光伏储能系统基本原理及应用

朱京涛

（上海正泰电源系统有限公司）

摘要：储能有多种方式；1-机械类储能，2-电化学储能，3-电气类储能等。本文指的光伏储能指太阳能板发电通过储能系统将电能储存在电池内，属于电化学储能，本身不算是新兴的技术，但光伏储能产业目前正处在快速发展阶段，而且光伏的未来持续发展离不开储能。光伏发电储电功能主要包括适用于光伏分布式微网和工商业用户侧的光伏电网储能输配、辅助供电服务，应用主要服务于电网调峰输电、缓解电力传递阻塞压力、延长电网电路升级及使用寿命等；光伏逆变器可以追踪以及调整光伏板的功率输出、利用蓄电池或其它储能设备吸收过剩光伏能量以便于减少能量浪费，以达到对光伏发电能量进行充分有效利用。在分布式和光伏微网系统方面，光伏储能管理系统可根据用户需求定义储能系统电力输出分配，也可以充当其他备用电源增强其电力调度和使用的灵活性。在工商业用户侧，光伏储能发电主要适合于对工商业电网的“削峰填谷”和根据用户需求进行快速电力响应。

1. 国内储能发展扶持政策

针对储能产业政策每年都有新规，其目标主要针对可再生能源并网和电网侧，政策利好不断涌现。从《十三五规划纲要》到现在已密集发布很多针对光伏产业发展的指导意见，随着我国各级地方政府机构也针对光伏储能产业所制定的相关利好政策，光伏储能产业正在密集性政策推动下迅速发展。针对光伏储能产业的优惠政策主要是集中于解决可再生能源并网过程中出现的技术性问题以及电网侧的调峰和调频，光伏储能产业作为一种快速增长的储能方案，必然会获得较大的优惠政策助力，以此更好的促进光伏储能产业的持续健康发展。2021年“3060”也给光伏行业指明方向，以化石能源为主向以清洁能源为主转变，积极服务实现“2030年碳达峰、2060年碳中和”目标。

表1：储能利好新规政策摘要

数据来源：发改委，能源局

2. 户用光伏储能的工作模式

光伏电池板是一种利用光生伏特效应把太阳光能直接转换成电能。通过储能逆变器（MPPT功能）追踪光伏板的最大功率点，储能逆变器尽可能的将光伏板发出的电有效利用，一般储能逆变器的MPPT追踪效率都能达到99%以上。储能逆变器通过电压转换后给电池充电和经过逆变AC给电网和负载设备供电，储能系统可以根据实际日照使用强度和供电负载量的变化，实时对电池组的实际情况自动做充放电调节和保护。当光伏发电无法及时满足负载的情况下，储能控制器将蓄电池储存的电能及时输送至负载，以此保证了用户用电需求。整个储能系统运行的平稳性取决于储能逆变器的性能。户用储能系统可以选用高压电池或低压电池，单相机或三相机等，用户根据自己实际使用情况选择适合的光伏储能系统。

图 1：户用光伏储能系统

以下结合图1介绍储能逆变器工作的四种基本模式：

模式1:电网充电——蓄电池容量不足时，电网通过逆变器对电池进行充电。 模式2:光伏板充电——光伏板能量满足负载后有多余能量时，对蓄电池进行充电。

模式3:离网模式——光伏板能量不足，不足以支撑负载，光伏板+蓄电池一起给负载供电。

模式4:并网模式——光伏板与蓄电池电量充足，光伏电量通过逆变器向电网及负载供电。

以上模式一般储能逆变器都可以实现，不同厂家的储能产品会有不同的充放电优先级定义。

3. 储能逆变器整体框架

图 2：光伏储能逆变器电路框架图

以图2所示作为实例，光伏发电储能逆变器内部电路主要由光伏电池板（PV）、蓄电池（BAT）作为直流输入，前端首先分别接直流开关，PV输入经过共模电感和MPPT Trackers升压电路后与BAT经过共模电感和BUCK/BOOST后相连，BUS CAP作为电池板（PV）和蓄电池（BAT）的直流公共连接点、DSP通过控制BUCK/BOOST电路完成电池的充放电，控制BOOST电路完成MPPT的追踪，控制Inverter IGBT完成逆变。LC Filter为交流滤波电路，残余电流检测(GFCI)是检测机器对地的泄漏电流，继电器分为并网继电器（Grid Relay），离网继电器（LOAD Relay），旁路继电器（Bypass Relay）DSP根据用户定义可以实现对不同模式的切换。

