基于儲能系統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)功率緩沖控制研究

李 凡，張建成

（新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，華北電力大學，河北 保定 071003）

隨著科技的發(fā)展進步，可再生能源的開發(fā)和利用為解決能源危機開辟了一條新的途徑。太陽能作為重要的綠色能源之一，不僅取之不盡用之不竭，而且沒有化石能源所帶來的環(huán)境問題。但是光伏發(fā)電會受到外界環(huán)境的影響，當輻照強度或溫度發(fā)生變化，光伏電源的間歇性和隨機性使得其能量輸出不夠連續(xù)穩(wěn)定，這就給光伏發(fā)電的廣泛發(fā)展和應(yīng)用帶來了技術(shù)挑戰(zhàn)[1-2]。

光伏發(fā)電系統(tǒng)功率流動的協(xié)調(diào)性已經(jīng)成為國內(nèi)外光伏技術(shù)領(lǐng)域的熱點，從負荷角度而言，希望光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能穩(wěn)定可靠，同時電能質(zhì)量優(yōu)良；從光伏電源的利用角度來看，更希望光伏電源以最大功率輸出，實現(xiàn)最大效率的發(fā)電和利用[3]。但是光伏系統(tǒng)經(jīng)過MPPT控制輸出，其最大功率勢必會出現(xiàn)隨機波動，這樣光伏發(fā)電就無法滿足負荷的要求，相互之間的矛盾在不借助其它技術(shù)的前提下是無法調(diào)和的。

近年來，大容量的儲能器件方面有了很大進展，如NaS電池、超級電容器等，具有響應(yīng)快、效率高、壽命長的優(yōu)點，為儲能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。利用先進的儲能技術(shù)進行光伏功率緩沖，可以在光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率輸出后，平滑間歇、波動的功率，實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)在最大功率輸出的前提下?lián)碛锌烧{(diào)度性[4-6]。由此可見，儲能系統(tǒng)對光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率緩沖的控制是關(guān)鍵問題之一。

本文側(cè)重儲能系統(tǒng)對光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的緩沖研究，建立光伏儲能系統(tǒng)模型，介紹系統(tǒng)運行機理，分析系統(tǒng)功率與直流電壓直接的關(guān)系，運用不同儲能方式實現(xiàn)光伏輸出功率的平滑，穩(wěn)定系統(tǒng)直流電壓。

1 基于儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)包括光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和等效負載。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。光伏發(fā)電系統(tǒng)通過MPPT的最大功率點跟蹤控制實現(xiàn)最大功率輸出，由于受到外界環(huán)境的影響，功率輸出總是波動的；儲能系統(tǒng)通過儲能器件的能量儲存、釋放，使光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率得到緩沖，進而變得平滑[7-8]。這樣光伏儲能系統(tǒng)對等效負荷供電，不僅功率滿足負荷需求，系統(tǒng)直流電壓也是穩(wěn)定的。

圖1 基于儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Fig.1 Structure of PV power generation system with energy storage

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)原理分析

光伏發(fā)電系統(tǒng)包括光伏陣列和 MPPT，光伏電池是以半導體的光生伏打效應(yīng)為基礎(chǔ)，將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種半導體器件，由于光伏電池的單位功率比較小，需要將光伏電池通過導線串并聯(lián)，封裝成光伏組件，再將光伏組件串并聯(lián)成有一定發(fā)電容量的光伏陣列。在一定光照強度和溫度下光伏陣列的輸出特性如圖 2所示[9]，實線為電流-電壓（I-V）輸出特性，虛線為功率-電壓（P-V）輸出特性。從圖中可以看出，光伏陣列的I-V特性曲線是非線性的，表明光伏陣列既非恒壓源也非恒流源，是一種非線性直流電源，并且只有A點是唯一的最大功率點。

圖2 光伏陣列的輸出特性 Fig.2 The output characteristics of PV array

當影響光伏陣列輸出特性的光照強度和溫度變化時，最大功率點也會隨之變化。為使光伏陣列以最大功率輸出，提高能源利用率，需要經(jīng)過 MPPT實現(xiàn)最大功率點的跟蹤，實時調(diào)整光伏陣列的工作點[10]。目前最常用的最大功率跟蹤控制方法之一是擾動觀察法，其基本原理是通過周期性地改變輸出端電壓來改變太陽能光伏電池輸出的功率，若輸出功率比變動前大，則電壓朝同一方向變動；反之，若輸出功率比變動前小，則需要在下一周期改變電壓變動的方向。如此反復地擾動、觀察及比較，使太陽能光伏電池的工作點達到最大功率附近。

