基于新型拓撲的光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量管理控制策略

合肥供電公司　■ 殷忠寧童鑫 古海生 潘超 鄭海良 李孟增 周昕

基于新型拓撲的光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量管理控制策略

合肥供電公司■ 殷忠寧*童鑫 古海生 潘超 鄭海良 李孟增 周昕

針對基于儲能技術的光伏系統(tǒng)的新拓撲，以單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)為例，提出一種針對該系統(tǒng)的能量管理控制策略。采用新拓撲的光伏系統(tǒng)主要由太陽電池、蓄電池、3個單向變換器及1個DC/AC變換器組成，太陽電池和蓄電池協(xié)調工作為負載提供相對穩(wěn)定的能量供應，多余或不足的能量由電網(wǎng)進行動態(tài)調節(jié)；根據(jù)太陽電池和蓄電池工作狀態(tài)的變化，各個變換器不斷調整自身的工作狀態(tài)，確保整個系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行；最后，通過仿真驗證提出系統(tǒng)能量管理控制策略的有效性。

光伏；蓄電池；能量管理

0　引言

隨著傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭，太陽能已逐步成為一種極具潛力的新能源，而光伏發(fā)電則是當前太陽能利用的一種重要方式[1-3]。光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)其是否并網(wǎng)可分為并網(wǎng)系統(tǒng)和獨立供電系統(tǒng)兩種[4]。其中，并網(wǎng)系統(tǒng)又分為不可調度式和可調度式并網(wǎng)系統(tǒng)[5]，不可調度式系統(tǒng)中沒有儲能環(huán)節(jié)，輸出的電能全部注入電網(wǎng)；可調度式系統(tǒng)中含有儲能環(huán)節(jié)，用于平滑光伏陣列的能量輸出或提供能量備用。獨立光伏系統(tǒng)不與電網(wǎng)相連，直接向負載供電，須配備儲能環(huán)節(jié)，用以應對光伏陣列輸出功率的波動性及夜晚不能發(fā)電的缺點。

在系統(tǒng)容量較小的可調度式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)及獨立光伏系統(tǒng)中，蓄電池是較常用的儲能設備[6-10]。對于蓄電池的充放電控制，常用的方式是在蓄電池和直流母線之間加入1個雙向變換器[11-13]，然而采用這種結構后，太陽電池陣列輸出的能量向蓄電池中存儲時需要經過兩級變換器，在一定程度上降低了系統(tǒng)的效率。基于此，本文以一種新的拓撲(圖1)作為光伏系統(tǒng)的主電路，該拓撲中，雙向變換器被換成了2個單向變換器，即圖中的2#和3#單向變換器。2#單向變換器直接接在太陽電池的輸出端與蓄電池之間，負責蓄電池的充電；3#單向變換器接在蓄電池與直流母線之間，負責蓄電池的放電。經過這樣的改進后，蓄電池的充電只需經過一級變換器，這對減少充電損耗、提高光伏系統(tǒng)的效率具有重要意義。

經過這樣的改進后，系統(tǒng)對控制也產生了新的、更特殊的要求。另外，由于目前國內外在光伏照明領域的研究仍局限于組件配合和狀態(tài)控制等基本功能的實現(xiàn)，而對光伏系統(tǒng)能量管理控制的研究卻較少[14]，尤其是針對該新型拓撲的研究，因此，在該新型拓撲的基礎之上，本文提出一種針對小容量的戶用型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的能量管理控制策略，其核心是根據(jù)太陽電池和蓄電池的狀態(tài)，控制各個變換器工作在合適的模式，保證系統(tǒng)高效、穩(wěn)定的運行。

圖1　基于儲能技術的光伏系統(tǒng)的新拓撲

1　系統(tǒng)的工作模式

圖1中，1#單向變換器選用Buck變換器，把太陽電池板輸出的寬范圍的直流電壓轉換為穩(wěn)定的直流母線電壓，并實現(xiàn)太陽電池的最大功率點跟蹤(MPPT)；2#單向變換器也選用Buck變換器，負責向蓄電池充電；3#單向變換器選用Boost變換器，負責蓄電池的放電管理。系統(tǒng)中太陽電池發(fā)出的電能主要供給用戶的負載；蓄電池將多余的能量儲存，或在太陽電池輸出能量不足時，釋放自身儲存的能量供負載使用。

