光伏系統中蓄電池充放電技術的建模仿真

周子焱，王娟娟

（大連交通大學 自動化與電氣工程學院，大連 116021）

伴隨傳統能源的短缺，新能源成為一種新的趨勢，其中光伏發電逐漸成為了一種合理利用太陽能的重要方式[1-2]。但由于太陽能的隨機間斷性，光伏系統要實現能量供需平衡[3]，需要采用必要的儲能設備[4-5]。蓄電池作為一種具有較高效率的能源轉換裝置，常常被用來做光伏系統儲能設備[6]。從蓄電池的角度看，溫度、過充電、過放電、長期處于低荷電狀態SOC 等，都對其使用壽命以及能源利用率有影響[7-8]。因此為減少不必要的損傷，需要采取合適的充放電方式。

文獻[9]為充分利用光能，提出了一種通過電流調節，來對蓄電池充電過程進行管控的策略；文獻[10]提出了將MPPT 與階段式充電相結合，通過改進MPPT 算法來管控蓄電池充電過程的策略，在充分利用太陽能的同時考慮對蓄電池的保護。雖然文獻[9-10]都考慮了光伏電池最大功率的問題，但都未通過光伏電池MPPT 結合蓄電池控制的方式，來對系統穩定性進行測試。

針對上述存在的問題，本文在基于MPPT 的蓄電池模型的基礎上，通過滑模控制最大功率追蹤配合雙閉環控制，在簡單結構模型下，保證整個系統的功率穩定；通過實時檢測蓄電池系統電壓情況，保護蓄電池的使用壽命，避免過充和過放情況的發生。

1 光伏系統結構

光伏電池組件、蓄電池、功率變換器、控制器是獨立光伏系統的主要組成部分，如圖1所示。

圖1 分布式光伏系統組成Fig.1 Distributed photovoltaic system composition

光伏發電系統通過公共連接點并聯儲能系統的升壓斬波電路，共同作用于逆變側直流端，從而實現直流端輸出電壓的穩定。

基于儲能的光伏發電系統主要工作原理為：光伏列陣可以通過進行最大功率跟蹤算法來實現最大功率輸出，通過DC/DC 升壓斬波以及DC/AC 逆變來實現光伏發電系統的功率輸出；儲能系統經過DC/DC 雙向斬波電路與DC/AC 逆變器公共連接點與光伏發電系統并聯。有效控制蓄電池進行充電放電，與光伏陣列協調工作，使得系統負載可以穩定運行。

2 光伏發電系統

2.1 光伏電池數學模型

光伏電池將太陽能轉為電能，是通過用P-N 結的伏特效應來實現的。

關于輸出電流I 與輸出電壓V 之間的數學關系式[11]為

式中：Iph為光生電流；I0為飽和電流；n 為理想因子；k 為波爾茲曼常數，取值為1.38×10-23J/K；q 為電子電荷量，取值為1.6×10-19C；θ 為電池溫度。

當光伏電池短路時，短路電流Isc=Iph。而當其處于開路時，令b=q/（nkθ），式（1）變為

式中：Voc為開路電壓。

在最大功率點時，I=Im，V=Vm，由式（1）得：

式中：Im為最大功率電流；V=Vm為最大功率電壓。

因此在參數Isc，Im，Voc，Vm和b 都在標準情況下（S=1000 W/m2，θ=25 ℃）均為常數時，數學模型為

2.2 滑塊模型控制器設計

光伏電池的輸出功率為

式中：Ppv為實際輸出功率；Upv為實際輸出電壓；Ipv為實際輸出電流。

根據光伏電池的輸出特性可知，在最大功率點時：

將式（5）代入式（6）中得：

因此，令：

由于滑模控制對系統的干擾參數變化具有完全的適應性，所以當系統進入滑模狀態運動時，考慮不變性條件：

選取狀態量：

代入：

得：

結合上述公式，可得滑模控制器控制率為

式中：ueq為滑模的動態部分；un為基于可達性條件的非線性部分；D 為Boost 變換電路的穩態占空比；sgn（S）為符號函數，確保當kssgn（S）<0，能夠保證系統符合可達性條件[12]。

