基于新能源發展趨勢下的光伏儲能控制系統設計

南京國聯電力工程設計有限公司 胡智穎

1 引言

我國新能源產業在國家政策的扶持下，發展勢頭日益強勁，尤其在光伏發電方面，已初具規模。但是，在光伏發電系統中，由于其自身的不確定因素，會給電網帶來較大的干擾[1]。直接并網將產生較大的諧波污染，對電力系統產生不利影響。因此，對光伏發電功率的波動進行有效的控制是非常有必要的。根據新能源的發展趨勢，本文對光伏儲能控制系統設計方法進行了研究，與中小規模的分散式、離網式的光伏發電系統相比較，是一種新型的電力資源管理方式，在能源管理模式方面有較大發展，使其智能化水平得到了較大提升。

2 基于新能源發展趨勢下的光伏儲能控制系統結構設計

在光伏儲能控制系統中，其輸出功率的控制方式是最大功率跟蹤方式，而非功率調整方式。因此，在光伏儲能控制系統中，光伏發電既可以平衡發電的有功，又可以滿足本地電網負荷的局部無功需求。

2.1 全橋雙向變換器

基于新能源發展趨勢下的光伏儲能控制系統中，按其拓撲結構的不同，可以劃分為電壓式和電流式兩種。在一級電能變換環節，電流型轉換器的功率比電壓型轉換器要小，更適用于配電系統。為此，設計了一種全橋雙向變流器。

全橋雙向變流器主要承擔著兩路總線和電網或負荷之間能量的雙向傳遞，以及最大功率的追蹤[2]。在開關開啟的時候，電感器會把電能儲存起來。在關機狀態下，感應器所放出的電能與供電能量相疊加，從而實現了對電壓的提升。在最大功率追蹤階段，對各循環的實時功率進行了連續的計算，并與以前的循環進行了對比。根據這一點，持續地調節工作循環，直至達到最大功率。在最大功率追蹤時，將光伏電池板等效為一個電流源和一個電阻器并聯的模式，并用后級全橋電路實現了總電壓的穩定在400V 左右[3]。

DC/AC 交流逆變器采用PWM 全橋結構，各橋臂分別為N 型IGBT 和反向并聯二極管。通過交流側添加的平衡電壓，能夠起到濾波、支持無功、存儲平衡電感器的穩定工作。在光伏儲能系統中，全橋是對電網和匯流進行雙向控制的。在電網運行或光伏并網的情況下，將母線的電能傳輸至負載和并網。在這種情況下，全橋式結構就像一個逆變器，但是，在沒有光電輸入的情況下，電能由電網向母線方向輸送，再由BMS 線路給蓄電池充電，這種情況下，全橋雙向變流器起到整流電路的作用。

2.2 濾波器

由于采用SPWM 調制的全橋雙向轉換器，在接近切換頻率時會出現特性諧波。在PWM 調制過程中，需要加入LC 濾波，以濾掉接近切換頻率的高階諧波。在設計中，切換頻率是126次標稱。LC濾波器必須對諧波進行有效的控制，以確保基本頻率的增益[4]。LC 濾波器電感電容參數是由下列條件所限制的：一是盡量減少由電感造成的基波電壓損失；二是盡量減少電容中的基波電流；三是由電感、電容構成的串聯共振頻率，要盡可能地遠離逆變器的低階諧波和接近于切換頻率處的高階諧波。此外，由于LC 濾波器容易發生振動，因此可以采用一種小阻尼電阻器對其進行抑制。

2.3 蓄電池

用不同的控制器來控制太陽能和蓄電池的充電和放電，這些設備采用SPI 接口進行通訊，能夠有效地避免某些線路的破壞和干擾，從而提高系統的反應能力。在此系統中，前端采用了升壓結構，以達到最大功率追蹤和最大功率輸出。后期采用全橋線路，可實現脫網供電；電池充滿電時，可向電網傳輸電能，達到并網的目的；最后，在光照強度不足時，全橋可對電網進行整流，在電量不足時為蓄電池充電。蓄電池充電/放電電路一頭與蓄電池相連，而另一頭則與母線相連，蓄電池充電電路采用了移相全橋結構，使蓄電池的電壓降低到蓄電池的充電電壓，在蓄電池放電的時候，采用推挽型結構來提升電壓，給母線提供能量。

2.4 主控模塊

系統的主控電路采用了“瑞薩+DSP”的雙重控制模式，瑞薩微單片機負責對電池的充電和放電進行控制，DSP 芯片則對光伏儲能電池的最大功耗進行跟蹤，并對直流/交流轉換進行控制。主控模塊結構如圖1所示。

圖1 主控模塊結構

由圖1可知，系統的主要功能是對來自母線電壓、母線電流、負載電壓、負載電流等信息進行處理和收集。采樣電路采用精確的電阻分壓，并進行運算放大器放大，通過采集數據來決定電流工作方式，并對驅動信號進行控制。該主控電路除了對采集電路、驅動信號進行保護之外，還提供過溫、過電壓、過電流等保護功能。

3 基于新能源發展趨勢下的光伏儲能控制系統方案設計

3.1 光伏儲能工作模式選擇

光伏儲能控制系統的主要作用是采集變換主電路中的各重要環節的電壓、電流，并向DSP、瑞薩等信號進行反饋，實現對主控制回路的控制，達到相應的性能指標。對于光伏儲能工作模式選擇，首先對各個模塊進行了設計，包括前端最大功率控制模塊的設計、全橋并網算法的設計以及充放電的軟件設計。