3 儲能系統(tǒng)功率緩沖原理

3.1 系統(tǒng)功率與系統(tǒng)直流電壓的關(guān)系

光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出端口、儲能系統(tǒng)輸出端口和負載都接在直流母線上，直流母線上的功率流動和系統(tǒng)的直流電壓存在著一定關(guān)系。如圖1所示，直流母線接一個小容量電容器，以示功率流動和直流電壓之間的關(guān)系，即

式中，Ppv為光伏陣列經(jīng) MPPT發(fā)出的功率；Pc為儲能系統(tǒng)儲放的功率，其正值表示釋放功率，負值表示儲存功率；PR為負荷消耗的功率；Cdc為電容器的電容值；Udc為直流母線電壓。

Ppv是光伏陣列經(jīng) MPPT最大功率輸出，根據(jù)最大能源利用原則，該功率只受外界環(huán)境影響而波動；PR是系統(tǒng)需要滿足的功率，不可調(diào)；只有儲能系統(tǒng)的Pc可以實現(xiàn)能量的緩沖，對光伏發(fā)電系統(tǒng)和負荷進行功率匹配。由式(1)可見，當 Ppv＋Pc– PR≠0時，表示光伏陣列輸出的功率和負荷消耗的功率之差與儲能系統(tǒng)儲放功率不平衡，因此 dUdc/dt≠0，表示直流母線在dt時間內(nèi)電壓Udc變化。反之，當Ppv＋Pc–PR=0時，功率在直流母線流動平衡，儲能系統(tǒng)能理想的實現(xiàn)功率存儲，直流電壓不會出現(xiàn)波動。所以，直流母線電壓的波動充分反映了功率流動的平衡性，當電壓上升時，儲能系統(tǒng)需要存儲功率，以使光伏發(fā)電系統(tǒng)功率與負荷功率匹配；當電壓下降時，儲能系統(tǒng)釋放功率，以滿足負荷的功率需求。

3.2 儲能系統(tǒng)功率緩沖

根據(jù)儲能器件連接直流母線的方式不同，儲能系統(tǒng)具有不同的功率緩沖實現(xiàn)方案。一般而言，儲能的連接分為無源式結(jié)構(gòu)和有源式結(jié)構(gòu)。在無源式結(jié)構(gòu)當中，儲能器件是直接連接到直流母線上的，為了滿足要求，儲能器件需具備一定容量，對于光伏發(fā)電系統(tǒng)波動的最大功率輸出能夠較快存儲、釋放。當直流母線電壓上升大于儲能器件電壓時，儲能器件接受充電電流；反之儲能器件輸出電流。該結(jié)構(gòu)簡單，無需儲能系統(tǒng)控制。

有源式儲能系統(tǒng)需要利用雙向 DC-DC變換器將儲能器件和直流母線連接起來，即利用有源式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)能量儲存和釋放[11]。雙向 DC-DC變換器結(jié)構(gòu)如圖3所示。該變換器是功率流動可反向的兩象限變換器，當儲能器件儲電時，變換器工作在降壓狀態(tài)，IGBT 1封鎖，處于工作狀態(tài)的IGBT 2和二極管D 1構(gòu)成Buck模式；當儲能器件放電時，變換器工作在升壓狀態(tài)，IGBT 2封鎖，處于工作狀態(tài)的IGBT 1和二極管D 2構(gòu)成Boost模式。

圖3 雙向DC-DC變換器電路結(jié)構(gòu)圖 Fig.3 Circuit structure of bi-directional DC-DC converter

根據(jù)系統(tǒng)功率與直流電壓的關(guān)系，為了緩沖光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大輸出功率進而滿足負荷功率的需求，所以將光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流母線電壓作為控制目標。直流母線電壓高于額定值時，控制雙向DC-DC變換器將能量儲存到儲能器件，降低直流電壓。控制方法采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制，電流環(huán)的作用在于限制對儲能器件過大電流充電，起到充電保護作用，該控制框圖如圖4所示。通過檢測直流電壓值Udc，與額定電壓值比較作差，將偏差信號作為PI調(diào)節(jié)器的輸入，經(jīng)過限幅環(huán)節(jié)產(chǎn)生變換器電感電流的參考值。用采集得到的變換器電流IL與作差，差值信號經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器和限幅環(huán)節(jié)后得到的信號再與三角載波信號相比較，調(diào)制出控制IGBT 2的PWM信號，以實現(xiàn)電壓穩(wěn)定、功率緩沖控制。

圖4 儲能系統(tǒng)儲存能量控制框圖 Fig.4 Block diagram of energy storage system to store energy

當直流母線電壓低于額定值時，采用電壓控制來快速釋放功率，避免直流電壓的跌落，控制框圖如圖5所示。將檢測的直流電壓Udc與額定電壓的差值順序輸入到PI調(diào)節(jié)器和限幅環(huán)節(jié)，得到的信號再與三角載波信號比較，調(diào)制出IGBT 1的PWM信號，得以實現(xiàn)控制目標。

