王超，胡浩，鄭煉，2，吳鐵洲，詹敏，鮑岧

（1.湖北工業(yè)大學(xué)太陽(yáng)能高效利用及儲(chǔ)能運(yùn)行控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430068；2.武漢培芳李科技有限公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

在“碳達(dá)峰、碳中和”的背景下，光伏等可再生能源發(fā)電占電網(wǎng)比例逐漸提高，而光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，不能滿足電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻的要求，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成威脅[1]，因此須在光伏系統(tǒng)中加入儲(chǔ)能系統(tǒng)[2]，[3]。

常規(guī)的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由電池包（battery pack）和集中式儲(chǔ)能變流器構(gòu)成。蓄電池經(jīng)串、并聯(lián)組成電池包，電池包對(duì)蓄電池的一致性要求較高，不同容量、新舊狀態(tài)的蓄電池同時(shí)使用會(huì)降低蓄電池的充放電效率，同時(shí)電池包的容量、壽命也會(huì)大大縮減，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸等安全問(wèn)題[4]，[5]。相同標(biāo)稱(chēng)容量、相同狀態(tài)的蓄電池組成電池包后，由于蓄電池實(shí)際容量參數(shù)的不一致性，電池包容量會(huì)下降3%～10%，且在使用過(guò)程中，蓄電池老化速度的差異會(huì)進(jìn)一步加大蓄電池容量不一致性，引起電池包容量下降。通過(guò)給電池包添加均衡電路，可以降低電池包中蓄電池的不一致性。均衡電路分為主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡[6]。被動(dòng)均衡通過(guò)能量消耗來(lái)實(shí)現(xiàn)蓄電池SOC均衡。主動(dòng)均衡通過(guò)變換器，將高能量蓄電池中的能量轉(zhuǎn)移到低能量的蓄電池中[7]。文獻(xiàn)[8]對(duì)蓄電池組采用被動(dòng)均衡，提高了蓄電池容量的一致性，但浪費(fèi)了大量能量。文獻(xiàn)[9]，[10]對(duì)蓄電池進(jìn)行主動(dòng)均衡，提高了蓄電池容量的一致性，但控制電路復(fù)雜，需要增加專(zhuān)門(mén)的均衡電路，增加了光伏系統(tǒng)的成本。

本文提出了一種基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)方案。在方案進(jìn)行蓄電池SOC均衡時(shí)，不需要消耗能量，提高了能量的利用率，且不需要增加專(zhuān)門(mén)的均衡電路，提高了電路器件的利用率，降低了系統(tǒng)成本。本文所提出的基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)將分布式模塊化變流器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能控制技術(shù)與蓄電池有機(jī)融合，是一種新的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，符合能源系統(tǒng)向數(shù)字化、智能化發(fā)展的未來(lái)趨勢(shì)。該結(jié)構(gòu)除了可以實(shí)現(xiàn)本文所論述的電池SOC均衡控制等功能外，還可以融入電池安全管理、蓄電池SOH監(jiān)控等重要功能。

1 含儲(chǔ)能的光伏系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

目前，常規(guī)含儲(chǔ)能的光伏系統(tǒng)主要由光伏陣列、蓄電池、集中式儲(chǔ)能變流器和逆變器組成。其對(duì)蓄電池一致性要求較高，蓄電池不一致性問(wèn)題導(dǎo)致電池包可用容量和使用壽命都顯著降低。本文提出的基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)，不需外加集中式儲(chǔ)能變流器，采用分布式模塊化變流器作為儲(chǔ)能變流器，同時(shí)還可以靈活有效的對(duì)蓄電池SOC進(jìn)行均衡，提高電池包的可用容量，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。含儲(chǔ)能的光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 含儲(chǔ)能的光伏系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Composition structure diagram of photovoltaic system with energy storage

2 基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 智慧蓄電池單體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)智慧蓄電池時(shí)，將物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）、人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術(shù)、分布式模塊化變流器技術(shù)與蓄電池相結(jié)合，使蓄電池變成可感知、可通信、可思考、可行動(dòng)的“智慧生命體”。

