太陽能光伏/市電聯合供電系統

王 偉 吳 犇 金 科 阮新波,3

（1.南京航空航天大學航空電源重點實驗室 南京 210016 2.江蘇大學電氣信息工程學院 鎮江 212013 3.華中科技大學電氣與電子工程學院 武漢 430074）

1 引言

隨著世界經濟的快速發展，傳統的化石能源作為不可再生能源正日益枯竭，它所造成的環境污染也日益嚴重。為了解決以上問題，實現可持續發展，必須尋找到理想的替代能源?？稍偕茉促Y源無限，分布廣泛，可循環利用，不污染環境等眾多優點受到越來越廣泛的關注，是目前大量應用的化石能源的理想替代能源，具有廣闊的發展前景?？稍偕茉窗ㄌ柲躘1,2]、風能、小水電、生物質能、地熱能和海洋能等。

在眾多的可再生能源資源中，太陽能具有取之不盡、用之不竭等優點，是理想的可再生能源。太陽能的利用方式多種多樣，其中太陽能光伏發電是太陽能利用的一個重要領域。太陽能光伏發電可直接將太陽光轉換成電能，無噪聲、無需燃料、無污染，具有廣泛的應用前景。但是，由于太陽能光伏發電受氣候條件變化制約，不穩定、不連續，為了保證系統的穩定性和運行效率，必需有其他能源設備進行補充[3-5]。通常可以用蓄電池或超級電容等儲能裝置作為太陽能的后備能源，但是增加了儲能單元，使系統更加復雜，提高了成本。在有市電的場合，可以將市電作為太陽能的后備能源，從而組成一種以太陽能光伏電池作為主供電電源的太陽能/市電聯合供電系統[6]。

在太陽能/市電聯合供電系統中，需要根據太陽能光伏電池和負載的規格來合理地選擇系統的結構和電路拓撲[7,8]。另外，為了能夠最大限度地利用太陽能這一可再生清潔能源，需要制定合理的能量管理控制策略[9-12]，高效地控制系統的能量流，使兩個供電電源能夠協調工作，向負載提供穩定的電能。

本文提出了一種新的太陽能光伏/市電聯合供電系統的結構及其能量管理控制策略。在實驗室中構建了一套2kW的太陽能光伏/市電聯合供電系統，實驗結果驗證了理論分析的正確性。

2 系統結構

在許多應用場合，太陽能光伏電池直接接到負載上；但由于太陽能光伏電池受光照和溫度的影響，它輸出的是不穩定的直流電，而系統有各種不同規格的負載，包括220VAC交流負載和不同電壓等級的直流負載。因此需要加入DC-DC變換器，先將太陽電池的輸出電壓轉換成穩定的直流母線電壓。同時該DC-DC變換器還需要實現最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking,MPPT）功能[13,14]。對于市電，需要經過功率因數校正變換器（Power Factor Correction，PFC）將市電變換為直流母線電壓。為了得到220VAC交流輸出，直流母線電壓通常設為380V。再經過一級DC-AC逆變器得到220VAC輸出，對于直流輸出可以再通過一級DC-DC變換器將直流母線電壓變換為所需的直流電輸出。

圖1給出了太陽能光伏/市電聯合供電系統的結構框圖。系統由太陽能光伏電池、市電、DC-DC變換器、PFC和DC-AC逆變器和負載端DC-DC變換器組成。

DC-AC逆變器以及負載端DC-DC變換器的技術已經比較成熟。本文主要研究內容是直流母線前端的DC-DC變換器和功率因數校正變換器，如圖1中點劃線框所示。

圖1 太陽能光伏/市電聯合供電系統Fig.1 Photovoltaic/grid hybrid power system

目前單塊太陽能光伏電池的開路電壓一般不超過50V，為了給直流母線提供穩定的380V直流電，這就使得DC-DC變換器要具有很高的升壓比同時還需要有電氣隔離功能?？梢圆捎脝渭壥浇Y構也可以采用兩級式結構。

