太陽能光伏/市電聯(lián)合供電系統(tǒng)

王 偉 吳 犇 金 科 阮新波,3

（1.南京航空航天大學(xué)航空電源重點實驗室 南京 210016 2.江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 鎮(zhèn)江 212013 3.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 武漢 430074）

1 引言

隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的化石能源作為不可再生能源正日益枯竭，它所造成的環(huán)境污染也日益嚴重。為了解決以上問題，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須尋找到理想的替代能源。可再生能源資源無限，分布廣泛，可循環(huán)利用，不污染環(huán)境等眾多優(yōu)點受到越來越廣泛的關(guān)注，是目前大量應(yīng)用的化石能源的理想替代能源，具有廣闊的發(fā)展前景。可再生能源包括太陽能[1,2]、風(fēng)能、小水電、生物質(zhì)能、地熱能和海洋能等。

在眾多的可再生能源資源中，太陽能具有取之不盡、用之不竭等優(yōu)點，是理想的可再生能源。太陽能的利用方式多種多樣，其中太陽能光伏發(fā)電是太陽能利用的一個重要領(lǐng)域。太陽能光伏發(fā)電可直接將太陽光轉(zhuǎn)換成電能，無噪聲、無需燃料、無污染，具有廣泛的應(yīng)用前景。但是，由于太陽能光伏發(fā)電受氣候條件變化制約，不穩(wěn)定、不連續(xù)，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運行效率，必需有其他能源設(shè)備進行補充[3-5]。通常可以用蓄電池或超級電容等儲能裝置作為太陽能的后備能源，但是增加了儲能單元，使系統(tǒng)更加復(fù)雜，提高了成本。在有市電的場合，可以將市電作為太陽能的后備能源，從而組成一種以太陽能光伏電池作為主供電電源的太陽能/市電聯(lián)合供電系統(tǒng)[6]。

在太陽能/市電聯(lián)合供電系統(tǒng)中，需要根據(jù)太陽能光伏電池和負載的規(guī)格來合理地選擇系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和電路拓撲[7,8]。另外，為了能夠最大限度地利用太陽能這一可再生清潔能源，需要制定合理的能量管理控制策略[9-12]，高效地控制系統(tǒng)的能量流，使兩個供電電源能夠協(xié)調(diào)工作，向負載提供穩(wěn)定的電能。

本文提出了一種新的太陽能光伏/市電聯(lián)合供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其能量管理控制策略。在實驗室中構(gòu)建了一套2kW的太陽能光伏/市電聯(lián)合供電系統(tǒng)，實驗結(jié)果驗證了理論分析的正確性。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在許多應(yīng)用場合，太陽能光伏電池直接接到負載上；但由于太陽能光伏電池受光照和溫度的影響，它輸出的是不穩(wěn)定的直流電，而系統(tǒng)有各種不同規(guī)格的負載，包括220VAC交流負載和不同電壓等級的直流負載。因此需要加入DC-DC變換器，先將太陽電池的輸出電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流母線電壓。同時該DC-DC變換器還需要實現(xiàn)最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking,MPPT）功能[13,14]。對于市電，需要經(jīng)過功率因數(shù)校正變換器（Power Factor Correction，PFC）將市電變換為直流母線電壓。為了得到220VAC交流輸出，直流母線電壓通常設(shè)為380V。再經(jīng)過一級DC-AC逆變器得到220VAC輸出，對于直流輸出可以再通過一級DC-DC變換器將直流母線電壓變換為所需的直流電輸出。

圖1給出了太陽能光伏/市電聯(lián)合供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)由太陽能光伏電池、市電、DC-DC變換器、PFC和DC-AC逆變器和負載端DC-DC變換器組成。

DC-AC逆變器以及負載端DC-DC變換器的技術(shù)已經(jīng)比較成熟。本文主要研究內(nèi)容是直流母線前端的DC-DC變換器和功率因數(shù)校正變換器，如圖1中點劃線框所示。

圖1 太陽能光伏/市電聯(lián)合供電系統(tǒng)Fig.1 Photovoltaic/grid hybrid power system

目前單塊太陽能光伏電池的開路電壓一般不超過50V，為了給直流母線提供穩(wěn)定的380V直流電，這就使得DC-DC變換器要具有很高的升壓比同時還需要有電氣隔離功能。可以采用單級式結(jié)構(gòu)也可以采用兩級式結(jié)構(gòu)。

