基于雙控制核心的光伏儲能管理系統

薛家祥，吳 波

（華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510640）

得益于國家政策的扶持，我國的可再生能源的利用得以高速的發展，尤其在光伏發電領域，已經形成相當的規模[1]。但是在光伏發電過程中，由于光伏發電本身的不確定性，存在嚴重的功率擾動問題，直接并網會導致嚴重的諧波污染問題，從而對電網造成較壞的影響。因此，為了解決這個問題，我們要對光伏功率的波動來進行抑制。在已有的技術中，在光伏發電系統中引入儲能系統是較為不錯的解決方案，因此，在未來光伏發電的建設過程中，采用大容量儲能技術已經成為一個重要保證，會在我國的能源發展戰略中占有一席之地。

因此，本文提出了一種光伏儲能管理系統的設計方案，在傳統的分布式發電的基礎上，增加了電池充放電電路，實現了對電網電能質量的提高，也對電網的峰谷平衡問題進行了調節。實現了光伏儲能管理系統的高效率運行[2]。目前，該系統還在試驗中。

1 系統總體方案的設計

本系統在設計過程中，基于芯片外設數量有限的實際，并考慮到系統的穩定運行，采用雙控制核心來對系統進行控制。光伏發電和電池充放電分別由不同的控制器控制，兩者之間通過SPI連接通訊，有效地防止部分電路損壞干擾對其他部分的影響，提升了系統的響應速度。系統的總體設計架構如圖1所示。

圖1 系統整體框架結構圖Fig.1 Overall frame structure diagram of the system

本系統設計時前級采用BOOST拓撲電路來實現對光伏電池的最大功率跟蹤，實現光伏電池的最大輸出。后級電路采用全橋電路，既可以實現離網供電的功能；也可以在電池能量充足的情況下，將能量傳輸至電網，實現并網功能；最后，在光照強度不足的情況下，全橋可以對電網進行整流，給電量不足的電池進行充電。電池充放電電路一端接在電池，一端接在母線，給電池充電電路采用移相全橋拓撲，將母線電壓降至電池充電電壓，當電池放電時，采用推挽拓撲實現升壓，給母線提供能量。

2 硬件電路設計

2.1 光伏并網電路設計

光伏并網電路部分主電路由兩部分組成，其簡化結構如圖2所示，前級由BOOST電路來實現對光伏板的最大功率跟蹤，來給母線提供能量，后級由全橋雙向變換器組成，負責母線與電網或負載之間能量的雙向傳輸。

圖2 光伏并網電路簡化圖Fig.2 Simplified diagram of photovoltaic grid connected circuit

主電路選用了BOOST電路來對光伏太陽能板進行最大功率跟蹤。BOOST電路在開關管導通過程中，電感儲存能量，在開關管關斷時，電感釋放能量與電源能量疊加，達到升壓的目的。在最大功率跟蹤的過程中，不斷計算每一周期期間的實時功率值，并和上一周期進行比對，以此為依據來不斷對占空比進行調節，直至達到最大功率輸出[3]。在最大功率跟蹤的過程中，光伏太陽能板相當于一電流源和一電阻并聯，母線電壓由后級全橋電路穩在400 V。

DC/AC雙向變換器選用PWM全橋電路，每個橋臂由一個N型IGBT和一個反并聯的二極管組成。L為交流側添加的平衡電感，起到平衡電壓、濾波、支撐無功功率和儲存能量的作用。光伏儲能系統中的全橋要負責控制電網和母線之間能量的雙向流動，當離網工作或者光伏并網時，母線能量傳輸至負載端或者電網端，此時的全橋拓撲起到逆變電路的作用；但是當電池能量不足且沒有光伏輸入時，能量由電網端傳輸到母線，之后經由BMS電路給電池充電，這種情況下全橋起到整流電路的作用。

2.2 充放電BMS電路設計

電池充放電路的作用是將光伏太陽能板和電網與儲能電池的能量進行交換。電池能量不足時給電池進行充電，采用的是移相全橋拓撲，當電池給負載端供電時，采用推挽拓撲將電壓升壓至400 V給母線電壓提供能量。其原理如圖3所示。