在光伏儲能控制系統中，運行方式的調整與轉換是整個系統的核心問題。光伏儲能控制系統的工作模式主要取決于外部連接器的不同，可分為兩個步驟：第一個步驟是判斷控制中心有沒有探測到電網。在發現有電網接入的情況下，系統將進入并網運行狀態，反之則處于脫網運行狀態；第二個步驟是根據光伏輸入、電池和電網負荷的不同，選取工作模式。

3.2 基于新能源發展趨勢下的光伏儲能控制策略

在正常運行時，由于光伏發電受有功、電流等因素的影響，使電網中的負載節點電壓出現了一定的波動，這與電力系統的運行要求不一致。另外，在電網出現暫態接地或投切時，會引起短期電壓的驟降，從而影響到使用者的工作與生活，這兩種情況都要求對負荷節點的電壓波動和電壓降低進行改善。

3.2.1 外環控制

為了適應本地負載的要求，必須利用光伏儲能裝置的輸出功率，以平衡光伏發電系統的波動和局部負載之間的差異。在光伏儲能控制過程中，由于電力系統的功率因素控制，局部負荷也存在著一定的隨機性和波動。無論在何種條件下，只要發電設備的有功、無功均能達到電力均衡，那么所輸出的電力就可以滿足負荷要求，使系統的電力始終處于均衡狀態，并使節點電壓不變。

3.2.2 內環控制

為了適應電力系統的局部負載需求，需要采用光伏儲能控制電池的輸出功率，以達到平衡系統動態變化的目的。根據變流器的具體工作模式，產生了開關器件的脈沖信號，使變流器的交流側電流幅值和跟蹤目標值，達到內環控制的要求，即在象限內達到調節有功和無功功率的目的。內環控制策略如圖2所示。

圖2 內環控制策略

由圖2可知，光伏儲能控制系統的主要特點是：一是通過外環輸入的有功功率、無功功率，通過超導線圈交流側的電壓幅度、電流值，求出調制交流側的相位角；二是通過變頻電源的AC 端電壓相位，生成正弦調制波形和觸發型信號；三是通過正弦調制和三角波載波信號，生成已調制的脈沖，該調制脈沖信號是從觸發模式信號中確定的。

3.2.3 輸出控制

綜合考慮系統的控制誤差，提出了一種以功率命令為基礎的輸出控制方法。利用常規的升壓電路對光伏控制器進行功率控制，利用微機的電壓與電流偵測光電組件，采用電壓干擾來決定最佳的方向，并確定基準電壓，由此控制最大的光伏儲能控制系統所能消耗的最大電量。當蓄能電池接近滿負荷且光伏發電功率超過負載要求時，對其輸入進行限制，發現在光伏輸出特性曲線上的指令來確定電壓區間。然后，減小步長縮小區間范圍，在有限的反復迭代后，當步長低于一定的閾值時，就可以確定功率點的位置。

通過各個光電單元輸出級的協同工作，可以實現以下幾個方面的功能：一是確保母線電壓在某一特定的范圍內，達到負荷要求；二是實現組串間的下垂控制；三是按照指令，實現串聯各PBU 間的出力控制；四是利用載波偏移來降低電感紋波。

并聯組串下垂控制。在光伏儲能控制系統中，為了達到對系統輸出功率的控制，必須采取相應的控制策略。在此基礎上，本文提出一種并聯組串的下垂控制方法，引入了串聯輸出指數的概念，并給出了一種具有可控功率分布的下垂控制方案。當負荷增大時，母線的電壓會發生下降，并與虛阻抗呈線性關系。因此，要保證系統的壓降不超出容許范圍，就必須滿足變流器的最大輸出功率、輸出端電壓下降不超出其容許極限時的虛阻抗選擇。

組串各個單元的功率控制。光伏儲能控制器通過調整各PBU 的工作循環，實現對各PBU 的串行輸出功率的分配。蓄電池的電壓波動較小，與頻率控制時的電壓基本相同。通過對各信道的工作循環進行控制，可以實現脈沖寬度的調制。在上位機調度系統中，根據各個串口的總能量均衡，產生各個串口的輸出指令，而在電池組中，各個PBU 的輸出指令則是針對電池組的能量均衡而產生的。

該系統根據輸出電流生成相關指令，調整串行的輸出電壓，從而達到組串間功率的分配。采用雙閉環實現組串的電壓控制，將電壓外環與實際值相比較，調整串電壓指令值，從而獲得目前的出力指令。經PI調整，將其與實測值進行對比，得出了調制電壓。通過對各個分配單元輸出命令的調整，計算出各個信道的工作時間，從而實現對各個分配單元的輸出控制。

4 結語

根據新能源發展的需要，本文提出了一種光伏儲能控制系統，該系統具有模塊式組合、模塊化控制的特點，能夠在任意光照情況下最大限度地發揮其優勢，并對其工作原理及控制策略進行了分析。針對光伏儲能控制系統的工作特點及輸出特點，建立了光伏儲能控制系統的硬件結構，并對其相應的控制方式進行了詳細研究。該系統具有較高的充放電效率和較快的響應速度，有效地解決了由于外界因素、不能調整、不能滿足負載要求等問題。同時，光伏儲能控制系統能夠有效地降低母線的電壓波動，使其在多種干擾條件下能夠正常工作。