基于電壓電流雙閉環控制策略的儲能供電系統仿真與實現

湖北民族大學信息工程學院 陳若奇 龍畫畫 鐘建偉

國網湖北省電力有限公司巴東縣供電公司 李正剛 程明亮

目前光伏發電不僅用于發電售賣，普通家庭之中應用也十分廣泛。一般的家庭用電在負荷等級中排位最低，在用電高峰期易出現斷電情況。采用風電的話，不是所有地區都合適，而光伏發電所需的光照幾乎是覆蓋全地區，通過光伏發電不僅可以解決斷電問題還可減輕所在地區電網的供電壓力，同時還可以節省電費，可以說得上是一舉多得。居民用電高峰期多數為光伏發電低谷期，這就需要儲能設備來將光伏所發電能儲存下來以供居民用使用。本文首先介紹家庭光伏儲能系統結構，然后介紹仿真模塊，重點是DC/DC（直流變直流）和DC/AC（直流變交流）變換器的仿真原理，最后通過MATLAB實現仿真來驗證本系統的正確性。

1 系統介紹

家庭負荷的能量來源主要由兩部分組成，一個是電網經變壓器直接供電，另一個是直流部分（光伏與蓄電池供電）經DC/AC變換器轉換為交流供電。具體的供電策略為：當光伏電池輸出功率大于家庭負荷時多余部分可以給蓄電池充電，當家庭負荷過大時蓄電池給負荷供電，同時電網也能夠對負荷進行供電，所以蓄電池與DC/AC變換器直流側之間的DC/DC變換器需要是雙向的，既能供電也能充電。家庭負荷也能從電網側取得電能，光伏供電是一種輔助措施，蓄電池可以看作為應急措施，當然在光伏功率足夠的時候是可以替代電網側供電的，這一點在后面會有仿真演示。

圖1 家庭光伏儲能供電系統結構圖

2 相關仿真模塊設計分析

本文使用MATLAB軟件對家庭光伏儲能供電系統進行仿真設計，主要模塊可分為光伏電池模塊、DC/DC變換器與DC/AC變換器。

2.1 光伏電池模塊

光伏電池的建模主要是建立光伏電池數學模型，并將數學公式轉換為MATLAB中的模塊從而得出輸出，本文光伏電池模型的建立主要參考文獻[1]。圖2所示是光伏電池的標準模型，從中可以得 出 如下方程：Uj=U+IRS(1)，Ish=Uj/Rsh(2)， Id=I0{exp[q(U+IRs)/nkT]-1}(3)，I=Iph-Id-Ish(4)， 將等式(1)、(2)和(3)代入(4)得：I=Iph-I0{exp[q(U +IRs)/nkT]-1}-U+IRs/Rsh，其中I0=I0r[T/Tr]3exp[q Eg0/Bk(1/Tr-1/T)](5)，Iph=[Iscr+K1(T-25)]λ/1 000(6)，式中Iscr為額定T和λ下得短路電流；K1=0.0017A/oC；Eg0為硅的禁帶寬度；Ior為Tr下 的暗飽和電流；k為波爾茲曼常數；n為二極管特性 因子。

因為本文目的是模擬負荷變動狀況下光伏儲能系統的供電狀態，并不需要改變光伏電池輸入情況，所以光伏電池可以采用數學模型建立，本文為了方便設計只采用了一組數據進行建模，光伏電池采用的數據圖像如圖3所示。

圖2 光伏電池等效模型圖

圖3 光伏電池數據圖

圖4 MPPT算法邏輯圖

2.2 Boost電路模塊

由圖3可知光伏電池存在一個最大輸出功率點，通過MPPT（最大功率點跟蹤）算法，本文采用的MPPT算法為擾動法，即在初始狀態下給光伏電池一個擾動，這時光伏電池的輸出功率一定會發生改變，根據光伏電池的功率特性圖可知，若電壓減小、功率增大時，則需要減小電壓；若電壓增大、功率減小時，則需要減小電壓；若電壓增大、功率增大時，則需要增大電壓；若電壓減小、功率減小時，則需要增大電壓（圖4）。

