芻議電壓基準(zhǔn)變步長直流解耦光伏發(fā)電與儲能技術(shù)

馬廣平

（廣東陽江港港務(wù)股份有限公司，廣東 陽江 529500）

關(guān)于清潔能源發(fā)展需求與日俱增，其中光伏發(fā)電的發(fā)展比較突出。目前，光伏發(fā)電主要分為大型并網(wǎng)光伏發(fā)電、屋頂家居使用的光伏陣列式分布式光伏發(fā)電和離網(wǎng)獨(dú)立光伏發(fā)電，其中離網(wǎng)獨(dú)立光伏發(fā)電構(gòu)成的系統(tǒng)廣泛用于工礦企業(yè)等耗能大型場所，并多以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)等動(dòng)力裝置為耗電終端。但是，目前該類光伏發(fā)電算法上有問題，導(dǎo)致輸出最大功率不穩(wěn)和能量浪費(fèi)等情況，本文以光伏發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，重點(diǎn)研究最大功率點(diǎn)跟蹤、變換器解耦控制方法、光伏發(fā)儲能技術(shù)與動(dòng)力裝置饋能結(jié)合的應(yīng)用，旨在促進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和能源利用率的提高。

1 電壓基準(zhǔn)右側(cè)變步長電導(dǎo)增量法

1.1 光伏發(fā)電的輸出特點(diǎn)

光伏發(fā)電系統(tǒng)中主要以多個(gè)串并聯(lián)的光伏電池光生伏特效應(yīng)轉(zhuǎn)換光能為電能，其電壓與電流、功率的特性都有關(guān)系。在每個(gè)光照強(qiáng)度下，都存在一個(gè)最大功率值。該值與光照的強(qiáng)度變化緊密相關(guān)，需要根據(jù)光照的變化隨時(shí)改變系統(tǒng)的電壓，以保持輸出功率保持最大功率值水平，所以就需要對最大功率點(diǎn)的跟蹤進(jìn)行精確調(diào)整控制。

1.2 光伏發(fā)電的MPPT控制1.2.1 光伏發(fā)電的MPPT控制

目前，國內(nèi)外普遍使用的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制方法，來實(shí)現(xiàn)光伏電池輸出功率最大值的保持。按照直流電路最大功率傳輸定量，通過改變可變負(fù)載的的電阻，使其大小始終等于光伏電池的電阻值，即可實(shí)現(xiàn)最大功率的持續(xù)輸出。由于在持續(xù)工作時(shí)間內(nèi)，負(fù)載是不變的，要想隨時(shí)改變難度較大，所以在負(fù)載和光伏電池之間增加DC/DC變化器，通過改變變化器中占空比來改變負(fù)載和電壓值，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)整系統(tǒng)持續(xù)保持最大輸出功率的目的。

1.2.2 電壓基準(zhǔn)變步長電導(dǎo)增量法

由圖1看出，光伏發(fā)電電池的功率電壓曲線上只有唯一的最大功率極值點(diǎn)，其dP/dU值為0，由P=IV兩邊對V求導(dǎo)可得出公式1，并由此得出位于最大功率點(diǎn)的左邊和右邊判定方法（公式2）。

由公式2的相等和不等情況，來判斷最大功率極值點(diǎn)的位置關(guān)系。這是依靠功率電壓微分來改變步長的傳統(tǒng)變步長算法。以盡可能更精細(xì)的補(bǔ)償調(diào)整系數(shù)及跟蹤步長為原則，在最大功率點(diǎn)左側(cè)實(shí)施以電流為基準(zhǔn)的步長算法，而在最大功率點(diǎn)右側(cè)，采用以電壓為基準(zhǔn)的步長調(diào)整系數(shù)，由此就構(gòu)成了雙重步長調(diào)整方法，如公式（3）所示。

此類方法可以使得在最大功率極值點(diǎn)右側(cè)時(shí)，跟蹤步長盡量接近最小值，能夠使得最大功率極值點(diǎn)附近的振蕩幅度降低，從而提高跟蹤穩(wěn)定和輸出功率的穩(wěn)定。

2 三端口全橋DC/DC變換器直流解耦控制

在三端口全橋DC/DC變換器直流解耦控制時(shí)，需要減小直流端口功率的振蕩以求穩(wěn)定功率的傳送，可以采取串并聯(lián)諧振結(jié)合構(gòu)建的復(fù)合型諧振系統(tǒng)，保障直流解耦控制的同時(shí)，進(jìn)一步穩(wěn)定功率的輸送。該系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 三端口全橋DC/DC變換器直流解耦控制拓?fù)涫疽鈭D

