分布式光伏系統中基于儲能的直流母線電壓控制方案

李清然

(國網冀北廊坊供電公司,河北 廊坊065000)

光伏發電作為一種潛力巨大的可再生能源，分布廣，無污染，取之不盡，具有廣闊的應用前景。但同時光伏出力受光照、溫度等環境條件影響較大，系統穩定性差成為制約其發展的技術瓶頸[1]。通過合理配置儲能裝置可以平抑波動功率，穩定母線電壓，保證負載供電的可靠性和電能質量，儲能系統的設計與控制成為研究熱點[2-3]。

本文選擇蓄電池和超級電容器為儲能載體，設計混合儲能系統，旨在實現光伏出力波動與負載隨機變化等情境下，實現源荷互動，保證直流母線電壓穩定。

1 混合儲能系統設計

結合蓄電池與超級電容器的儲能性能，設計了如圖1所示的混合儲能系統結構。

圖1 儲能系統結構圖

超級電容器通過雙向DC/DC（1）變換器接到直流母線上，蓄電池通過雙向DC/DC（2）與超級電容器并聯。當母線電壓波動時，雙向DC/DC（1）控制超級電容器迅速充放電，可以快速調節和穩定母線電壓。雙向DC/DC（2）控制蓄電池精確充放電，在適當的控制策略下可以優化蓄電池充放電，延長使用蓄電池的壽命。

在儲能元件選擇上，超級電容和蓄電池都不必與直流母線保持嚴格匹配，元件選擇相對靈活，減少了超級電容和蓄電池的配置容量，提高儲能系統的經濟性。并且超級電容器和蓄電池之間沒有耦合關系，控制相對簡單獨立。

2 電壓控制方案設計

2.1 超級電容器控制

根據能量傳遞方向的不同，雙向DC/DC（1）變換器可以根據需要在BOOST/BUCK兩種狀態中無縫切換，控制目標為高壓側即直流母線電壓的恒定。

根據超級電容器的充放電特點，超級電容器選擇采用電壓外環電流內環的雙向雙環控制模式。電壓外環用于控制高壓側輸出電壓的穩定，電流內環參考值經由電壓外環控制得到。由雙向變換器的建模[6]分析可得，電壓傳遞函數呈現最小相位特性，為了改善系統的穩態性能，采用PI控制器補償，系統控制圖如圖2所示。

圖2中K1、K2為反饋系數，Z為負載等效阻抗，是母線電壓的設定參考值，為電流內環參考值。

圖2 超級電容器雙環控制

2.2 蓄電池控制

根據能量傳遞方向的不同，雙向DC/DC2變換器可以根據需要在BOOST/BUCK兩種工作狀態無縫切換，控制目標為電感電流恒定。

根據蓄電池的充放電特點，蓄電池選擇采用恒流充放電控制，可以避免蓄電池過電流和小電流及頻繁充放電。采用加入PI控制器的閉環控制，改善系統的穩態性能，系統控制圖如圖3所示。

圖3 蓄電池恒流充放電控制

圖3中，K3為反饋系數，IL*為充放電電流的設定參考值。

2.3 儲能元件協調控制

根據超級電容器和蓄電池的儲能特性，制定協調控制策略，實現雙方優勢互補。超級電容器功率密度大、循環壽命長，所以優先充放電，可以平抑短時大功率的尖峰波動和頻繁往復性的功率波動，避免蓄電池頻繁充放電和小電流或者過電流充放電，延長蓄電池使用壽命。能量密度大的蓄電池則用于提供長時間的功率支持，使超級電容器端電壓維持在一定范圍內，確保超級電容器可以隨時響應調控母線電壓的能量需求。

設定超級電容器允許電壓波動的上下限分別為Uup、Udown，當電壓波動小于設定值時，僅由超級電容器充放電，穩定直流母線電壓。當超級電容器的電壓波動大于設定值時，蓄電池開始充放電，補償功率缺額或吸收剩余功率。直到超級電容器電壓恢復額定值時，蓄電池停止充放電。

綜上分析可得混合儲能系統4種工作模式。

工作模式一：光伏輸出功率高于負載吸收的功率，即功率過剩時，雙向DC/DC（1）工作在BUCK模式，超級電容器充電，雙向DC/DC（1）保證直流母線電壓穩定。當超級電容器端電壓達到電壓上限Uup，系統自動轉入工作模式二。

工作模式二：功率過剩，超級電容端電壓達到上限Uup，雙向DC/DC（1）和雙向DC/DC（2）均工作在BUCK模式，雙向DC/DC（2）保證蓄電池恒流充電，并防止超級電容器端電壓繼續上升，雙向DC/DC（1）保證直流母線電壓穩定。當超級電容器端電壓恢復為額定值時，蓄電池退出工作。