2.3 雙向DC/DC變換器模塊

由于蓄電池需要充電與放電，所以它的DC/DC變換器需要雙向的（圖5），通過兩個IGBT晶閘管分別給兩個信號G1_B和G2_B來控制變換器電路功率流向。而具體的控制邏輯如圖6中所示，將實際直流電壓與目標電壓相作差得出差值，將差值經傳遞函數送入PID（比例積分微分）調節器，再經傳遞函數與實際電流作差，再經傳遞函數送至PID調節器然后送入PWM得出所需要的調制波，也就是上文所需的脈沖信號。

圖5 雙向DC/DC電路圖

圖6 雙向DC/DC變換器脈沖邏輯圖

2.4 雙向DC/AC變換器模塊

如圖7所示本文雙向DC/AC變換器采用的控制策略是電壓電流雙閉環控制閉環體現在Ugrid與Igrid上兩者都是IGBT全橋電路采集的信號，該電路輸出的脈沖信號也是提供給IGBT全橋電路使用，電路圖如圖8所示單相逆變電路。

圖7 雙向DC/AC變換器邏輯圖

圖8 DC/AC變換器電路圖

2.5 負載模塊

由于本文需要改變負荷情況來觀測光伏儲能系統供電情況，所以在負荷與電網連接之間加入switch模塊，通過信號Load_SW2來控制其打開或者關斷，負載總共由兩個圖9模塊組成，通過控制兩個模塊的switch模塊通斷來控制投入負載數，以此達到研究目的。

圖9 負載模塊圖

圖10 家庭光伏儲能系統仿真結構圖

根據上文所描述各個模塊在Simulink中建立的家庭光伏儲能供電系統仿真結構圖如圖10所示，構成模塊有蓄電池模塊、光伏電池模塊、電網模塊、雙向DC/DC變換器模塊、雙向DC/AC模塊、Boost模塊、變壓器模塊以及負載模塊。光伏電池仿真用數據表見表1。

表1 光伏電池仿真用數據表

由圖11中可見，MPPT算法使得光伏電池在0.05秒內就達到最大功率點即Boost模塊效果已達到。從圖中可以看出光伏電池最大功率輸出在5000W左右。

圖11 光伏電池輸出功率圖

從圖12中可看出蓄電池在2秒到3秒內在充電，3秒到3.5秒內在放電，3.5秒至4秒在充電，同時觀察負荷在這些時間端的變化見圖13，從圖中可看出，在2秒至2.5時負荷未投入光伏電池給蓄電池充電，蓄電池SOC上升可以看出在2秒至2.5時負荷未投入光伏電池給蓄電池充電，蓄電池SOC上升；2.5秒至3秒時負載1投入使用，光伏輸出用于供給負載，供給蓄電池充電的功率減小，SOC上升速度減緩；3秒至3.5秒時負載2也投入使用，本文所設置的負載單個為3000W，所以兩個一起投入時為6000W、大于上文所說光伏電池的最大輸出功率5000W，此時需要蓄電池加以供電，蓄電池SOC開始下降；3.5秒后負載退出，光伏輸出功率再次供給蓄電池，蓄電池的SOC上升速度與2秒至2.5秒相同。

圖12 蓄電池SOC圖

圖13 負載投入時間圖

圖14 電網、蓄電池投入時間圖

上述模擬情況是電網斷電時，光伏儲能系統對家庭負荷進行供電，為達此目的使得電網退出2秒。如圖14中所示在2秒至4時電網退出，蓄電池投入工作。

3 結語

本文設計了一種給家庭負荷供電的光伏儲能系統設計，實現了在電網無法滿足供電要求時光伏儲能系統滿足供電需求，并能實現“去峰填谷”功能，在光伏電池輸出功率有余時給蓄電池充電，在光伏電池輸出小于負荷時存儲電能得蓄電池能夠供電，幫助系統維持穩定。該系統在光伏電池工作良好的狀態下可以減少家庭電費支出，并且蓄電池的投入可以提高家庭用電的可靠性，運行結果滿足要求。仿真結果表明，該模型可滿足基本的家庭負荷供電使用，若有其他特殊要求，可在此基礎上增加其他器件以豐富功能，達到更高的要求，或者供其他情況使用。