本文所提出的智慧蓄電池有2種正常工作模式：直流電壓源和直流電流源。2種故障模式：短路模式和開(kāi)路模式。圖2為智慧蓄電池組成結(jié)構(gòu)圖。智慧蓄電池單體的電氣部分與蓄電池的接口為DE，其由2根電源線構(gòu)成。智慧蓄電池對(duì)外有輸出接口AB和通信接口。

圖2 智慧蓄電池組成結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of smart battery

本文智慧蓄電池系統(tǒng)中，電力電子主電路采用半橋電路，如圖3所示。

圖3 基于半橋電路的智慧蓄電池主電路Fig.3 Main circuit of smart battery based on halfbridge circuit

智慧電池輸出控制結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 智慧蓄電池輸出控制結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Control structure diagram of output mode of smart battery

當(dāng)智慧蓄電池工作于電壓源輸出模式時(shí)，U為輸出電壓，Uref為輸出電壓給定值，ΔU為電壓誤差，ΔD為開(kāi)關(guān)管M1占空比的調(diào)節(jié)量。當(dāng)智慧蓄電池工作于電流源輸出模式時(shí)，i為輸出電流，iref為輸出電流給定值，Δi為電流誤差。

2.2 智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)建方法

基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的總輸出有直流電壓源、直流電流源2種工作模式，可以在2種模式間切換，并且直流電壓源的輸出電壓可調(diào)節(jié)，直流電流源的輸出電流可調(diào)節(jié)。

基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的構(gòu)建方法如圖5。另外，因?yàn)楸疚乃岬闹腔坌铍姵睾突谥腔坌铍姵氐膬?chǔ)能系統(tǒng)的輸出特性相同，因此可以把基于智慧蓄電池的儲(chǔ)能系統(tǒng)等效成1個(gè)智慧蓄電池，形成嵌套，構(gòu)成更大的儲(chǔ)能系統(tǒng)?；谥腔坌铍姵氐墓夥鼉?chǔ)能系統(tǒng)不再需要外加集中式儲(chǔ)能變流器，提高了光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比，圖6為基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5 基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)建流程圖Fig.5 Process diagram of PV energy storage system based on smart batteries

圖6 基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure diagram of PV energy storage system based on smart batteries

3 基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略

3.1 基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)總體控制策略

根據(jù)分層遞階智能控制理論的啟示，建立基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的3層智能控制策略：第1層為組織級(jí)，第2層為協(xié)調(diào)級(jí)，第3層為執(zhí)行級(jí)。組織級(jí)的輸入條件是系統(tǒng)的總體要求，協(xié)調(diào)級(jí)的輸入條件是組織級(jí)的輸出條件，由通信網(wǎng)絡(luò)的軟硬件構(gòu)成，協(xié)調(diào)級(jí)根據(jù)輸入條件給分配每只智慧蓄電池工作模式、輸出電壓或電流的目標(biāo)值，并輸出給執(zhí)行級(jí)。執(zhí)行級(jí)的算法運(yùn)行于智慧蓄電池單體上，根據(jù)協(xié)調(diào)級(jí)給出的工作模式和目標(biāo)值，執(zhí)行級(jí)運(yùn)用PID控制等經(jīng)典控制理論來(lái)實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。執(zhí)行級(jí)還對(duì)蓄電池的荷電狀態(tài)SOC和健康狀態(tài)SOH進(jìn)行估算，通過(guò)協(xié)調(diào)級(jí)上報(bào)給組織級(jí)。圖7為總體控制策略圖。

圖7 總體控制策略圖Fig.7 Diagram of overall control strategy

3.2 基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC均衡控制策略

3.2.1 蓄電池SOC均衡控制策略

基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC均衡可分為組間均衡和組內(nèi)均衡，組間均衡是使組與組之間電池串的SOC保持均衡,組內(nèi)均衡是指同一組內(nèi)各個(gè)蓄電池的SOC保持均衡。

本文中用變量j表示蓄電池組的組號(hào)，j=1，2，…，N；用變量i表示智慧蓄電池在組內(nèi)的順序編號(hào)，i=1，2，…，M。假設(shè)在某時(shí)刻基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中一個(gè)蓄電池的荷電狀態(tài)為SOCij，經(jīng)過(guò)較短時(shí)間t1后，基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中所有蓄電池的荷電狀態(tài)達(dá)到均衡，此時(shí)蓄電池的SOC值為SOC0。用Qij表示基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)蓄電池的標(biāo)稱(chēng)容量，基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出電壓、電流值為Uo，Io。確定了擬達(dá)到均衡的時(shí)間t1后，基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)外做功為

