一種便攜式光伏電源系統(tǒng)的儲(chǔ)能單元研究

三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院 鐘愛(ài)玲

一種便攜式光伏電源系統(tǒng)的儲(chǔ)能單元研究

三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院 鐘愛(ài)玲

太陽(yáng)能作為一種清潔無(wú)污染的可再生能源，隨著太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)越來(lái)越成熟，它在電力方面的應(yīng)用越來(lái)越普遍。為改善邊遠(yuǎn)的游牧民、偏僻山區(qū)以及戶外人員的用電需求，本文研究設(shè)計(jì)了一款便攜式光伏電源系統(tǒng)。文中采用了光伏直流側(cè)具有儲(chǔ)能功能的交直流分布式電源管理模型，針對(duì)光伏電源系統(tǒng)具有間歇性、易波動(dòng)的特點(diǎn)，利用直流儲(chǔ)能單元來(lái)調(diào)控供電平衡。主要針對(duì)小型的太陽(yáng)能電池組件，進(jìn)行雙向DC/DC變換器的設(shè)計(jì)研究，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)模型的可行性。

便攜式光伏電源；雙向DC/DC；單移相控制；隔離型

1.引言

隨著太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的不斷提高和改善，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換率和利用率的穩(wěn)步提升，太陽(yáng)能發(fā)電在電力市場(chǎng)中的份額也在不斷增加。作為一種清潔無(wú)污染的可再生能源，太陽(yáng)能的利用使得人類在能源變革中走出了新的一步，為人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展的能源建設(shè)展現(xiàn)了美好的曙光。近年來(lái)，由于國(guó)家對(duì)清潔能源，特別是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的大力扶持，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展很快，其應(yīng)用也隨之更加廣泛，特別是在邊遠(yuǎn)山區(qū)和廣大的游牧區(qū)的應(yīng)用，優(yōu)勢(shì)非常明顯，一種小型的便攜式光伏電源系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生。

這一模型采取單DC直流母線結(jié)構(gòu)，如圖1所示，將各種DC源統(tǒng)一到直流母線上，可以直接為直流負(fù)載供電，以及通過(guò)單相DC/ AC逆變器為AC負(fù)載供電，還可以通過(guò)雙向DC/DC變換器與儲(chǔ)能裝置連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供電的均衡[1,2]。典型的雙向 DC-DC 變換器分為變壓器隔離型和非隔離型兩種[3]，隔離型雙向全橋DC/DC變換器具有結(jié)構(gòu)對(duì)稱、功率密度大、易實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)、器件電壓電流應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)[4]。本文將隔離型雙向雙全橋DC/DC變換器應(yīng)用到光伏電源系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置，通過(guò)單相移相控制（SPS）策略，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小慣性、高動(dòng)態(tài)、軟開(kāi)關(guān)控制以及雙向DC/DC變換器原副邊的均流等問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真優(yōu)化給定功率下的相關(guān)參數(shù)。

圖1 便攜式光伏電源裝置的結(jié)構(gòu)圖

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

作為一種便攜式光伏電源系統(tǒng)，便攜是其主要考慮因素之一，基于此，選擇鋰電池來(lái)儲(chǔ)存電能。鋰電池是一種能量密度和體積密度均高，且壽命長(zhǎng)的新型儲(chǔ)能電池，如圖1所示，是以鋰電池作為儲(chǔ)能系統(tǒng)[5]的便攜式光伏電源裝置的結(jié)構(gòu)圖。儲(chǔ)能系統(tǒng)由隔離性雙向DC/DC變換器和鋰電池組構(gòu)成，完成能量的雙向傳輸。變換器-負(fù)載部分可以分別轉(zhuǎn)換成直流和交流滿足小型家用需求，其中220v交流輸出先經(jīng)過(guò)BOAST半橋變換器再經(jīng)過(guò)DC/AC變換器獲得，穩(wěn)壓直流輸出經(jīng)過(guò)BUCK降壓穩(wěn)壓獲得。

