李冰 李宏

摘 要：儲能逆變器既可以支持并網(wǎng)工作，也可以支持離網(wǎng)工作，同時還支持并離網(wǎng)無縫切換，較普通并網(wǎng)逆變器或離網(wǎng)逆變器復(fù)雜很多。傳統(tǒng)的方案仍然把儲能逆變器看做一個整體，但是實際應(yīng)用中工況繁多，系統(tǒng)變得復(fù)雜龐大，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的分析和研究，進(jìn)而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了降低系統(tǒng)分析和研究的難度，筆者首先調(diào)研了儲能逆變器的市場需求，從中歸納了能量管理的方案。在此前提下，研究了一種基于母線管理的系統(tǒng)分解方案。將系統(tǒng)分解為多個子系統(tǒng)，不同工況下，通過指定不同子系統(tǒng)控制母線的辦法，讓各子系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行。通過實際驗證，方法可行有效。

關(guān)鍵詞：光伏、儲能、逆變器、母線電壓控制

0 引言

太陽能作為取之不盡、用之不竭、分布廣泛、無污染的新能源，具有更廣闊的發(fā)展前景，更受到各方研究人員的青睞。據(jù)國際能源署（IEA）預(yù)測，到2030年全球光伏累計裝機(jī)量有望達(dá)1721GW，到2050年將進(jìn)一步增加至4670GW，光伏行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

但是，太陽能光伏發(fā)電的能量直接來源于太陽光的照射，而地球表面上的太陽照射受氣候的影響很大，長期的雨雪天、陰天、霧天甚至云層的變化都會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的發(fā)電狀態(tài)。隨著光伏裝機(jī)容量的增長，光伏并網(wǎng)發(fā)電的不穩(wěn)定性問題逐漸凸顯。為解決光伏發(fā)電的穩(wěn)定性，同時增加電網(wǎng)的可靠性，均衡峰谷電荷，光伏廠家逐漸開始開發(fā)儲能產(chǎn)品。

儲能逆變器既可以工作在并網(wǎng)模式，也可以工作與離網(wǎng)模式，電池板、電池、電網(wǎng)、負(fù)載會出現(xiàn)多種組和工況，給儲能系統(tǒng)的設(shè)置增加很多難度。為增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，減小設(shè)計難度，筆者以公用直流母線電壓為接口，將復(fù)雜的系統(tǒng)解耦為多個獨(dú)立的子系統(tǒng)。

1. 能量管理

傳統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器實時將電池板的能量輸送到電網(wǎng)；傳統(tǒng)的離網(wǎng)逆變器輕載時將電池板的能量存入電池，重載時從電池取電。兩者的能量管理模式都很單一，管理算法簡單。

儲能逆變器，可以并網(wǎng)也可以離網(wǎng)，還需要并離網(wǎng)無縫切換。能量管理比較復(fù)雜。能量流動方向如下圖。

筆者調(diào)研了儲能逆變器的市場需求，按照應(yīng)用需求，歸納為3種工作模式：通用模式、離網(wǎng)模式、備用模式和經(jīng)濟(jì)模式。

通用模式：該模式為儲能機(jī)的常用模式，能量管理總策略為：最大能力本地消化能量。當(dāng)電池板功率大時，優(yōu)先給負(fù)載和電池使用；電池板功率小時負(fù)載優(yōu)先使用電池能量。即：

能量消耗順序：電池板 > 電池 > 電網(wǎng)。

能量輸出順序：本地負(fù)載 > 電池 > 電網(wǎng)

離網(wǎng)模式：該模式主要應(yīng)用于偏遠(yuǎn)山區(qū)或牧區(qū)等無電網(wǎng)區(qū)域。能量管理同離網(wǎng)機(jī)：輕載時將板的能量存入電池，重載時從電池取電。

備用模式：該模式主要應(yīng)用于有電網(wǎng)，但是電網(wǎng)不穩(wěn)定，經(jīng)常停電的情況。能量管理策略為有電網(wǎng)時，電池板能量優(yōu)先給電池充電，電網(wǎng)斷電時，用電池的能量供本地負(fù)載。