3.2.2 蓄電池SOC均衡對(duì)光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)能量消納能力影響分析

圖8中，蓄電池長(zhǎng)度表示蓄電池的可用容量，陰影部分表示蓄電池內(nèi)的電量。為模擬光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中蓄電池容量存在差異的狀態(tài)，選取1只容量較小的蓄電池和2只容量較大的蓄電池串聯(lián)構(gòu)成電池組，對(duì)其充放電進(jìn)行分析。在無(wú)均衡電路的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中，由于電池組中蓄電池容量的不一致性，串聯(lián)電池組的可用容量是由容量最小的蓄電池單體決定的。充電時(shí)，容量最小的蓄電池的電量首先充滿，為防止容量最小的蓄電池過(guò)充，電池組停止充電，但此時(shí)組內(nèi)其他蓄電池并未充滿；放電時(shí)，容量最小的蓄電池的電量最先放空，為防止容量最小的蓄電池過(guò)放，電池組停止放電，此時(shí)組內(nèi)其他蓄電池還有電量無(wú)法釋放。并且，容量大的蓄電池始終充不滿或放不完電，蓄電池的容量得不到有效的利用，降低了電池組的可用容量。在基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中，通過(guò)控制各個(gè)蓄電池充放電的速度，使各個(gè)蓄電池SOC均衡，從而使所有蓄電池的容量都得到有效利用，提升了電池組的可用容量。另外，現(xiàn)有的帶均衡電路的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)，需要增加專(zhuān)門(mén)的均衡電路，相較于此類(lèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)，基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)將分布式模塊化變流器“一物兩用”，同時(shí)作為儲(chǔ)能變流器和均衡電路，提高了電路器件的利用率，降低了系統(tǒng)成本。

圖8 光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)可用容量對(duì)比分析示意圖Fig.8 Comparative analysis of the available capacity of PV energy storage systems

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC均衡實(shí)驗(yàn)及分析

選用7只12 V/7 Ah蓄電池，2只12 V/3.3 Ah蓄電池，制作了由9只蓄電池構(gòu)成的3×3基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)樣機(jī)，3×3指3只智慧蓄電池先串聯(lián)構(gòu)成1組，再將3組并聯(lián)構(gòu)成基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)。在9只蓄電池中選用2只不同容量的蓄電池，主要基于兩方面考慮：①為了模擬光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中由于蓄電池老化速度不一樣，導(dǎo)致蓄電池容量有較大差異的情況；②為了檢驗(yàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于不同容量、不同狀態(tài)的蓄電池的適應(yīng)性。圖9為3×3實(shí)驗(yàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)樣機(jī)圖，圖10為實(shí)驗(yàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)恒壓輸出模式電壓紋波圖。

圖9 儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)圖Fig.9 Prototype diagram of experimental energy storage system

圖10 實(shí)驗(yàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)恒壓輸出電壓紋波圖Fig.10 Voltage ripple diagram of constant voltage output mode of experimental energy storage system

智慧蓄電池采用STM32F103C8單片機(jī)作為主控單元，通信模塊采用NRF24L01芯片，電流檢測(cè)采用INA225芯片。3×3基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)輸出設(shè)置為直流電壓源模式，總輸出電壓為18 V。未進(jìn)行SOC均衡時(shí)，各智慧蓄電池的輸出電壓或電流采用平均分配策略，工作于電壓源模式的智慧蓄電池輸出電壓自動(dòng)設(shè)置為6 V，工作于電流源模式的智慧蓄電池輸出電流自動(dòng)設(shè)置為總負(fù)載電流的1/3。輸出電壓用萬(wàn)用表測(cè)量，電壓紋波用示波器顯示，觀測(cè)其交流耦合時(shí)的峰峰值和有效值?？傒敵鲭妷旱臏y(cè)量結(jié)果為18.021 V，電壓紋波小于50 mV。實(shí)驗(yàn)表明，所構(gòu)建的基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，如圖11所示。