工作模式三：光伏輸出功率低于負載吸收功率，即功率不足時，雙向DC/DC（1）工作在BOOST模式，超級電容器放電，雙向DC/DC（1）保證直流母線電壓穩定。當超級電容器端電壓達到電壓下線Udown，系統自動轉入工作模式四。

工作模式四：功率不足，超級電容器端電壓達到下限Udown，雙向DC/DC（1）和雙向DCDC（2）均工作在BOOST模式，雙向DC/DC（2）保證蓄電池恒流放電，并防止超級電容器端電壓繼續下跌，雙向DCDC（1）保證直流母線電壓穩定。當超級電容器端電壓恢復為額定值時，蓄電池退出工作。

混合儲能系統可以根據所處的狀態自動選擇相應工作模式，并且根據系統狀態動態變化實時自動調整所選擇的工作模式。

3 系統仿真驗證

3.1 模型搭建

為了驗證儲能系統和控制策略的有效性，在MATLAB/SIMULINK環境下搭建仿真電路進行系統仿真。系統仿真電路如圖4所示。

圖4 系統仿真電路

其中，PV array為光伏陣列，Variable Load為可變負載，EDLC為超級電容器，DCVoltage source為蓄電池，雙向DC/DC（1）采用互補PWM控制[7]，S1/S2 Controller為雙向DC/DC（1）變換器的控制信號。雙向DC/DC（2）采用獨立PWM控制，S3 Controller和S4 Controller分別為雙向DC/DC（2）工作在BOOST/BUCK狀態的控制信號。

3.2 仿真驗證

設定仿真時間為3 s，采用變步長仿真，算法選用ode 23 t。本文對光照強度變化和負載變化兩種情況分別進行了仿真。

3.2.1 光伏輸出功率變化情況

此次仿真中設定負載為30 Ω即負載所需額定功率為3000 W。設定光照強度變化如圖5所示，光照強度百分值在60%～100%之間變化。光照強度60%模擬實際中光照較弱的情況，光照強度100%模擬實際中光照較強的情況。檢查各元件的動作情況及穩壓效果，驗證儲能系統及其控制策略有效性。

圖5 光照強度百分值變化

光伏陣列輸出功率如圖6所示，當光照強度變化時，光伏陣列的輸出功率變化會存在極短的暫態過程后迅速達到新的穩態。這是由于本文仿真中光照強度的變化采取的是突變形式，ms級的極短暫態過程是可以接受的。

圖6 光伏陣列輸出功率變化

當光照強度變化導致光伏陣列的輸出功率發生波動時，超級電容器和蓄電池的動作情況如圖7、圖8、圖9所示。圖7為超級電容器的充放電電流，圖8為超級電容器端電壓，圖9為蓄電池充放電電流。其中圖7和圖9中儲能器件放電電流為正，充電電流為負。

圖7 超級電容器的充放電電流

圖8 超級電容器的端電壓

圖9 蓄電池的充放電電流

在0～0.5 s時間內，光伏陣列輸出功率發生短時頻繁波動，超級電容器進行相應的充放電動作，以穩定直流母線電壓。0～0.1 s光伏陣列輸出功率高于負載功率，系統功率過剩，超級電容器充電，端電壓略有上升。0.1～0.2 s光伏陣列的輸出功率低于負載額定功率，系統存在功率缺額，超級電容器放電，端電壓下降。0.2～0.3 s系統功率過剩，超級電容器充電，端電壓回升，0.3～0.5 s重復上述過程。

在0～0.5 s過程中蓄電池沒有動作。表明當系統發生頻繁瞬時功率波動時，超級電容器充放電平抑系統中的不平衡功率，維持直流母線電壓的穩定，避免了蓄電池頻繁的小電流充放電，有效延長了蓄電池的使用壽命。

0.5～0.7 s光伏陣列的輸出功率略高于負載功率，超級電容器充電，端電壓略有上升。0.7～1.7 s光伏陣列的輸出功率約為2300 W，負載功率為3000 W，存在較大功率缺額，超級電容器放電補償功率缺額穩定直流母線電壓，隨著超級電容器放電不斷進行，其端電壓不斷下降，當超級電容器的端電壓達到放電的最低電壓Udown時，蓄電池啟動，開始恒流放電過程。由于蓄電池釋放的功率大于系統的功率缺額，所以超級電容器的端電壓開始回升。在1.7 s時刻，光伏陣列的輸出功率突變，系統輸出功率為3900 W，負載功率為3000 W，系統功率過剩，超級電容器瞬時動作在1.7 s時刻由放電狀態轉變為充電狀態，吸收系統過剩的功率，端電壓繼續上升。蓄電池繼續放電直至超級電容器的端電壓達到額定值時，蓄電池放電終止，退出運行。隨著超級電容器充電的不斷進行，其端電壓不斷上升，當超級電容器的端電壓達到充電的最高電壓Uup時，蓄電池啟動，開始恒流充電過程。由于蓄電池的充電功率大于系統的過剩功率，超級電容器的端電壓開始下降。在2.7 s時刻，光伏陣列的輸出功率再次突變為2700 W，負載功率3000 W，系統處于功率缺額狀態，超級電容器在2.7 s時刻瞬時動作由充電狀態轉入放電狀態。蓄電池繼續充電，直至超級電容器的端電壓恢復為額定值，超級電容器充電終止，退出運行。