假設(shè)太陽(yáng)能光伏電源在有效工作時(shí)間能提供的輸出功率為PSP ,本地負(fù)載需求的功率為PLOAD，儲(chǔ)能單元儲(chǔ)存的功率為PES，當(dāng)太陽(yáng)能光伏陣列在太陽(yáng)有效照射時(shí)，輸出功率PSP-PLOAD＞0,則直接對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電，并對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電，如果此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)充滿，則停止充電；當(dāng)太陽(yáng)能光伏陣列在太陽(yáng)有效照射時(shí)，輸出功率PSP-PLOAD＜0,則儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行放電，和太陽(yáng)能光伏電源一起滿足負(fù)載功率需求；當(dāng)太陽(yáng)能光伏陣列在夜間，即PSP=0時(shí)，此時(shí)負(fù)載所需求的功率完全由儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行提供。

3.隔離型雙向DC/DC變換器的設(shè)計(jì)

本文雙向DC/DC變換器采用隔離型，如圖2所示，以其自身功率密度大、易實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)控制等特點(diǎn)，并能有效對(duì)直流母線和儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行電氣隔離。

在單移相控制方式[6]下，如果用DΦ表示vab和vcd之間的移相角與π的比值，則當(dāng)DΦ大于0時(shí)，能量正向流動(dòng)，為充電模式；當(dāng)DΦ小于0時(shí)，能量逆向流動(dòng)，為放電模式。所以通過(guò)改變DΦ的正負(fù)和大小來(lái)改變能流方向和能流大小。

圖2 隔離性雙向DC/DC變換結(jié)構(gòu)

其中原邊側(cè)Q1、Q4和Q2、Q3控制信號(hào)互補(bǔ)，副邊側(cè)Q5、Q8和Q6、Q7控制信號(hào)互補(bǔ)，Q1、Q4控制信號(hào)超前Q5、Q8控制信號(hào)一個(gè)θ角，若控制信號(hào)周期為Ts，則DΦ=2θ/ Ts。當(dāng)逆向能流時(shí)，Q1、Q4控制信號(hào)滯后Q5、Q8一個(gè)θ角。

正向能流時(shí)，各個(gè)時(shí)間段的原、副邊導(dǎo)通情況和能流情況，如下表1。

表1 正向能流時(shí)的導(dǎo)通情況和能流情況

由表1可知，在時(shí)間段t0～t1和t3～t4存在功率回流，根據(jù)功率回流計(jì)算公式，計(jì)算，則可得回流功率：

由式可知，回流功率是無(wú)法完全消除的，它是影響效率的主要因素。在隔離性雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，回流功率主要受到變換器電感值L和變壓器變比n的影響，所以L和n的優(yōu)化選擇對(duì)變換器功率傳輸和效率提高有著重要作用。

可得。

在實(shí)際中，電壓Vin和Vout是在一定范圍內(nèi)變化的，所以在寬輸入和寬輸出的范圍內(nèi)尋找較優(yōu)的L和n，使得回流功率最小，需要考慮多方面的因素。

4.仿真結(jié)果

為驗(yàn)證本文電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，在PSIM里搭建了仿真平臺(tái)，進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：

隔離性雙向DC/DC變換器參數(shù)：開(kāi)關(guān)頻率f=5k，換向電感L=50uH，變壓器變比n=1.5，鋰電池組額定端電壓Uli=36V，額定端電流Ili=15A。

圖3是DΦ=0.25正向能流時(shí)的仿真波形。

圖3 正向能流時(shí)的仿真波形

此時(shí)計(jì)算的回流功率為51.73，與理論值51.9基本吻合，對(duì)于小功率電源系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)需求。

5.結(jié)論

本文針對(duì)游牧民、偏僻山區(qū)以及戶外人員的用電需求設(shè)計(jì)了一種便攜式的光伏電源系統(tǒng)。針對(duì)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了雙向DC/DC儲(chǔ)能單元。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文中采用的具有儲(chǔ)能功能的交直流分布式電源管理模型，可以根據(jù)直流母線功率情況進(jìn)行能量的雙向流動(dòng)，并能根據(jù)需求提供較好質(zhì)量的小功率交流和直流輸出。

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鐘愛(ài)玲（1996—），女，三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院電力工程及其自動(dòng)化本科在讀，研究和關(guān)注方向?yàn)殡娏﹄娮幼儞Q技術(shù)。