圖11 均衡實(shí)驗(yàn)中蓄電池SOC隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.11 Relationship of battery SOCs and time of the equalization experiment

智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出電壓為18 V，負(fù)載電阻值約為2.5Ω，采用開(kāi)路電壓法和安時(shí)積分法對(duì)電池SOC進(jìn)行聯(lián)合估算，通過(guò)開(kāi)路電壓法獲得蓄電池SOC初值，安時(shí)積分法在線估算SOC值，所獲得的SOC值通過(guò)單片機(jī)串口上傳至上位機(jī)。將均衡閾值設(shè)定為2%，對(duì)每一個(gè)蓄電池的SOC估算值進(jìn)行比較，當(dāng)任意兩個(gè)蓄電池SOC差值的絕對(duì)值小于2%時(shí)，停止均衡操作，反之則繼續(xù)均衡。蓄電池SOC隨時(shí)間變化如表1所示。

表1 均衡前后蓄電池SOC值Table 1 SOC values of batteries before and after equalization

由表1可知，均衡前9只蓄電池的SOC值標(biāo)準(zhǔn)差為3.35%，均衡后為0.39%，蓄電池的SOC一致性得到明顯改善。蓄電池SOC均衡過(guò)程中，基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出電壓始終穩(wěn)定在18 V，且電壓紋波小于80 mV。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出電壓保持穩(wěn)定，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)蓄電池SOC均衡。

4.2 光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)能量消納能力對(duì)比實(shí)驗(yàn)

對(duì)基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)和常規(guī)光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的消納能力進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。兩種光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)所用的蓄電池?cái)?shù)量和規(guī)格相同，兩種光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)均使用了9只蓄電池，總?cè)萘烤鶠?67.2 Wh，兩種儲(chǔ)能系統(tǒng)額定電壓均為36 V。進(jìn)行對(duì)比的兩種光伏系統(tǒng)均使用1塊60 W單晶硅太陽(yáng)能電池板，該太陽(yáng)能電池板最大功率點(diǎn)電壓為18 V；負(fù)載均采用5Ω的大功率電阻，負(fù)載電壓為18 V。實(shí)驗(yàn)中光源使用太陽(yáng)光模擬器，使兩種光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)光照條件基本相同；常規(guī)光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中BMS（Battery Management System）對(duì)蓄電池的過(guò)充保護(hù)電壓為14.5 V、過(guò)放保護(hù)電壓為10.5 V。使用日置PW3390功率分析儀測(cè)量光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)充入、放出的能量。圖12為兩種光伏系統(tǒng)實(shí)物圖。將蓄電池的能量放空后，開(kāi)啟太陽(yáng)光模擬器，斷開(kāi)模擬負(fù)載，太陽(yáng)能電池板對(duì)光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，待光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)充滿后，從功率分析儀讀取充入光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量值；再關(guān)閉太陽(yáng)光模擬器，接通模擬負(fù)載，將光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中能量放空，從功率分析儀讀取光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)放出的能量值，此為一個(gè)充放電循環(huán)。選取3次充放電循環(huán)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)兩種光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)能量消納能力進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)平均可充入的能量比常規(guī)光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)高出34.9%、平均可放出的能量比常規(guī)光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)高35.1%。

圖12 兩種光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.12 Prototype diagram of two kind of energy storage systems

表2 光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電能量值Table 2 Charging and discharging energy value of photovoltaic energy storage syste msWh

基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量消納能力與常規(guī)光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)相比有明顯提升，但具體提升的百分比數(shù)值與儲(chǔ)能系統(tǒng)中蓄電池的容量差異和連接關(guān)系有關(guān)，在本實(shí)驗(yàn)的條件下，基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量消納能力提升了約35%。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的構(gòu)建方法，并分析了該系統(tǒng)蓄電池SOC均衡控制策略。通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)可知，與常規(guī)光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，本文所提出的基于智慧蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：①使用分布式模塊化變流器替代集中式儲(chǔ)能變流器。分布式模塊化變流器可以靈活有效地進(jìn)行蓄電池SOC均衡。本文蓄電池SOC標(biāo)準(zhǔn)差從3.35%下降至0.39%；②與常規(guī)光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，本文蓄電池的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量消納能力提升了約35%。