圖5 儲能系統(tǒng)釋放能量控制框圖 Fig.5 Block diagram of energy storage system to release energy

4 仿真研究

為驗證設(shè)計的無源式儲能系統(tǒng)和有源式儲能系統(tǒng)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中功率緩沖的有效性，用Matlab/Simulink進行仿真研究，搭建了基于儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)模型。仿真參數(shù)設(shè)置為：光伏系統(tǒng)直流母線的額定電壓為300 V；負荷電阻在0.6 s前為22.5 ?，在 0.6～1s為 19.6 ?；儲能器件選用超級電容器組，總?cè)萘繛?.1 F，無源式儲能系統(tǒng)的超級電容器初始電壓為305 V，有源式儲能系統(tǒng)的超級電容器初始電壓為200 V；DC/DC變換器的電感為1 mH，電容為 10 μF，PWM 開關(guān)頻率為 10 kHz。

光伏陣列在標況下發(fā)電，經(jīng)MPPT對外輸出最大功率如圖6所示，功率值隨著外界環(huán)境的變化而波動，無法滿足負荷對于供電的需求。

圖6 光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的最大功率 Fig.6 Maximum power of photovoltaic power generation system

當采用無源式儲能系統(tǒng)做功率緩沖時，超級電容器直接接到直流母線上，圖7為直流母線電壓，圖8為負荷功率。由于超級電容器的功率調(diào)節(jié)，使得電壓在300 V上下波動，滿足電壓±5%內(nèi)波動的電能質(zhì)量要求；同時，負荷功率有所改善。

圖7 采用無源式儲能系統(tǒng)直流電壓 Fig.7 Voltage of DC with passive energy storage system

圖8 采用無源式儲能系統(tǒng)負荷功率 Fig.8 power of loads with passive energy storage system

當采用有源式儲能系統(tǒng)做功率緩沖控制時，直流母線電壓如圖9所示，負荷功率如圖10所示，儲能系統(tǒng)的儲放功率如圖11所示。仿真過程中光伏系統(tǒng)輸出的最大功率波動的同時，負荷所需功率在0.6s前后也有較大變化，但是，有源式儲能系統(tǒng)能夠有效地實現(xiàn)光伏系統(tǒng)功率的緩沖，當直流電壓高于300 V時，儲存功率到儲能器件；當直流電壓低于300 V時，儲能器件釋放功率到直流母線。電壓穩(wěn)定的同時，負荷的功率需求得到滿足。

圖9 采用有源式儲能系統(tǒng)直流電壓 Fig.9 Voltage of DC with active energy storage system

圖10 采用有源式儲能系統(tǒng)負荷功率 Fig.10 power of loads with active energy storage system

圖11 有源式儲能系統(tǒng)儲放的功率 Fig.11 Power of active energy storage system store and release

通過兩種儲能系統(tǒng)的仿真結(jié)果可得以下結(jié)論。

（1）無源式儲能系統(tǒng)中，儲能器件端口電壓的變化會直接影響直流母線的電壓，所以其初始電壓較為重要，同時調(diào)節(jié)能力受儲能器件容量的直接限制，無法保證為直流母線上的負荷提供高質(zhì)量電能，而且儲能器件處于儲存或釋放能量的狀態(tài)，會影響有充放電次數(shù)限制的儲能器件的壽命。優(yōu)點是成本較低，無需控制，在直流母線電能質(zhì)量要求不高的前提下可以應(yīng)用。

（2）有源式儲能系統(tǒng)中，由于通過變換器連接到直流母線，儲能器件的充放電可控，優(yōu)化了儲能器件的工作環(huán)境，避免過充、過放的出現(xiàn)。同時，實現(xiàn)了儲能器件與直流母線的電壓解耦，控制緩沖功率傳輸?shù)耐瑫r保證直流母線電壓穩(wěn)定，可控性強。但是，成本較無源式儲能系統(tǒng)高，且通過變換器進行功率傳輸會有一定的能量損耗。

5 結(jié) 論

儲能在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用具有重要意義，能夠極大地提高光伏能源的可利用性和穩(wěn)定性。本文建立了基于儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行原理，分析了系統(tǒng)功率與系統(tǒng)直流電壓的關(guān)系，針對光伏系統(tǒng)輸出的最大功率波動和負荷所需功率變化，設(shè)計了無源式儲能系統(tǒng)和有源式儲能系統(tǒng)進行功率的緩沖，以滿足負荷的供電需要。仿真結(jié)果表明，有源式儲能系統(tǒng)的功率緩沖效果較無源式有明顯改善，通過雙向 DC-DC變換器的功率自動儲放切換控制，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)和負荷之間得以功率匹配，同時直流電壓能夠穩(wěn)定在額定值，驗證了儲能系統(tǒng)功率緩沖的有效性。

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