直流微電網(wǎng)光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究

時(shí)國(guó)平 錢葉冊(cè) 孫 佐

（池州學(xué)院 安徽池州 247000）

直流微電網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)，其組成部分包括光伏電源、蓄電池與負(fù)載。蓄電池在光伏發(fā)電系統(tǒng)中起到能量的緩沖作用，當(dāng)光照較強(qiáng)或者外界條件適宜光伏輸出更多功率時(shí)，它可以儲(chǔ)存一部分能量，當(dāng)光照較弱或者光伏電源供能不足時(shí)，它可以補(bǔ)充能量，滿足整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件。

蓄電池的控制系統(tǒng)主要對(duì)其充放電進(jìn)行控制，傳統(tǒng)控制方法是充電與放電回路分離，且基于模擬電子線路設(shè)計(jì)方法，在穩(wěn)定性、靈活性和快速性上有所欠缺。為了使蓄電池在分布式電源發(fā)電過(guò)量或缺乏時(shí)能夠迅速吸收或補(bǔ)充電能，同時(shí)由于直流母線電壓一般高于電池輸出電壓，需要對(duì)其升壓，因此采用雙向Buck/Boost變換器，以滿足能量雙向流動(dòng)可以在一個(gè)電路上進(jìn)行充放電的需求[1-3]。

為了保持蓄電池的控制系統(tǒng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，將控制器設(shè)計(jì)為雙閉環(huán)控制方式，并在控制器的內(nèi)環(huán)和外環(huán)分別引入PI控制補(bǔ)償環(huán)節(jié)。

一、雙向Buck/Boost變換器建模

雙向BuckBoost變換器電路拓?fù)淙鐖D1。其中：L為變換器的濾波電感，C為輸出濾波電容，R為線路阻抗，ui為變換器輸入電壓，iL為輸入電流，udc為變換器的輸出電壓，io為輸出電流，uo為直流母線電壓。

圖1 Buck/Boost變換器原理圖

在電感L電流連續(xù)情況下，通過(guò)開(kāi)關(guān)管S1、S2交替通斷，雙向Buck/Boost變換器電路可工作在以下三種模式：當(dāng)直流母線電壓uo大于其參考值時(shí)，開(kāi)關(guān)管S2導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管S1截止，蓄電池充電，變換器電路工作在Buck模式下；當(dāng)直流母線電壓uo小于其參考值時(shí)，開(kāi)關(guān)管S1導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管S2截止，蓄電池放電，變換器電路工作在Boost模式下；當(dāng)直流母線電壓uo等于其參考值時(shí)，開(kāi)關(guān)管S1、S2同時(shí)截止，蓄電池與電源無(wú)能量交換[4-6]。

直流微電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，雙向Buck/Boost變換器都工作于電感電流連續(xù)狀態(tài)。設(shè)D為上管S2的占空比，雙向Buck/Boost變換器的開(kāi)關(guān)平均模型為：

二、雙向Buck/Boost變換器控制器

DC/DC控制器控制對(duì)象是蓄電池的充電狀態(tài)SOC，當(dāng)SOC超過(guò)參考值或者電池充電達(dá)到上限時(shí)，需要將能量重新分配和管理。控制器結(jié)構(gòu)為Buck-Boost電路，在電池充電時(shí)工作為buck狀態(tài)，放電時(shí)工作為boost狀態(tài)，為了減少后續(xù)變換器的偏差，需要盡量控制直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。為了保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，將控制器設(shè)計(jì)為雙閉環(huán)控制方式：控制器比較直流側(cè)電壓和參考值電壓的值得到偏差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后得到參考電池電流，參考電池電流與被測(cè)電流進(jìn)行比較得到偏差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后產(chǎn)生PWM信號(hào)給開(kāi)關(guān)管[7-10]。

（一）電流內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計(jì)。內(nèi)環(huán)控制中采用電流環(huán)實(shí)現(xiàn)電感電流的控制，其控制框圖如2所示。

圖2 電流內(nèi)環(huán)控制器框圖

定義：占空比到電流的傳遞函數(shù)為Gid(s)；Gci(s)為PI補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)；Gm(s)為PWM脈寬調(diào)制器的傳遞函數(shù)。