4. 储能升压与逆变部分控制策略

图 3：BUCK控制框图

图3中 Vpv为光伏电池板的输入电压、Ipv为光伏电池板的输入电流、根据输入电压和输入电流确定Vdcref，Vdcref为光伏电池板最大功率追踪（MPPT）的给定值、Vdcsample为光伏电池板的输入电压采样值、Vsample为升压后的电压采样值、Vref为升压后的电压给定值、IL为升压电感电流的采样值、DW1为QW1的控制占空比。电池侧的BUCK/BOOST控制策略原理基本类似不做赘述。MPPT控制策略工作方法为：电压（Vpv）电流（Ipv）通过比较输入功率计算后得到（MPPT）Vdcref给定值，Vdcref与Vdcsample求误差经PI环路计算。Vref与升压后的电压采样值（Vsample）两值求误差后经过PI环路计算，与Vdcref与Vdcsample求误差经PI环路计算相加后得出电感电流环路给定值（Idcref），电感电流环路给定值（Idcref）与电感电流的采样值（IL）求误差后经过P计算，最终算出DW1调制比，DW1与三角载波比较，产生出调制方波（QW1），QW1调制信号驱动IGBT从而实现输出稳压以及MPPT跟踪功能。

图 4：H6桥逆变拓扑

逆变部分以单相机H6桥拓扑电路结构为实际设计案例， 其控制环节采用电压外环电流内环的双环PID控制。图4中C1、C2为BUS上的储能电容，Q1—Q6是IGBT开关管，D1、D2为耐高压和大电流的二极管，用于逆变环路续流作用，BUS+/BUS-为逆变部分直流输入电压也就是BOOST升压后的输出电压，图中电感L1和电容C5配合用作逆变滤波电路；C3、C4为输出回中点（BUSN）滤波电容；R1为逆变输出负载电阻（在此等效于电网或本地负载）；Iout为逆变输出负载电流。逆变的控制策略工作方法为：将逆变电压采样与给定的正弦参考电压比较后得到误差电压，误差电压经过外环比例控制器（PI电压外环）,得到的外环输出信号即成为电流环的给定。将电流环给定与采样电流进行比较得到内环误差信号,再将其送入内环比例控制器（P电流内环），产生的信号与三角波比较得到PWM驱动信号。Iref的正半周和三角波比较得到Q1和Q4的驱动信号，Iref的负半周与三角波比较得到Q2和Q3的驱动信号，将Iref与零信号比较得到S5和S6的驱动信号,如图5所示S1—S6驱动信号波形。

图 5：Q1—Q6驱动信号简化波形

5. 储能电池选用

电池用来储蓄电量，为了识别和区分其应用又细分为消费性电池、动力性电池和储能型电池三种。消费类如智能手机、笔记本电脑、数字摄像机等产品，动力类的电池应用在纯电动汽车上居多，储能型的应用在各种储能发电厂或UPS上。光伏储能系统中，储能电池选择需要考虑造价、寿命、安全、工作稳定性等，目前市场上光伏储能主要选择铅酸电池或锂电池，锂电池具有更高的能量密度，更长的使用寿命以及更大的充放电流作为光伏储能电池更具优势。

1. 铅酸（碳）电池

铅酸蓄电池主要广泛用于工业电力系统的备用照明电源，太阳能和其他风力发电机的存储电源系统，军事及太空航海备用装置照明电源，UPS的工业备用照明电源。铅炭电池主要采用的技术是一种电容型铅酸电池，它是从传统铅酸电池中逐步发展而来的一种创新技术，特点是在传统铅酸电池的两个正负极之间加入活性碳，能够显著改善传统铅酸电池的使用寿命。

