)、電動汽車等系統(tǒng)中得到了越來越多的應(yīng)用。鋰離子電池正極材料主要有磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料等種類。國內(nèi)廠家如比亞迪、中航鋰電等廠家多采用磷酸鐵鋰方案；而韓國廠家，如三星SDI采用錳酸鋰方案；美國特斯拉最近推出的儲能系統(tǒng)則采用三元材料的方案。在目前國內(nèi)的動力電池市場上，主流產(chǎn)品是磷酸鐵鋰電池，因?yàn)榱姿徼F鋰價(jià)格相對比較便宜、安全性好、倍率大，而且充放電循環(huán)壽命比較好。

但是隨著三元鋰電池安全性問題的改善，國內(nèi)的電池廠商也開始逐漸傾向于三元鋰電池的路線。安全性瓶頸解決之后，三元鋰電池能量密度高，成本低的優(yōu)勢就顯露了出來。磷酸鐵鋰能量密度低，在同樣的容量下，磷酸鐵鋰電池質(zhì)量更大、體積更大，嚴(yán)重影響了儲能系統(tǒng)的儲電容量；而三元鋰電池要好得多。在倍率放電方面，三元鋰電池不如磷酸鐵鋰。在壽命方面，三元鋰電池不如磷酸鐵鋰電池，但是用戶往往更在意初次采購成本，而不太關(guān)注電池的更換成本，而且從電池行業(yè)的趨勢看，隨著產(chǎn)能的擴(kuò)張，鋰電池的價(jià)格每年都在下降，真正到了需要更換電池組的時(shí)候，成本也許沒有想象的高。

目前在倍率放電及循環(huán)壽命磷酸鐵鋰電池要比三元電池優(yōu)越，并且在當(dāng)前的技術(shù)水平和安全可靠性方面，磷酸鐵鋰電池較好，因此綜合考慮，本文選擇磷酸鐵鋰電池方案為研究對象。

二、鋰離子電池充放電原理說明

與鉛酸蓄電池的充電過程類似，鋰離子電池充電的基本要求是需要一定的充電電流和充電電壓來保證電池安全充電。在常規(guī)應(yīng)用下，根據(jù)不同應(yīng)用場合，鋰離子電池充電分為3種情況：標(biāo)準(zhǔn)充電、快速充電和維護(hù)充電?？焖俪潆娛菫榱四軌蚪o鋰離子電池快速充進(jìn)較多的電量而提出一種充電策略，根據(jù)用戶不同的充電時(shí)間要求，可提供0.5h、1h、1.5h、2h甚至長期的充電策略，這種方法對電池壽命有消極影響，一般不推薦使用。維護(hù)性充電是為了避免長時(shí)間自放電造成的過放電而引發(fā)的容量不可恢復(fù)的損失所采取的一種充電方法，一般電池存儲或使用6個(gè)月要對其進(jìn)行維護(hù)性充電，目前業(yè)內(nèi)較為廣泛的充電方法還有脈沖充電、反向電流充電等去極化效果較好的恢復(fù)容量的充電方法[1]。

標(biāo)準(zhǔn)充電是一種正常的使用場合下的充電方法，下面以國內(nèi)廠家主流CA180FI型號的鋰離子電池來說明典型的標(biāo)準(zhǔn)充電過程。CA180FI電池單體額定電壓為3.2V，放電終止電壓為2.5V，其典型充電過程如圖1所示。

圖1中黑實(shí)線為充電電壓-電流曲線，從上可以看出鋰離子電池的標(biāo)準(zhǔn)充電過程可以分為3個(gè)階段：第1階段：預(yù)充電階段，當(dāng)電池處于過放狀態(tài)時(shí)，先以小電流進(jìn)行涓流充電，直到電池電壓抬高至一定值；第2階段：恒流充電階段，即以較大的電流恒定充電，直到電池電壓達(dá)到一定的限值（這個(gè)階段具體又可以根據(jù)充電速度及具體情況分為多段恒流充電，初始以較大的電流充電，之后階段以較小充電電流恒定充電，在之后以更小電流恒定充電，直到電池電壓達(dá)到一定的限值）；第3階段：恒壓限流充電階段，在恒流充電使得電池電壓達(dá)到一定限值后，采用恒壓充電，直到電流小于一定值后，停止充電。

在環(huán)境溫度（25±5）℃的條件下（如果溫度不在此范圍內(nèi)，需要根據(jù)廠家提供的溫度曲線進(jìn)行等效折算），檢測電池電壓，若電壓低于2.5V（電池過放），先對蓄電池進(jìn)行小電流涓流充電，直到電壓高于2.5V，然后對電池以0.5C恒流充電至充電限制電壓3.65V后再恒壓充電，直至電流小于0.05C，充電停止。

與充電過程類似，標(biāo)準(zhǔn)放電曲線如圖1中灰實(shí)線所示，詳細(xì)過程這里不再贅述。

三、控制策略及分析

1.控制策略

（1）部分荷電狀態(tài)循環(huán)充放電方法[2-4]

基于部分荷電狀態(tài)（SoC）循環(huán)的儲能電池充電方法，是一種包含相對窄的荷電狀態(tài)窗口的循環(huán)方法，其優(yōu)點(diǎn)是在一個(gè)大約20%～90%的荷電狀態(tài)窗口內(nèi)，能夠保證蓄電池在正常充放電條件下，既不深度放電也不深度充電。但從儲能系統(tǒng)能量傳輸方面來看，這種方法犧牲了最大限度地利用能量，但從電池整個(gè)生命周期來看，這種方法能夠大大提高電池的循環(huán)使用壽命。美國GNB公司首先將這種方法應(yīng)用于光伏儲能系統(tǒng)中。采用基于鋰離子電池的部分荷電狀態(tài)循環(huán)的充放電控制圖如圖2所示。