推挽電路與移相全橋電路共同組成BMS電路，對電池能量進行管理。當電池放電時，由推挽電路升壓給母線供電，兩開關管有相同的驅動波形，但是兩者相位差為180°；當電池能量不足時，由移相全橋電路將能量由母線傳遞給蓄電池，對充電電流大小進行控制，同時根據蓄電池的電荷量來對其進行分段充電[4-5]。

圖3 BMS電路簡化圖Fig.3 Simplified diagram of BMS circuit

2.3 主控電路設計

主控電路采用“瑞薩+DSP”雙控模式，瑞薩單片機負責對充放電電路的控制，而DSP電路負責對于太陽能最大功率跟蹤的實現以及對DC/AC變換器的控制。主控核心對信號采樣電路反饋的信號進行處理收集，主要包括光伏輸入的電壓電流、母線電壓、負載電壓電流、電網電壓電流以及電池端電壓電流。采樣電路主要采用精密電阻分壓以及運放放大運放的方式，根據采樣信息來確定當下的工作模式，并控制給出相應的驅動信號。除了采樣電路和和驅動信號外，主控電路還負責對系統運行中的安全性負責，有提供過溫、過欠壓以及過流保護的功能。其主控核心及外設分配如圖4所示。

圖4 主控電路及相應外設Fig.4 Main control circuit and corresponding peripherals

3 光伏儲能系統工作模式分析

如上節所講，控制核心的主要功能是對主電路關鍵節點的電壓電流進行采樣轉換，把信息反饋至DSP和瑞薩來對主控電路進行相應的控制，使其滿足相應的性能要求。首先對各功能模塊進行實現，具體分為前級MPPT控制模塊設計，全橋并網算法設計以及充放電軟件設計。

同時，在光伏儲能系統中，工作模式的調試和切換是控制系統的關鍵。根據外部接件的不同，光伏儲能系統處于不同的工作模式。具體步驟分為兩部分，第一步是判定是由控制核心對電網進行檢測，當檢測到接入電網時，系統進入并網工作模式，否則系統進入離網工作模式。進入第二步之后則根據光伏輸入、蓄電池以及電網負載間的能量多少來進行工作模式選擇。如圖5為離網、并網模式下子模式的選擇。

圖5 工作模式選擇Fig.5 Selection of work pattern

4 實驗測試分析

在搭建實驗樣機的基礎上，進行了相應的實驗來對系統的性能進行驗證分析。在試驗過程中用光伏模擬器來模擬太陽能發電，充電試驗采用的蓄電池是48 V/100 Ah鈦酸鋰電池組。

4.1 光伏MPPT并網效率測試

對光伏并網主電路進行測試，用光伏模擬器來模擬光伏板發電，不斷改變光伏曲線，逐漸增加光伏輸入的最大功率值，和最終并網功率值進行比對，并分別計算在光伏500 W、1000 W、1500 W、2000 W、2500 W、3000 W時的光伏并網效率，其測試值如表1所示。系統的光伏輸入功率與并網轉換效率的關系如圖6所示，光伏并網效率在0.9～0.94之間，滿足系統設計要求。從圖6可以看出，當隨著光伏輸入功率的增加，并網效率也在不斷提高，當光伏輸入達到1.5 kW時，轉換效率穩定在93%左右。

表1 光伏并網效率測試Tab.1 Photovoltaic grid efficiency test

圖6 光伏并網效率-功率變化曲線Fig.6 PV grid efficiency-power change curve

4.2 離網輸出測試

為了測試蓄電池放電時，主電路拓撲的工作效率，將機器在離網模式下進行測試，電池給負載端提供電能，測試了在8個工作功率點下的工作效率，輸入輸出參數如表2所示，并繪制了效率變化曲線圖，如圖7所示。發現隨著輸出功率的增加，逆變器的效率也在提升，當在2000 W左右時，其工作效率達到90%，滿足逆變器的設計要求。

5 結語

本文設計了一種光伏儲能管理系統，詳細分了主電路硬件設計，并對工作模式進行了分析，最后進行了實驗測試分析，證明了系統的可靠性。系統驗證分析后具有良好的能量轉換效率和性能。證明了基于雙控制核心的光伏儲能方案是可行的。

表2 離網模式輸入輸出數據表Tab.2 Out of network mode input and output data

圖7 電池離網輸出效率-功率變化曲線Fig.7 Efficiency-power change curve of battery off-net output