2. 锂电池

锂电池由锂金属或锂合金作为负极材料、使用非水电解质溶液的电池，能量高、寿命长、重量轻等优点，广泛应用于水力发电、火力发电、风力发电和太阳能发电等储能电源系统。磷酸铁锂（LFP）电池，三元锂电池（NCM/NCA）电池，钴酸锂（LCO）电池，另外还有其他锂电池，例如锰酸锂，钛酸锂电池等。

表2：铅酸电池与磷酸铁锂电池对比

3. 电池主要性能参数

Ah（安时数）：电池容量大小的指标，如12V /100Ah表示容量为1.2度电。

C (电池放电C倍率)：电池充放电倍率；充放电倍率=充放电电流/额定容量。

DOD （Depth of Disge）放电深度：电池使用过程中，电池放出的容量与电池额定容量的百分比。

SOC(State of ge) 荷电状态：表示电池剩余电量占电池额定容量的百分比。

SOH（State of Health）：电池健康状态（包括容量、功率、内阻等），是电池从满充状态下以一定的倍率放电到截止电压所放出的容量与其所对应的标称容量的比值。

BMS（Battery Management System）：电池管理系统：主要是对电池的状态监测、电池的均衡管理、电池的安全、数据的通信。

BMU（Battery Management Unit）：电池模组能量管理系统多台电池管理系统。

EMS（Energy Management System）：能量管理系统，EMS主要用于微电网内部能量控制，维持微电网功率平衡以正常运行；满足中小型商用级储能系统的现场能量调度需求；满足大型储能系统会涉及到电网侧的调度。

三段式充电：恒流、恒压和浮充是充电的三个必须阶段，铅酸电池的充放电策略为三段式。

6. 电池的梯次利用

新能源汽车上用的电池一般属于动力电池，通常磷酸铁锂电池的容量低于70％就不适合应用新能源车上，退役电池可以用在储能电站中。因为新能源车用锂电池相对于储能用锂电池使用环境更为严苛，需要更强的耐高低温，耐大电流冲击。耐物理冲击及使用安全性也是各大电池厂商急于改善的技术，新能源车用锂电池与普通锂电池正负极材料基本一样，有些新能源车用锂电池的正负极材料颗粒比普通型细小，目的为了加快化学反应增大电流，电池的核心控制为电池管理系统（BMS）。电池的快速响应、电池的容量计算，电池的充放电流等，这些都可以通过BMS软件控制实现。现阶段新能源车用锂电池都希望在安全性上寻求突破，相对车用型锂电池，储能锂电池对寿命要求更高。新能源汽车上的锂电池寿命一般超过5年建议更换，储能电站使用环境优于新能源汽车，通常寿命能达到10年。现阶段随着新能源汽车的兴起，车用锂电池需求成倍增加，车用锂电池退役后至少还有一半以上的电量，可以作为储能电站电池使用。如果采用报废回收容易污染环境且造成资源浪费。经过市场大规模的应用，目前电池成本逐年降低、新型材料的电池能量密度不断提升、安全性和寿命也在不断突破，光伏储能终会有大范围应用。

综上所述，新能源汽车上用的电池稍加改造是完全可以应用在储能电站里使用，实现电池的梯次利用会更加有利于环境保护及降低储能成本。现在从全球市场来看，中国、美国、印度、日本、德国、法国、澳大利亚、韩国和英国将成为主要的储能市场，东南亚和非洲一些发展中国家光伏储能装机也在逐年增长……

1. 参考文献：《行业|储能知识大全》搜狐网 上海电力设计院有限公司

《史上最全‖储能电池参数详解》 北极星太阳能光伏网 作者:阳阳

作者简介：朱京涛（1985年9月­— ），男 ，河南省鹿邑县，

研究方向：电力电子，本科学历