根據(jù)太陽電池以及蓄電池的工作狀態(tài)，將系統(tǒng)的工作情況分為5種工作模式。

1)工作模式Ⅰ：系統(tǒng)正常運行時，1#單向變換器工作在MPPT模式，將太陽電池的輸出電壓控制在最大功率點電壓處。2#單向變換器以電流控制方式將太陽電池發(fā)出的多余能量儲存在蓄電池內，如圖2a所示，當蓄電池充電電流過大或已充滿時，蓄電池以恒流或恒壓模式充電，多余的電能注入電網(wǎng)。

2)工作模式Ⅱ：在工作模式Ⅰ中，當太陽電池所發(fā)電能不足以提供負載所需時，1#單向變換器繼續(xù)工作在MPPT模式，2#單向變換器關斷，蓄電池通過3#單向變換器補充負載所需能量，如圖 2b所示。

3)工作模式Ⅲ：在晚上或陰雨天，太陽電池板無能量輸出時，1#和2#單向變換器均不工作，蓄電池經3#單向變換器單獨提供能量給負載，不足的能量由電網(wǎng)提供，如圖2c所示。

4)工作模式Ⅳ：在蓄電池處于過放狀態(tài)，而太陽電池所發(fā)電能又不能滿足負載所需時，只能停止向負載供電，關斷1#和3#單向變換器，控制2#單向變換器工作在MPPT模式，并向蓄電池充電，負載所需電能完全由電網(wǎng)提供，如圖2d所示。

5)工作模式Ⅴ：在蓄電池處于過放狀態(tài)，而太陽電池所發(fā)電能又無能量輸出時，整個系統(tǒng)只能處于停機狀態(tài)，負載所需電能完全由電網(wǎng)提供，如圖2e所示。

另外，該系統(tǒng)還有一種重要的工作模式，即在電網(wǎng)故障的情況下，電網(wǎng)停止向負載供電，此時，由于系統(tǒng)中儲能電池的存在，光伏系統(tǒng)可以由并網(wǎng)運行模式過渡到獨立運行模式，繼續(xù)為部分重要負載供電。但本文主要討論系統(tǒng)在并網(wǎng)運行模式下的能量管理，對于獨立運行模式不再討論。

b.工作模式Ⅱ：太陽電池和蓄電池同時向負載供電

圖2　系統(tǒng)的5種工作模式

2　系統(tǒng)的控制方式

2.11#與2#單向變換器的協(xié)調控制

在該新型拓撲中，1#與2#單向變換器的輸入端均直接連接在太陽電池的輸出端，尤其是在工作模式Ⅰ中，二者是同時工作的，均會影響到太陽電池的輸出電壓，進而影響到太陽電池的MPPT，因此，對二者的協(xié)調控制顯得非常重要。

1#和2#單向變換器可以同時工作在MPPT模式，但因兩個不同的變換器同時調節(jié)一個點處的電壓，很難實現(xiàn)二者的調節(jié)效果完全一致，從而導致調節(jié)點處的電壓不斷波動，因此，該方案不可行。

另一種方案是1#和2#單向變換器其中之一工作在MPPT模式，將太陽電池輸出電壓鉗位在最大功率點電壓處，另一個變換器則工作在電流控制模式，對調節(jié)點處的電壓影響非常小，這也是本文選取的方案。由系統(tǒng)的工作模式可知，1#單向變換器只有在太陽電池輸出能量較低或沒有能量輸出的情況下才停止工作，其他情況下均可實現(xiàn)MPPT控制；而2#單向變換器只是在蓄電池充電的情況下才工作，不能保證隨時實現(xiàn)MPPT控制。因此，選擇1#單向變換器工作在MPPT模式，2#單向變換器在系統(tǒng)的工作模式Ⅰ中工作在電流控制模式。

圖3為1#單向變換器的控制框圖，采樣當前太陽電池陣列的輸出電壓和電流值，通過MPPT控制算法找到太陽電池陣列的最佳工作點，然后通過控制單向變換器的開關管的占空比來調節(jié)系統(tǒng)的工作點。

圖3　1#單向變換器的控制框圖

圖4為2#單向變換器的電流控制框圖，控制變換器以電流的形式給蓄電池充電，蓄電池的充電分為兩個階段。第一階段為變電流充電方式[15]，即太陽電池發(fā)出的電能除負載消耗之外，其余部分儲存在蓄電池內，此時：