如采用單級結(jié)構(gòu)，目前采用最多的電路拓撲是全橋變換器和推挽變換器。全橋直流變換器適用于大功率場合，它采用移相控制可以實現(xiàn)軟開關(guān)，提高系統(tǒng)效率。但是它存在變壓器二次側(cè)占空比丟失現(xiàn)象，為了減小占空比丟失，要使諧振電感取值非常小，其中諧振電感包括變壓器漏感。由于本系統(tǒng)的升壓比很高，這就要求變壓器二次側(cè)和一次側(cè)的匝比很大，匝比大會導(dǎo)致漏感大，從而使得占空比丟失增大，影響變換器的效率[15]。

推挽變換器在中大功率應(yīng)用場合如果主電路或控制信號不完全對稱會在變壓器一次側(cè)產(chǎn)生直流偏磁，使變換器很難正常工作，甚至?xí)?dǎo)致器件損壞。

兩級式結(jié)構(gòu)中第一級DC-DC變換器把不穩(wěn)定的太陽能光伏輸出直流電壓轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的直流電壓，同時實現(xiàn)升壓和MPPT功能；第二級把穩(wěn)定的電壓升壓到380V，同時實現(xiàn)電氣隔離。根據(jù)系統(tǒng)的要求，第一級DC-DC變換器采用Boost變換器將太陽電池的輸出電壓升到100V，第二級DC-DC變換器采用全橋結(jié)構(gòu)的直流變壓器（DC Transformer,DCX[16]），將電壓升至380V。DCX采用移相控制可以實現(xiàn)軟開關(guān)，并且它是滿占空比工作，所以DCX的效率可以優(yōu)化。兩級式結(jié)構(gòu)滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求，本文采用此種電路結(jié)構(gòu)。

PFC采用廣泛應(yīng)用的Boost變換器，工作在電感電流連續(xù)模式。

圖2給出了系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)圖。

3 能量管理

3.1 系統(tǒng)的工作模式與能量流動方式

根據(jù)太陽電池的輸出功率和負載大小，系統(tǒng)有三種工作模式。系統(tǒng)的各種能量流動示意圖如圖3所示。

圖2 主電路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the main circuit

圖3 系統(tǒng)不同工作模式下的能量流動示意圖Fig.3 Different working modes of the system

系統(tǒng)工作模式I：太陽電池的最大輸出功率大于負載所需功率；控制DC-DC變換器工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，控制直流母線電壓為380V，太陽電池提供負載所需功率，此模式PFC不工作。

系統(tǒng)工作模式II：太陽電池的最大輸出功率小于負載所需功率；控制DC-DC變換器工作在MPPT狀態(tài)，同時PFC工作，提供功率不足，并控制直流母線電壓為380V。

系統(tǒng)工作模式III：太陽電池無法工作；關(guān)閉DC-DC變換器，PFC單獨工作，市電提供負載所需功率，并控制直流母線電壓為380V。

3.2 系統(tǒng)控制電路的實現(xiàn)

在本文的太陽能光伏/市電聯(lián)合供電系統(tǒng)中，太陽電池為主供電電源 (1#源)，市電為補充供電電源(2#源)。為了保證負載能正常工作，必須要保證直流母線穩(wěn)定，此外要盡可能地多利用太陽電池，在以上的要求下，合理地設(shè)計系統(tǒng)的能量控制策略。

圖4給出了系統(tǒng)的控制策略框圖，包括MPPT控制器、電流調(diào)節(jié)器、電壓調(diào)節(jié)器、PWM電路和門極驅(qū)動電路。D1為DC-DC變換器中Boost開關(guān)管Q1的控制信號，D2為PFC開關(guān)管Q2的控制信號。

圖4 系統(tǒng)控制框圖Fig.4 Control diagram of the system

本文中MPPT控制器采用擾動觀察法計算得到太陽電池最大功率點電流ipv_m，電流調(diào)節(jié)器控制太陽電池的輸出電流保證其工作在最大功率點，電壓調(diào)節(jié)器控制直流母線電壓，保證其穩(wěn)定。

下面根據(jù)系統(tǒng)的工作模式，對控制電路的工作情況進行詳細的介紹。

(1) 太陽電池的最大輸出功率大于負載所需功率，由太陽電池單獨向負載供電，如圖5a所示。如果保持iin1_ref=ipv_m，則太陽電池工作在最大功率點，其輸出功率大于負載所需功率，導(dǎo)致直流母線電壓升高。當直流母線電壓高于390V時，電壓調(diào)節(jié)器的輸出為負，使PFC開關(guān)管的占空比D2為0，同時使VDc導(dǎo)通，電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為調(diào)整信號使iin1_ref減小，即減小太陽電池的輸出電流。此時，電壓調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器組成雙閉環(huán)，電流調(diào)節(jié)器為內(nèi)環(huán)，電壓調(diào)節(jié)器為外環(huán)，調(diào)節(jié)DC-DC變換器中Boost開關(guān)管Q1的占空比D1使直流母線電壓穩(wěn)定在380V。