0.5～3 s時間內，各元件的動作情況可以看到，超級電容器充放電優先，當超級電容器達到電壓的上下限不能滿足功率平抑的需求后，蓄電池啟動。此時超級電容器充當了蓄電池充放電的功率緩沖器的作用。超級電容器的端電壓水平是蓄電池充放電的啟動和退出的判斷依據。

圖10為無儲能系統時直流母線電壓，圖11為有儲能系統時直流母線電壓，比較二者可以看到無儲能系統時母線電壓隨光照強度的變化發生大幅波動，加入儲能系統后母線電壓基本穩定于額定值，電壓紋波為1.6%，符合電能質量的要求，從而驗證了所提儲能系統及電壓控制策略的有效性。

圖10 無儲能系統時直流母線電壓

圖11 有儲能系統時直流母線電壓

3.2.2 負載擾動情況

此次仿真中設定光照強度為85%保持不變，負載發生擾動，設定負載擾動情況為0～0.8 s負載為30 Ω，0.8～1.6 s負載為38 Ω，1.6～2.4 s負載為22 Ω，2.4～3 s負載為30 Ω。負載變化率為26.7%。觀察各元件動作情況及穩壓效果，驗證所提結構和控制策略的有效性。

從圖12、圖13可見，當光照強度維持85%時，光伏陣列的輸出功率基本穩定在3300 W。

圖12 光照強度百分值

圖13 光伏陣列輸出功率

負載擾動情況下各元件的動作情況如圖14、圖15、圖16所示。圖14為超級電容器充放電電流，圖15為超級電容器端電壓，圖16為蓄電池充放電電流。圖14和圖16中儲能器件放電電流為正，充電電流為負。

圖14 超級電容器充放電電流

圖15 超級電容器端電壓

圖16 蓄電池充放電電流

在0～0.8 s由于光伏陣列輸出功率高于負載功率，系統功率過剩，超級電容器工作在充電狀態，端電壓上升。此過程中超級電容器端電壓未達到上限，蓄電池不動作。0.8 s時刻負載突減，0.8～1.6 s系統功率過剩，超級電容器繼續充電。當超級電容器端電壓達到充電電壓的最高值時，蓄電池啟動開始恒流充電過程，由于蓄電池吸收的功率大于系統功率缺額，所以超級電容器端電壓回落。1.6 s時刻負載突增，超級電容器瞬時動作開始放電，補償功率缺額，端電壓繼續下降。在此過程中蓄電池繼續恒流充電直至超級電容器端電壓回落到額定值時，蓄電池充電終止，退出運行。超級電容器放電過程中端電壓不斷降低，當其端電壓達到放電最低電壓時，蓄電池啟動，開始恒流放電過程。由于蓄電池釋放的功率大于系統功率缺額，超級電容器的端電壓開始回升，2.4 s時刻負載再次突減，系統功率過剩，超級電容器開始充電吸收過剩功率，端電壓繼續回升。當超級電容器的端電壓恢復為額定值時，蓄電池放電終止，退出運行。

負載擾動情況下無儲能系統時直流母線電壓如圖17所示，有儲能系統時直流母線電壓如圖18所示，對比二者可見負載發生擾動時無儲能系統情況下直流母線電壓發生大幅波動，有儲能系統后直流母線電壓基本穩定在額定值，電壓紋波為1.4%，滿足電能質量的要求，從而驗證了所提儲能系統及其控制策略的有效性。

圖17 無儲能系統時直流母線電壓

圖18 有儲能系統時直流母線電壓

4 結束語

本文針對光伏發電系統中基于儲能的直流母線電壓控制問題重點進行了分析和研究。首先結合超級電容器和蓄電池的儲能特點，設計了蓄電池與超級電容器混合儲能系統結構，然后分別設計了蓄電池與超級電容器的控制策略及二者在4種不同場景下的協調控制策略。最后，搭建了系統仿真模型并在光照強度變化和負載波動兩種情況下仿真驗證了所提儲能系統及其控制策略的有效性。