由圖2可知，鋰離子儲能電池的充放電過程可分為3個(gè)階段，首先蓄電池從完全荷電狀態(tài)開始放電，直至降到約20%的荷電狀態(tài)；然后是一長期部分荷電狀態(tài)循環(huán)的充電/放電階段，一般在20%～80%荷電狀態(tài)之間循環(huán)，并將逐漸降低荷電狀態(tài)；最后是定期地實(shí)施完全條件的充放電，使蓄電池恢復(fù)到100%的荷電狀態(tài)。

（2）控制流程圖

在光儲電站中，儲能電池的放電主要取決于系統(tǒng)接入的電網(wǎng)和負(fù)荷，可通過能量管理系統(tǒng)的控制策略來制定，但充電主要取決于光伏發(fā)電及后級的電網(wǎng)和負(fù)荷，所以其過程需要通過嚴(yán)格的充電流策略流程來實(shí)現(xiàn)。結(jié)合以上光儲電站中基于部分荷電狀態(tài)循環(huán)充放電控制策略，具體實(shí)施過程中加入光伏最大功率點(diǎn)跟蹤控制，策略具體實(shí)施流程圖如圖3所示。

2.分析

（1）系統(tǒng)搭建

為驗(yàn)證以上鋰離子電池的充放電控制策略，筆者團(tuán)隊(duì)所搭建的光儲電站的拓?fù)鋱D如圖4所示，具體組成包括光伏陣列、DC/DC變流器、儲能裝置、DC/AC變流器，以及能量管理系統(tǒng)；DC/DC變流器的輸入端與光伏陣列相連接，DC/DC變流器的輸出端通過儲能裝置與DC/AC變流器的輸入端相連，儲能裝置的輸出端與DC/AC變流器的輸入端連接，DC/AC變流器與公共連接點(diǎn)連接；DC/AC變流器負(fù)責(zé)最大限度地捕獲光伏陣列的電能同時(shí)，執(zhí)行對儲能裝置的充電管理；儲能裝置對所述光儲一體化發(fā)電系統(tǒng)的電能進(jìn)行存儲；DC/AC變流器接受DC/DC變流器和儲能裝置2部分的電能，并將電能輸出至公共聯(lián)接點(diǎn)，該公共聯(lián)接點(diǎn)與外部公共大電網(wǎng)聯(lián)接；能量管理系統(tǒng)通過通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對所述光伏陣列、DC/DC變流器、儲能裝置、DC/AC變流器的數(shù)據(jù)交互，制定所述光儲一體化發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行及調(diào)度策略，實(shí)現(xiàn)對該光儲一體化發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行管理。

該系統(tǒng)的主要參數(shù)包括：光伏為20kWp；鋰離子儲能電池采用磷酸鐵鋰電池，共由112塊單體電壓為3.2V，容量為60AH串聯(lián)而成。

（2）結(jié)果分析

基于筆者提出的鋰離子電池?cái)?shù)學(xué)模型及圖4所示的實(shí)際應(yīng)用場景，在Matlab/Simlink及現(xiàn)場運(yùn)行分別進(jìn)行了數(shù)字仿真及實(shí)際運(yùn)行分析，詳見圖5所示。

由圖5可知，0.5C標(biāo)準(zhǔn)充放電I-V曲線，在恒定電流下，電池組電壓隨電池荷電狀態(tài)的變化曲線，從結(jié)果可以看出，數(shù)字仿真與現(xiàn)場運(yùn)行曲線完全吻合，從而證明筆者提出的鋰離子電池?cái)?shù)學(xué)模型是有效的。

按照筆者提出的充電控制策略，在實(shí)際光儲電站中的鋰離子電池系統(tǒng)的充電電流、端電壓及荷電狀態(tài)變化曲線如圖6所示。從圖6可以看出，初始階段，在電池荷電狀態(tài)較?。ㄐ∮?.15）時(shí)，充電控制器以0.2C（1.5A）小電流涓流充電；直到荷電狀態(tài)大于0.15，涓流充電結(jié)束，充電控制器執(zhí)行光伏最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT控制策略，電流為30A），瞬間電池端電壓會有很大升，期間電池電壓變化平緩，荷電狀態(tài)線性上升；等電池荷電狀態(tài)大于0.90時(shí)，充電控制器轉(zhuǎn)入恒壓充電模式，此時(shí)充電電流減小，電池端電壓恒定，電池荷電狀態(tài)變化緩慢直至0.95時(shí)終止充電控制。

四、結(jié)語

隨著可再生能源，尤其是光伏發(fā)電的大規(guī)模接入電網(wǎng)，未來基于鋰離子電池的儲能技術(shù)將是改變現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)及當(dāng)下社會中對能源生產(chǎn)和消費(fèi)方式的重要途徑。這種利用方式可以抑制光伏等可再生能源發(fā)電的隨機(jī)性及不確定性，大大緩解高峰負(fù)荷供電的需求，提高光伏等可再生能源對電網(wǎng)的置信度，還可以應(yīng)對集中大電網(wǎng)的突發(fā)性故障、提高終端用戶的用能質(zhì)量及個(gè)性化需求。

參考文獻(xiàn)

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