其中，Ubat為儲能電池電壓；Ibat為儲能電池工作電流；PLoad為負載功率。若Ibat＆gt;Ibat,max，則Ibat取值為蓄電池的最大充電電流Ibat,max；第二階段為恒壓充電方式[16]，在蓄電池充滿之后，維持蓄電池電壓在一個恒定的范圍內。

圖4　2#單向變換器的的控制框圖

2.23#單向變換器的控制

3#單向變換器為蓄電池的放電回路，負責補充太陽電池輸出電能不足時負載所需的能量，其控制方式也采用電流控制，放電電流參考值的計算見(1)，不同的是，此處Ibat＆lt;0。

2.3并網(wǎng)逆變器的控制

交流并網(wǎng)逆變器采用電流控制方式，如圖5所示，其控制分為電壓外環(huán)和電流內環(huán)兩個環(huán)節(jié)，電壓外環(huán)保證直流母線電壓的穩(wěn)定，電流內環(huán)實現(xiàn)并網(wǎng)電流的單位功率因數(shù)運行。并網(wǎng)電流參考值I*的選取取決于蓄電池的充放電狀態(tài)。

1) PPV＆gt;PLoad且蓄電池未充滿時：

式中，Pbat為蓄電池的充電或放電功率，充電時為正，放電時為負；Ugrid為電網(wǎng)電壓。

2) PPV＆gt;PLoad且蓄電池已充滿，或PPV＆lt;PLoad時：

圖5　并網(wǎng)逆變器的控制框圖

3　系統(tǒng)的仿真研究

為了驗證本文所設計單相逆變系統(tǒng)的效果，在Matlab 7.0中建立了仿真模型，電網(wǎng)電壓為220 V；太陽電池的最大功率為2000 W；并網(wǎng)逆變器采用單向全橋逆變器，直流母線電壓設為300 V；蓄電池的最大充電電流Ibat，max=8 A，過充電壓Ubat，max=78 V，過放電壓Ubat，min=66 V。系統(tǒng)的控制使用S函數(shù)編程實現(xiàn)。

圖6為光伏系統(tǒng)工作于模式Ⅰ時的仿真波形圖。1.5 s之前，蓄電池充電電流達到了最大值8 A，太陽電池輸出的電能除去負載消耗及蓄電池的存儲后，多余能量注入電網(wǎng)，此時逆變器輸出電流iout略大于負載電流iLoad；1.5 s之后，由于負載功率的增大，太陽電池輸出的電能除去負載消耗之外，其余能量可全部存儲在蓄電池內，逆變器輸出電流iout與負載電流iLoad相等。

a. 蓄電池電流波形

b. 負載電流及并網(wǎng)電流波形

圖6　工作模式Ⅰ的仿真波形

圖7為光伏系統(tǒng)由工作模式Ⅰ向工作模式Ⅱ轉變的仿真波形圖。1.5 s時，由于太陽電池輸出功率的減小，太陽電池輸出的能量已不能滿足負載的消耗，蓄電池由充電模式轉為放電模式，補充負載所需的能量。

圖7　工作模式Ⅰ向工作模式Ⅱ轉變

圖8為光伏系統(tǒng)工作在模式Ⅲ的仿真波形圖。1.5 s之前，負載功率較小，其所需能量完全由蓄電池提供；1.5 s之后，負載功率增大，其所需能量由蓄電池和電網(wǎng)共同提供。

圖8　工作模式Ⅲ的仿真波形

工作模式Ⅳ與工作模式Ⅰ中的恒壓模式類似，唯一不同的是，工作模式Ⅳ下負載不工作，此處不再贅述。

4　結論

本文在一種新型的光伏系統(tǒng)拓撲的基礎上，提出一種針對小容量的戶用型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的能量管理控制策略。系統(tǒng)能夠根據(jù)太陽電池和蓄電池的工作狀態(tài)，協(xié)調控制各個變換器工作在合適的模式，保證系統(tǒng)高效、穩(wěn)定的運行。最后，通過仿真驗證了所提方法的有效性。

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2015-11-19

殷忠寧(1987—)，男，碩士研究生、工程師，主要從事電能質量、分布式發(fā)電技術方面的研究。yinzhongning616@163.com