加入補(bǔ)償器后電流閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

加入PI補(bǔ)償器前后電流環(huán)傳遞函數(shù)的bode如圖3所示：

圖3 加入PI控制器前、后電流環(huán)傳遞函數(shù)的bode圖

由圖3的bade圖可知：傳遞函數(shù)為非最小相位系統(tǒng)，求得幅值裕度為-105dB，相角裕度為51.7°，系統(tǒng)表現(xiàn)為不穩(wěn)定，帶寬為56.3KHZ。不滿足大于開(kāi)關(guān)頻率的要求和系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求。PI控制器加入后電流環(huán)的截止頻率為7.8KHZ，相角裕度為172°，幅值裕度為∞。滿足系統(tǒng)穩(wěn)定的要求，截止頻率小于開(kāi)關(guān)管頻率，滿足要求。

（二）電壓外環(huán)控制器的設(shè)計(jì)。電壓環(huán)的控制目標(biāo)是確保輸出電壓不受電流變化的影響。為實(shí)現(xiàn)電壓環(huán)與電流環(huán)的解耦，電壓環(huán)的截止頻率關(guān)，必須小于電流環(huán)的截止頻率的1/4。電壓環(huán)的控制框圖如4所示，

圖4 電壓外環(huán)控制器框圖

定義：Gcv為電流補(bǔ)償函數(shù)；Gvi為電流到電壓的傳遞函數(shù)。

加入補(bǔ)償器后電壓閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

加入PI補(bǔ)償器前、后電壓環(huán)傳遞函數(shù)的bode圖如下：

圖5 加入PI控制器前、后傳遞函數(shù)的bode圖

由圖5的bode圖可知：由于傳遞函數(shù)的分子分母階次相同，因此系統(tǒng)的穩(wěn)定需要滿足一定條件，幅值裕度為-10.3dB，相角裕度為-84.8°，系統(tǒng)不穩(wěn)定。系統(tǒng)加入PI補(bǔ)償器后，電池電流到直流側(cè)電壓的傳遞函數(shù)的截止頻率為16.5hz，幅值裕度為∞，相角裕度為167°。根據(jù)電壓外環(huán)設(shè)計(jì)的要求可知，滿足，同時(shí)系統(tǒng)也由不穩(wěn)定變成穩(wěn)定。

三、儲(chǔ)能系統(tǒng)的仿真分析

為了驗(yàn)證雙環(huán)控制器的可靠性和穩(wěn)定性，同時(shí)測(cè)試電池的SOC特性，需要對(duì)電池進(jìn)行仿真與分析。根據(jù)圖1建立MATLAB動(dòng)態(tài)模型，將直流母線電壓用電壓源代替。實(shí)驗(yàn)中，不同參考電壓下電池特性：初始參考電壓為600V，在0.4s改為800V，0.8s改為1000V，1.2s改為1200V。蓄電池的充電狀態(tài)SOC、輸出電壓、輸出電流圖形如圖6所示。

圖6 蓄電池輸出特性

如圖6可知：每次改變參考電壓輸出，蓄電池都會(huì)進(jìn)行放電調(diào)節(jié)變換器輸出，因?yàn)檩敵鲭妷罕入姵仉妷焊撸看卧黾与妷海瑢?duì)于電池需要消耗一部分能量，當(dāng)參考電壓輸出由600V增為1200V時(shí)，電池SOC變?yōu)橄茸钚〕潆姷椒烹姞顟B(tài)，然后一步一步下降。而蓄電池的輸出電流和電壓基本維持恒定，參考電壓的變化對(duì)其影響很小，可以忽略不計(jì)。綜合以上結(jié)果可知：雙向Buck-Boost控制器可以滿足穩(wěn)定直流側(cè)電壓的需求，同時(shí)在系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性上也滿足一定要求。

四、結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)蓄電池作為儲(chǔ)能系統(tǒng)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的作用和功能進(jìn)行說(shuō)明，對(duì)雙向Buck/Boost變換器進(jìn)行了建模，建立了雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，對(duì)控制系統(tǒng)內(nèi)、外環(huán)都引入了PI補(bǔ)償器，并進(jìn)行了頻域分析。最后對(duì)雙向Buck/Boost變換器系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真驗(yàn)證了帶雙閉環(huán)控制變換器系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。