如采用單級結構，目前采用最多的電路拓撲是全橋變換器和推挽變換器。全橋直流變換器適用于大功率場合，它采用移相控制可以實現軟開關，提高系統效率。但是它存在變壓器二次側占空比丟失現象，為了減小占空比丟失，要使諧振電感取值非常小，其中諧振電感包括變壓器漏感。由于本系統的升壓比很高，這就要求變壓器二次側和一次側的匝比很大，匝比大會導致漏感大，從而使得占空比丟失增大，影響變換器的效率[15]。

推挽變換器在中大功率應用場合如果主電路或控制信號不完全對稱會在變壓器一次側產生直流偏磁，使變換器很難正常工作，甚至會導致器件損壞。

兩級式結構中第一級DC-DC變換器把不穩定的太陽能光伏輸出直流電壓轉變成穩定的直流電壓，同時實現升壓和MPPT功能；第二級把穩定的電壓升壓到380V，同時實現電氣隔離。根據系統的要求，第一級DC-DC變換器采用Boost變換器將太陽電池的輸出電壓升到100V，第二級DC-DC變換器采用全橋結構的直流變壓器（DC Transformer,DCX[16]），將電壓升至380V。DCX采用移相控制可以實現軟開關，并且它是滿占空比工作，所以DCX的效率可以優化。兩級式結構滿足系統的設計要求，本文采用此種電路結構。

PFC采用廣泛應用的Boost變換器，工作在電感電流連續模式。

圖2給出了系統主電路結構圖。

3 能量管理

3.1 系統的工作模式與能量流動方式

根據太陽電池的輸出功率和負載大小，系統有三種工作模式。系統的各種能量流動示意圖如圖3所示。

圖2 主電路結構圖Fig.2 Structure of the main circuit

圖3 系統不同工作模式下的能量流動示意圖Fig.3 Different working modes of the system

系統工作模式I：太陽電池的最大輸出功率大于負載所需功率；控制DC-DC變換器工作在穩壓狀態，控制直流母線電壓為380V，太陽電池提供負載所需功率，此模式PFC不工作。

系統工作模式II：太陽電池的最大輸出功率小于負載所需功率；控制DC-DC變換器工作在MPPT狀態，同時PFC工作，提供功率不足，并控制直流母線電壓為380V。

系統工作模式III：太陽電池無法工作；關閉DC-DC變換器，PFC單獨工作，市電提供負載所需功率，并控制直流母線電壓為380V。

3.2 系統控制電路的實現

在本文的太陽能光伏/市電聯合供電系統中，太陽電池為主供電電源 (1#源)，市電為補充供電電源(2#源)。為了保證負載能正常工作，必須要保證直流母線穩定，此外要盡可能地多利用太陽電池，在以上的要求下，合理地設計系統的能量控制策略。

圖4給出了系統的控制策略框圖，包括MPPT控制器、電流調節器、電壓調節器、PWM電路和門極驅動電路。D1為DC-DC變換器中Boost開關管Q1的控制信號，D2為PFC開關管Q2的控制信號。

圖4 系統控制框圖Fig.4 Control diagram of the system

本文中MPPT控制器采用擾動觀察法計算得到太陽電池最大功率點電流ipv_m，電流調節器控制太陽電池的輸出電流保證其工作在最大功率點，電壓調節器控制直流母線電壓，保證其穩定。

下面根據系統的工作模式，對控制電路的工作情況進行詳細的介紹。

(1) 太陽電池的最大輸出功率大于負載所需功率，由太陽電池單獨向負載供電，如圖5a所示。如果保持iin1_ref=ipv_m，則太陽電池工作在最大功率點，其輸出功率大于負載所需功率，導致直流母線電壓升高。當直流母線電壓高于390V時，電壓調節器的輸出為負，使PFC開關管的占空比D2為0，同時使VDc導通，電壓調節器的輸出作為調整信號使iin1_ref減小，即減小太陽電池的輸出電流。此時，電壓調節器與電流調節器組成雙閉環，電流調節器為內環，電壓調節器為外環，調節DC-DC變換器中Boost開關管Q1的占空比D1使直流母線電壓穩定在380V。

圖5 系統控制電路工作模式Fig.5 Working mode of the control circuit

(2) 太陽電池的最大輸出功率小于負載所需功率，由太陽電池和市電同時向負載供電，如圖5b所示。此時電壓調節器調節PFC開關管Q2的占空比D2控制直流母線電壓為380V，VDc阻斷，電壓調節器和電流調節器獨立工作。其中MPPT控制器計算得到ipv_m作為電流調節器的基準給定，使太陽電池輸出最大功率，市電提供不足功率。