經(jīng)濟(jì)模式：該模式主要應(yīng)用于峰谷電價差別較大的地區(qū)。能量管理策略為：電網(wǎng)用電高峰期把電池能量輸送到電網(wǎng)；電網(wǎng)用電低谷期從電網(wǎng)上取電給電池充電。

2. 子系統(tǒng)劃分

為降低系統(tǒng)復(fù)雜性，按照功能劃分，分為4個子系統(tǒng)：邏輯時序及控制子系統(tǒng)、電池板輸入子系統(tǒng)、電池管理子系統(tǒng)、逆變子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)的功能如下：

2.1 邏輯時序及控制子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)啟停時序，運(yùn)行邏輯，電量統(tǒng)計，接地故障檢測，漏電流檢測，孤島檢測等。

2.2電池板輸入子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)負(fù)責(zé)在并網(wǎng)模式或有電池的離網(wǎng)模式下對電池板進(jìn)行MPPT跟蹤，在無電池的離網(wǎng)模式下控制母線電壓。

2.3電池管理子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)負(fù)責(zé)儲能的充放電管理，同時在離網(wǎng)模式下穩(wěn)母線電壓。

2.4 逆變子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)負(fù)責(zé)將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，接電網(wǎng)及用電設(shè)備。

3.母線電壓的控制

電池板輸入子系統(tǒng)、電池輸入子系統(tǒng)、逆變子系統(tǒng)三者以母線為界分為三個獨(dú)立系統(tǒng)，三個子系統(tǒng)處了共用直流母線，幾乎無耦合。

根據(jù)電網(wǎng)電壓及直流輸入電壓，計算出停止PV輸入母線電壓Ubus_boost_stop，啟動PV輸入母線電壓Ubus_start，電池自動充電最低電壓Ubus_charge，交流穩(wěn)壓電壓給定Ubus_give，電池自動放電最高電壓Ubus_discharge。

電池板輸入子系統(tǒng)負(fù)載最大功率點(diǎn)跟蹤，不參與母線控制，當(dāng)能量過剩，母線超過Ubus_ boost_stop時停止工作，當(dāng)母線電壓將至Ubus_ boost_start時再次啟動。

系統(tǒng)處于離網(wǎng)模式時，電池輸入子系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制母線電壓：如果母線電壓大于等于Ubus_charge，電池管理子系統(tǒng)給電池充電；如果母線電壓小于等于Ubus_discharge，電池管理子系統(tǒng)從電池放電；母線電壓在兩者之間時，不充電也不放電，此時，電池板能量與負(fù)載能量相等。

系統(tǒng)處于并網(wǎng)模式時，逆變子系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制母線電壓： 如果系統(tǒng)處于賣電的狀態(tài)，電池管理子系統(tǒng)給電池充電；如果系統(tǒng)處于買電的狀態(tài)，電池管理子系統(tǒng)從電池放電；如果系統(tǒng)處于買賣電平衡狀態(tài)，不充電也不放電。

4.驗證

筆者根據(jù)上述策略設(shè)計了一臺5kw儲能樣機(jī)，并用該樣機(jī)組建家庭微網(wǎng)系統(tǒng)。電池板5kw，電池48V、200Ah，負(fù)載有手機(jī)充電器、電視機(jī)、風(fēng)扇、照明燈具等。

經(jīng)1個月的觀察，機(jī)器運(yùn)行穩(wěn)定，無論電網(wǎng)是否有電，各用電負(fù)載正常工作。同時，負(fù)載輕、電池板能量強(qiáng)時可實現(xiàn)余電上網(wǎng)；電池板能量若時電池放電，也可以維持賣電賣電平衡，電池電量低時，自動從電網(wǎng)取電，確保負(fù)載正常供電。

5.結(jié)論

筆者通過對其系統(tǒng)的分解，將其分為多個獨(dú)立運(yùn)行的子系統(tǒng)。該方案可大大減小系統(tǒng)設(shè)計和分析的難度，增加系統(tǒng)穩(wěn)定度。經(jīng)實際驗證，上述控制策略完全可以滿足當(dāng)前常規(guī)用戶的使用要求。