光伏供電系統中母線電壓控制的仿真研究

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(福州大學 電氣工程與自動化學院，福州 350108)

1 引言

當前太陽能供電系統有并網型和獨立型，獨立型供電系統主要依賴于蓄電池，效率低而且會增加了成本；而網型供電系統成本低，但是在電網檢修或者故障的時候，需要避免孤島效應而與電網切斷，這時候就造成了浪費。微網既可與電網并網運行又可離網運行，相對于外部電網為單一的受控單元。它能夠滿足人們對供電質量，安全性及穩定性的要求[1]。光伏等分布式微電源多為直流電源，直流微網更適應于光伏等新能源供電。蓄電池作為光伏微網系統中不可缺少的儲能設備，在離網情況下，蓄電池要通過充放電來跟蹤微網中電源的功率和負荷的波動[2]。當直流型微電網工作在離網模式時,由于直流型微電網同公共電網失去聯系,直流型微電網只能靠儲能裝置通過雙向DC/DC電路與直流母線進行電能交換來穩定直流母線電壓,并以直流母線為基礎調節系統內電能供求平衡[3]?？傊?，直流母線電壓穩定才能保證微電網離網情況下系統的正常供電運行，而且這也是并網前的基本要求。

2 供電系統的結構

供電系統的結構如圖1所示，太陽能作為電源供電，蓄電池作為儲能裝置，又是電源又是負載，起到緩沖平衡功率的作用，當太陽能電源提供能量小于負載需求的時候，蓄電池作為電源跟光伏電池一起供電，同樣當太陽能提供能量大于負載所需時，蓄電池吸收掉多余的電能。系統輸出則是經過逆變器輸送交流電供負載。太陽能光伏電池經過最大功率追蹤后連接到直流母線；蓄電池通過雙向DC/DC充放電電路接在母線側，可以實現能量的雙向流動。輸出的工頻電，既可以直接給重要負載供電，能量充足又可以實現并網。在離網情況下，能量的供需不平衡導致母線電壓的波動，影響系統的正常運行和并網。這樣系統結構使得多個直流微電源一起供電時能夠方便的接入微網，直流母線的電壓必須是穩定的。

圖1 微電網系統結構

3 控制策略

光伏電池輸出的最大功率點隨溫度和光照強度的變化而改變，呈非線性特點，但是有唯一確定的輸出電壓使得光伏電池的輸出功率達到最大值。最大功率追蹤基本原理就是在光伏電池和負載之間引入直流變換開關對阻抗進行變換，負載的等效阻抗跟隨太陽能光伏電池的輸出阻抗就得到了最大輸出功率。對Buck電路和Boost電路在光伏最大功率跟蹤中的應用做對比[4]，研究發現對于光伏電池的能量轉化效率Boost電路比 Buck電路的要高，因此選擇Boost電路作為最大功率追蹤的變流器比較合適。

最大功率追蹤的控制策略比較多，但是在外界環境參數變化較緩慢的場合，并且需要光伏系統穩定長時間運行時，適合選用擾動觀測法或者定步長導納增量法控制[5]，由于導納法對傳感器精度要求較高，所以采用擾動觀察法比較合適。擾動和觀察是一個迭代過程，不需知道太陽能光伏陣列的特性，所以是普遍使用的一種方法。但是普通的擾動法具有很好的動態跟蹤性能，但是穩定時會在最大功率點附近震蕩，造成功率損失。步長減小會減小震蕩損失但會影響追蹤速度，根據蓄電池P-U特性提出一中可以根據斜率改變步長的的方法，工作原理如圖2所示，測量得到當前光伏電池的電壓值Uk電流Ik，計算得ΔP、ΔU，如果ΔP變化很小，說明已經在最大功率點，不用再追蹤了，否則繼續追蹤，通過ΔPΔU大于小于零情況判斷工作點在左坡還是右坡，從而確定擾動的方向，是該加大電壓還是減小電壓。如果|ΔP/ΔU|>M，這時候距離坡頂比較遠，用大步長追蹤比較快，并且步長隨著比值大小而改變，可以防止錯過峰值；當離坡頂比較近的時候使用小步長，左右兩側陡峭程度不同，采用左右不同的步長追蹤。

圖2 最大功率追蹤流程圖

圖3 平衡功率控制策略

4 實驗結果分析

利用 Matlab/Simulink對離網情況系統運行進行仿真，光伏電池板采用CN-200S，其參數為：Pm =200 W、Isc =7.44 A、Im = 6.94A、Voc =35.4V、Vm =28.8V。仿真條件如下，采用3并13串的方法得到光伏陣列的短路電流為 22.32A，開路電壓為424.8V，最大功率點電壓345.6V，最大輸出功率為9482W；直流母線參考電壓為600V，儲能蓄電池是額定電壓 150V，額定容量 200Ah的鉛酸蓄電池；逆變器額定輸出功率8kW。仿真結果如以下各圖所示。

圖4(a)為普通擾動法最大功率追蹤的曲線，(b)為改進后最大的功率追蹤曲線，通過對比可以明顯的看出新的控制策略不僅可以快速追蹤最大功率，而且在穩定狀態大大的減少了功率擾動損失，提高了對光伏電池的利用率。

圖4 改進前后的最大功率追蹤

從圖5中可以看出擾動法可以較快實現最大功率的追蹤，并且在0.03s的時候光照強度增強，光伏系統能迅速追蹤到最大功率，這時候光伏電池產生的能量大于逆變器所需的能量，這部分能量累計會使得直流母線電壓升高；在0.07s時光照強度減弱，這時候光伏電池輸出能量不足以支持逆變器消耗，系統的輸出大于輸入必然會導致母線電壓下降。這都需要蓄電池來平衡功率，蓄電池的工作功率如圖6所示，從中可以看出，在0.03s和0.07s的時候蓄電池進行了充電、放電來維持系統的功率平衡。直流母線電壓的波形如圖7所示，可以看出在任何情況下都可以維持穩定并且控制在600V左右。

圖5 光伏電池最大功率追蹤下的電壓、電流、功率波形

圖6 蓄電池工作的功率波形

圖7 直流母線電壓波形

5 結論

本文通過分析接受光伏直流微電網結構模型，改進擾動觀察法對光伏陣列進行最大功率點的追蹤，通過雙環控制由雙向的DC/DC變換器對蓄電池充放電，從而實現對功率的平衡功能，光伏電源與蓄電池共同作用實現母線電壓的穩定。通過控制策略理論分析和仿真實驗，結果顯示控制方法切實有效，為進一步研究分布式電源供電應用提供了依據。

[1]王成山，王守相.分布式發電功能系統若干問題研究[J].電力系統自動化，2008，32(20)：1-4.

[2]郭天勇，趙庚申，趙耀，等.基于風光互補的微網系統建模與仿真,電力系統保護與控制，2010,11(21).

[3]袁建華.分布式光伏發電微電網供能系統研究[D].山東大學，2011.

[4]I.Glasne.Advantage of Boost Vs Buck Topology for Maximum Power Point Tracker inPhotovoltaic Systems[C].Nineteenth Convention of Electrical and Electronics Engineer,1996:335-358.

[5]徐鵬威，段善旭，劉飛，等.幾種光伏系統MPPT方法的分析與比較[D].華中科技大學.