(3) 太陽電池無法正常工作時，關閉DC-DC變換器，由市電單獨提供負載所需功率，如圖5c所示。電壓調節器控制PFC開關管Q2的占空比D2保證直流母線電壓穩定在380V。

4 實驗結果

為了驗證太陽能光伏/市電聯合供電系統的能量管理控制策略的有效性，分別搭建了一套2kW的實驗系統，具體參數如下：

DC-DC變換器的參數：

光伏電池最大輸出功率Ppvmax=1 240W；

光伏電池開路電壓Vin1_oc= 43.2V；

最大功率點電壓Vin1_m= 34.4V；

開關頻率fs=50 kHz；

濾波電感Lf1= 100μH，Lf3=300μH；

變壓器匝比9:39。

其中太陽電池板的參數是在光強1 000W/m2，溫度25℃標準狀況下測得。

PFC的參數：

額定功率Po=2 000W；

輸入電壓Vin2=220(1±20%)VAC；

輸出電壓Vo=380V；

開關頻率fs=100kHz；

濾波電感Lf2=290μH。

圖6 DC-DC變換器單獨供電時的實驗波形Fig.6 Experimental waveforms at DC-DCconverter working alone

圖6 給出了DC-DC變換器單獨工作時的實驗波形。vQ1為Q1的控制電壓；vAB為全橋直流變換器變壓器的一次電壓；io為負載的電流；vo為直流母線電壓。此時太陽能最大輸出功率大于負載所需功率，DC-DC變換器工作在穩壓模式，直流母線電壓穩定在380V。

圖7給出了PFC單獨工作時的實驗波形，vg為市電輸入電壓；iLf2為市電輸入電流，電壓和電流波形相位基本一致。此時太陽能無法正常工作，由市電單獨向負載供電，直流母線電壓穩定在380V。

圖7 PFC單獨供電時的實驗波形Fig.7 Experimental waveforms at PFC working alone

圖8 給出了兩路同時工作時，負載突減時的動態波形。vQ1為Q1的控制電壓；vQ2為Q2的控制電壓；io為負載的電流；vo為直流母線電壓。在開始時太陽能光伏電池不能完全提供負載能量，太陽能和市電聯合給負載供電，太陽能DC-DC變換器工作在MPPT模式，確保太陽能輸出最大功率，而市電提供不足的能量。當負載突減，太陽能所提供的功率大于負載所需功率，市電退出工作，太陽能DC-DC變換器工作在穩壓模式。從圖中vQ1，vQ2的波形可以看出系統從兩路同時工作切換為太陽能單路工作，負載突減時，直流母線電壓能夠很好地穩定在380V左右。

圖8 負載突減時的實驗波形Fig.8 Experimental waveforms at load decrease

圖9 給出了太陽能獨立工作時，負載突增時的動態波形。vQ1為Q1的控制電壓；vQ2為Q2的控制電壓；io為負載的電流；vo為直流母線電壓。在開始時負載較輕，太陽能DC-DC變換器獨立工作在穩壓模式。當負載突增，負載能量不能完全由太陽能提供。太陽能DC-DC變換器從穩壓模式切換成MPPT模式，此時仍不足以提供負載所需能量，市電切入工作，提供不足能量。從圖中vQ1、vQ2的波形可以看出系統從太陽能獨立工作切換為兩路同時工作，負載突增時，直流母線電壓能夠很好地穩定在380V左右。

圖9 負載突增時系統動態實驗波形Fig.9 Experimental waveforms at load increase

5 結論

本文提出了一種太陽能光伏/市電聯合供電系統。該系統由太陽電池、市電、DC-DC變換器和PFC組成。系統采用太陽電池作為主供電電源，為了維持負載供電穩定，采用市電作為補充供電電源。本文根據太陽電池和負載的工作狀態，制定了合理的能量管理策略使兩個電源能協調工作，保證負載供電穩定。最后通過實驗和仿真驗證了該系統能量管理控制策略的有效性。

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