圖中三個(gè)端口均為橋式結(jié)構(gòu)，通常端口1、2接光伏電源和儲能設(shè)備，端口3連接負(fù)載裝置。端口1有電感和電容構(gòu)建的并聯(lián)諧振子系統(tǒng)，及電感接入的串聯(lián)諧振子系統(tǒng)，由此構(gòu)成了復(fù)合諧振的母系統(tǒng)。開關(guān)管的存在能夠?qū)崿F(xiàn)端口2的電流雙向流動(dòng)，從而能夠完成電池的儲存和輸出電流。以端口1的正半周期來研究振蕩減小的過程。在各端口電壓正負(fù)不同時(shí)，電感L1和L3處于正向充電狀態(tài)，電感L2處于反向充電狀態(tài)，電感L4和電容C4并聯(lián)諧振線路發(fā)揮容性特點(diǎn)，雖然此時(shí)復(fù)合諧振系統(tǒng)沒發(fā)揮諧振作用，但是其并聯(lián)線路是由電感和電容構(gòu)建而成，能夠減小功率傳送振蕩的劇烈程度，從而實(shí)現(xiàn)功率穩(wěn)定的作用。而當(dāng)各端口電壓正負(fù)相同時(shí)，電感L4和電容C4并聯(lián)諧振線路和電感L1串聯(lián)后，實(shí)現(xiàn)復(fù)合諧振系統(tǒng)發(fā)揮諧振作用，其并聯(lián)諧振線路的電容使得電感L1的電流提前與并聯(lián)諧振線路π/2，結(jié)合并聯(lián)諧振線路降低功率的振蕩作用，完成功率的穩(wěn)定輸出，在有效協(xié)調(diào)端口之間的功率交叉?zhèn)魉完P(guān)系的同時(shí)，順利實(shí)現(xiàn)全橋三端口DC/DC變換器直流解耦控制。

3 光伏發(fā)儲能技術(shù)和動(dòng)力裝置饋能結(jié)合研究

3.1 SVPWM三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制技術(shù)

動(dòng)力裝置以三相異步電動(dòng)機(jī)為研究對象，調(diào)整轉(zhuǎn)速以適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用的需要，采用變頻調(diào)速的控制方法，其中空間電壓適量脈寬調(diào)制（簡稱SVPWM）因其電壓利用率高、響應(yīng)靈敏、算法簡易等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用。

圖2 三相逆變線路驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖（M為動(dòng)力裝置電動(dòng)機(jī)）

圖2是經(jīng)過簡化的電壓型三相逆變電路拓?fù)渚€路示意圖，通過控制六個(gè)開關(guān)的前后順序、導(dǎo)通時(shí)間點(diǎn)和相互組合類型，就可以實(shí)現(xiàn)空間電壓矢量的環(huán)形軌跡，完成三相交流電的輸出，并且此類輸出的諧波量級小、電壓利用率高。設(shè)定電壓型三相逆變電路三個(gè)橋臂的開關(guān)形式以0（關(guān)）和1（開）體現(xiàn)，能構(gòu)成8個(gè)開關(guān)組合，即8個(gè)空間電壓矢量，除了000和111兩類組合為零矢量幅值以外，另6個(gè)組合可以形成空間電壓矢量的六邊形扇區(qū)關(guān)系。故其任何電壓矢量都可以由比鄰的矢量構(gòu)成。此時(shí)，再引入占空比值，最終可得出對應(yīng)的脈沖寬度，從而實(shí)施對逆變線路的調(diào)節(jié)和輸出電壓的控制，最終實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有效調(diào)整。

3.2 光伏發(fā)儲能技術(shù)回收動(dòng)力裝置饋能過程模擬

對于動(dòng)力裝置（本文設(shè)定為三相異步電動(dòng)機(jī)）饋能的回收，通過三相逆變線路經(jīng)過DC/DC變換器的端口3H橋完成電能的逆向轉(zhuǎn)換，在經(jīng)過高頻變壓器的電壓變換和儲能電池方向端口2的變換，完成直流電儲能到電池中的過程，

本文運(yùn)用MATLAB/Simulink軟件，構(gòu)建光伏發(fā)儲技術(shù)應(yīng)用模型，參數(shù)采用以下數(shù)據(jù)：電感L1220μH、L2和L3為120μH、L415μH，電 容C1、C2和C3為800μF、C4為50μF，電壓U1、U2和U3均為23V，開關(guān)頻率fS值為10kHz。按照開環(huán)調(diào)節(jié)模式，實(shí)施仿真模擬，結(jié)果得出時(shí)間在0.003s左右時(shí)，端口1的功率達(dá)到峰值并保持在30W左右，端口2的功率保持在20W左右，而端口3的功率則保持在-45W左右，前兩者功率為正、端口3功率為負(fù)。

然后，再對動(dòng)力裝置饋能的過程實(shí)施仿真，設(shè)定端口1能夠30W的功率，端口3連接直流電源，模擬饋能經(jīng)過三相逆變電路到端口3，通過調(diào)整端口移相角，來調(diào)節(jié)端口之間能留流動(dòng)的方向，由仿真結(jié)果得出三個(gè)端口的正負(fù)狀態(tài)在改變端口間移相角后，端口2和端口3的功率正負(fù)也發(fā)生了反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了端口3和端口1在動(dòng)力裝置饋能時(shí)為端口2進(jìn)行反向充電的功能，實(shí)現(xiàn)了能量的有效利用。

4 結(jié)語

光伏發(fā)電的發(fā)展對其穩(wěn)定性提出了更高的要求，通過改良后的電壓基準(zhǔn)變步長電導(dǎo)增量法，能夠滿足功率與右側(cè)跟蹤步長精準(zhǔn)契合匹配，同時(shí)，采用電容與電感串并聯(lián)構(gòu)建的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)，實(shí)施三端口全橋DC/DC變換器直流解耦調(diào)節(jié)模式，以及有效吸收動(dòng)力裝置的饋能，能夠?qū)崿F(xiàn)光伏發(fā)電穩(wěn)定性、能源利用率的大幅度提高。