綜上所述，控制率為

3 蓄電池系統

本文通過雙向半橋DC/DC 變換器來控制蓄電池的充放電。具有傳遞能量作用的雙向DC/DC 變流器可以實現電能的雙向流動。通過電子開關的切換工作，可以對電流流動方向進行有效控制，而且，通過連接逆變器和DC/DC 變流器，儲能設備可以大幅降低電壓，充放電動作的靈活性更高，裝置容量的利用率更高，系統的運行成本減少，儲能裝置具有較高的經濟性。雙向DC/DC 變換器的電路如圖2所示。蓄電池與雙向半橋DC/DC 變換器的連接仿真模型如圖3所示。

圖2 雙向變換器的電路Fig.2 Circuit diagram of two-way converter

圖3 蓄電池與雙向半橋DC/DC 變換器鏈接仿真模型Fig.3 Simulation model of battery and bidirectional half-bridge DC/DC converter link

4 充放電控制的建模仿真

通過仿真來模擬蓄電池的充放電過程，蓄電池進行放電處理時，其輸出電流流向負載；而當其進行充電處理時，其電流從負載流向蓄電池。也就是說，負載要具備負載特性用來消耗蓄電池的電能，同時還具備電源特性用來給蓄電池充電。為了實現這個功能，本文采用受控電壓源和電阻進行串聯，且使用受控電流源的輸入值的正負代表充電和放電電源，充放電控制如圖4所示。

圖4 充放電控制框圖Fig.4 Control block diagram of charge and discharge

根據充放電的控制圖，該控制策略采用電壓環和電流環控制的雙閉環控制，且電流環和電壓環均采用PI 調節器。對于電壓環控制而言，其主要作用就是讓實際電壓實時跟蹤參考電壓，即使受到外界擾動；電流環的作用就是讓實際電流實時跟蹤參考電流值，提高系統的動態響應速度。雙閉環控制的仿真模型如圖5所示，并考慮了系統過充和過放的能力，當蓄電池的SOC 值大于0.95 或者小于0.2 時，此時變換器會停止工作，控制算法會阻斷PWM 脈沖。綜合起來系統的整個仿真模型如圖6所示。

圖5 雙閉環控制的仿真模型Fig.5 Simulation model of double closed loop control

圖6 整體系統仿真模型Fig.6 Overall system simulation model

5 仿真結果分析

根據前文介紹的整個系統的建模過程，為了驗證所提控制策略的可行性和有效性，仿真中PI 調節器的參數分別設置為：電壓環PI 調節器的參數為Kp=0.3，Ki=15；電流環PI 調節器的參數為Kp=1，Ki=30。通過使用受控電壓來進行模擬設置，來模擬蓄電池的充電放電控制過程。t=0.4 s 到t=1.2 s 時負載特性為消耗蓄電池電能，t=1.2 s 轉換為給蓄電池進行充電。

直流母線電壓的變化曲線如圖7所示。可以看到，即使負載發生變化，也能夠快速恢復到實際值，直流母線基本上保持400 V 不變。

圖7 直流母線電壓變化曲線Fig.7 Change curve of DC bus voltage

蓄電池電流的變化曲線如圖8所示，當電流大于0 時表示蓄電池放電；而當蓄電池小于0 時表示給蓄電池充電。可以看到，采用雙閉環控制時，系統能夠根據外界的變化迅速做出反應。

圖8 蓄電池電流變化曲線Fig.8 Change curve of battery current

蓄電池兩端的端電壓的變化曲線如圖9所示。當蓄電池端電壓減小時，此時蓄電池表示進行放電過程；相反，當端電壓逐步增加時，此時蓄電池進行充電過程。仿真結果符合理論分析，證明了仿真結果的正確性。

圖9 蓄電池端電壓變化曲線Fig.9 Change curve of battery terminal voltage

6 結語

本文針對光伏發電系統的特點，基于滑模控制的最大功率跟蹤點，配合雙閉環控制的策略，在Matlab/Simulink 軟件中進行仿真模型試驗。根據理論分析以及仿真結果可以看出，系統充放電模型策略合理，采用雙閉環控制時，即使負載發生變化，系統能夠根據外界的變化迅速做出反應，減少了蓄電池損壞的可能性，保證了直流母線電壓的穩定，有利于整個系統安全穩定的運行。