楊國

（福建星云電子股份有限公司，福建 福州 350015）

我國國土幅員遼闊，地區(qū)之間的發(fā)展存在不平衡不充分的問題，特別是在能源的儲存與調(diào)度方面存在很大的難度。2011年前后，我國的中部地區(qū)曾經(jīng)出現(xiàn)過很長時間供電不足的問題。這進一步反映了傳統(tǒng)發(fā)電在國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，目前我國在新能源開發(fā)方面取得了長足的進步，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)及其拓撲結(jié)構(gòu)

在過去的幾十年里，我國的供電模式是建立在大電網(wǎng)輸送的基礎上的，對微電網(wǎng)系統(tǒng)的認識存在一定的不足。然而，隨著社會的發(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)展與基礎民生工程建設。尤其是在2008年，南方地區(qū)的大暴雪天氣直接對大電網(wǎng)系統(tǒng)造成了毀滅性打擊，使得相關領域研究、建設與管理人員都徹底意識到微電網(wǎng)系統(tǒng)的實踐應用價值，并快速通過相關審核，開始建設微電網(wǎng)供給系統(tǒng)。

在幾年時間里，中國的微電網(wǎng)系統(tǒng)建設得到了極大支持，相關的課題研究也成為學術熱點，進一步促進了微電網(wǎng)領域的繁榮發(fā)展。在新能源概念的影響下，也進一步催生了將新能源發(fā)電有效融入微電網(wǎng)建設系統(tǒng)中的理念。其主要的實施策略在于分布式發(fā)電系統(tǒng)的建立。在某個特定區(qū)域內(nèi)，根據(jù)當?shù)氐淖匀毁Y源情況進行分析，整合出一整套發(fā)電系統(tǒng)以滿足當?shù)氐碾娏┙o，實現(xiàn)本地區(qū)資源的“即發(fā)即用”。這樣的電力供給設想，在極大程度上改善了大電網(wǎng)供給弊端的同時，也使微電網(wǎng)建設得以創(chuàng)新發(fā)展。不僅如此，這樣的供給結(jié)構(gòu)，還能將多產(chǎn)的電力資源進行有效輸送，極大程度上還能解決偏遠地區(qū)和孤島地區(qū)的電力供給問題。

2 儲能技術在微電網(wǎng)系統(tǒng)中的應用

2.1 儲能技術的基本概念

在進行微電網(wǎng)系統(tǒng)建設與應用的過程中，儲能系統(tǒng)的建設是極為重要的項目。尤其在遠距離輸送與解決欠發(fā)達地區(qū)的用電問題上，更需要儲能系統(tǒng)充分發(fā)揮自身的功能。儲能技術的研發(fā)，在穩(wěn)定可再生資源輸出功率波動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。完善的儲能技術，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)電過程對資源的浪費，平衡系統(tǒng)的整體運作功率，維持微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

要實現(xiàn)電能儲存，就需要將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，如化學能、機械能，等等。本文介紹的重點，是將電能轉(zhuǎn)換為電池能保存在特定的電池系統(tǒng)中，這也是目前我國廣泛使用的電能儲存手段之一。其最大的優(yōu)勢在于存儲方便，且相關經(jīng)濟投入較低，能夠極大適應中國的基礎民生發(fā)展。

2.2 儲能技術的微電網(wǎng)應用

儲能技術研究的前提，是要根據(jù)實際需要選擇最合適的儲能裝置類型。在國內(nèi)幾十年的研究中，已經(jīng)對相關儲能裝置的基本特征和使用場合有了非常清晰的實驗研究和類別劃分。從儲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電容器的有機組合，利用兩者之間的互補性質(zhì)，分別承擔低頻能量和高頻能量，以滿足對電能儲存的基本需求的同時，保證電能存儲質(zhì)量。

目前，國內(nèi)使用做普遍的存儲設備是鋰電池。之所以選擇鋰電池，是因為其具備頻繁充放電兼容能力、過放和過沖的功率穩(wěn)定性以及使用溫度的適配性三項優(yōu)良性能。在大量的實驗總結(jié)中，根據(jù)鋰電池的性能反饋與數(shù)據(jù)運行反饋進行深入分析的過程中，又提出了關于使用雙電池系統(tǒng)的設想。這一設想的基本邏輯，在于進一步延長電池組的使用壽命，并且在裝置物理性能范圍內(nèi)提升能量利用率，通過這兩項指標的改良，進一步降低微電網(wǎng)光伏發(fā)電的生產(chǎn)成本，這也將進一步適應民生發(fā)展，促進社會生產(chǎn)積極性，推動各項事業(yè)健康與可持續(xù)發(fā)展。

3 雙電池儲能系統(tǒng)在光伏微網(wǎng)中的應用

對于光伏微店網(wǎng)而言，儲能裝置是重要且具備很強實用價值的部分。其作用對光伏微店網(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、存儲與輸送之間的關系，并且對于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行而言也是不可或缺的核心部分。

3.1 儲能裝置的分類與選擇

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

（1）快速儲能裝置。在響應系統(tǒng)內(nèi)部能量變化上具有相當?shù)拿舾行?，在短時間內(nèi)能夠適應設備的能量變化。一般情況下，作為短時間的備用存儲設備或者保護設備使用，具有代表性的是超級電容。

（2）長時儲能裝置。能夠?qū)⒛芰吭谘b置中存儲很長時間，自身的能量密度很高，可以實現(xiàn)系統(tǒng)能量的長期存儲與釋放，并且可以進行能量的有效交換。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)電機等。

3.2 儲能裝置的等效模型

在電池內(nèi)部，充電過程和放點過程往往都是通過一系列復雜的化學反應實現(xiàn)。由于化學反應的特殊性，要想對電池工作狀態(tài)、相關特性進行深入研究，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 鋰電池儲能系統(tǒng)SOC檢測

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PV系統(tǒng)在輸出能源時的間歇性和波動性特征，以保證整個系統(tǒng)運作的穩(wěn)定與高效。為了實現(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，長期維持直流電壓的穩(wěn)定運行；另一方面，是要具備在負載功率發(fā)生較大波動時平衡系統(tǒng)運行的基本能力，尤其是整個光照環(huán)境發(fā)生重大變化時，能夠有效抵消輸出功率的短時間波動。因此，需要引入SOC函數(shù)關系分析電池的參數(shù)變化，并且找出最優(yōu)解。

3.4 充放電深度對電池使用壽命的影響

一般來說，與電池使用壽命之間相關的，是電池使用周期內(nèi)的充電、放電深度。在這一基本情況下，要想實現(xiàn)鋰電池組使用壽命的延長，就必須從充、放電深度理論研究著手。根據(jù)大量實驗測出的數(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衰減參數(shù)的有效控制，設定合理的運行參數(shù)指標。

3.5 雙向DC/DC變換器的工作原理

本文的分析重點，是在交直流母線型微電網(wǎng)中，研究PV系統(tǒng)下鋰電池組的運行工作原理問題。當電路連通后，鋰電池組將會以雙向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)電能的儲存與釋放，都需要借助這一基本系統(tǒng)完成。

3.6 雙電池儲能系統(tǒng)的控制策略

借助光伏微電網(wǎng)的模型分析技術，可以得到微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行規(guī)律。當系統(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、放電機制進行調(diào)節(jié)，直到系統(tǒng)內(nèi)部的功率達到平衡狀態(tài)，維持系統(tǒng)內(nèi)部的電壓穩(wěn)定。也就是說，要想實現(xiàn)對光伏微店網(wǎng)電有效控制，就必須借助雙電池儲能系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)節(jié)機制，利用其中的數(shù)據(jù)分析與充電、放電功能觸發(fā)條件，就能夠維持整個微電網(wǎng)系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)平衡。

4 結(jié)語

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