圖5 系統(tǒng)控制電路工作模式Fig.5 Working mode of the control circuit

(2) 太陽電池的最大輸出功率小于負載所需功率，由太陽電池和市電同時向負載供電，如圖5b所示。此時電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)PFC開關(guān)管Q2的占空比D2控制直流母線電壓為380V，VDc阻斷，電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器獨立工作。其中MPPT控制器計算得到ipv_m作為電流調(diào)節(jié)器的基準給定，使太陽電池輸出最大功率，市電提供不足功率。

(3) 太陽電池無法正常工作時，關(guān)閉DC-DC變換器，由市電單獨提供負載所需功率，如圖5c所示。電壓調(diào)節(jié)器控制PFC開關(guān)管Q2的占空比D2保證直流母線電壓穩(wěn)定在380V。

4 實驗結(jié)果

為了驗證太陽能光伏/市電聯(lián)合供電系統(tǒng)的能量管理控制策略的有效性，分別搭建了一套2kW的實驗系統(tǒng)，具體參數(shù)如下：

DC-DC變換器的參數(shù)：

光伏電池最大輸出功率Ppvmax=1 240W；

光伏電池開路電壓Vin1_oc= 43.2V；

最大功率點電壓Vin1_m= 34.4V；

開關(guān)頻率fs=50 kHz；

濾波電感Lf1= 100μH，Lf3=300μH；

變壓器匝比9:39。

其中太陽電池板的參數(shù)是在光強1 000W/m2，溫度25℃標準狀況下測得。

PFC的參數(shù)：

額定功率Po=2 000W；

輸入電壓Vin2=220(1±20%)VAC；

輸出電壓Vo=380V；

開關(guān)頻率fs=100kHz；

濾波電感Lf2=290μH。

圖6 DC-DC變換器單獨供電時的實驗波形Fig.6 Experimental waveforms at DC-DCconverter working alone

圖6 給出了DC-DC變換器單獨工作時的實驗波形。vQ1為Q1的控制電壓；vAB為全橋直流變換器變壓器的一次電壓；io為負載的電流；vo為直流母線電壓。此時太陽能最大輸出功率大于負載所需功率，DC-DC變換器工作在穩(wěn)壓模式，直流母線電壓穩(wěn)定在380V。

圖7給出了PFC單獨工作時的實驗波形，vg為市電輸入電壓；iLf2為市電輸入電流，電壓和電流波形相位基本一致。此時太陽能無法正常工作，由市電單獨向負載供電，直流母線電壓穩(wěn)定在380V。

圖7 PFC單獨供電時的實驗波形Fig.7 Experimental waveforms at PFC working alone

圖8 給出了兩路同時工作時，負載突減時的動態(tài)波形。vQ1為Q1的控制電壓；vQ2為Q2的控制電壓；io為負載的電流；vo為直流母線電壓。在開始時太陽能光伏電池不能完全提供負載能量，太陽能和市電聯(lián)合給負載供電，太陽能DC-DC變換器工作在MPPT模式，確保太陽能輸出最大功率，而市電提供不足的能量。當負載突減，太陽能所提供的功率大于負載所需功率，市電退出工作，太陽能DC-DC變換器工作在穩(wěn)壓模式。從圖中vQ1，vQ2的波形可以看出系統(tǒng)從兩路同時工作切換為太陽能單路工作，負載突減時，直流母線電壓能夠很好地穩(wěn)定在380V左右。

圖8 負載突減時的實驗波形Fig.8 Experimental waveforms at load decrease

圖9 給出了太陽能獨立工作時，負載突增時的動態(tài)波形。vQ1為Q1的控制電壓；vQ2為Q2的控制電壓；io為負載的電流；vo為直流母線電壓。在開始時負載較輕，太陽能DC-DC變換器獨立工作在穩(wěn)壓模式。當負載突增，負載能量不能完全由太陽能提供。太陽能DC-DC變換器從穩(wěn)壓模式切換成MPPT模式，此時仍不足以提供負載所需能量，市電切入工作，提供不足能量。從圖中vQ1、vQ2的波形可以看出系統(tǒng)從太陽能獨立工作切換為兩路同時工作，負載突增時，直流母線電壓能夠很好地穩(wěn)定在380V左右。

圖9 負載突增時系統(tǒng)動態(tài)實驗波形Fig.9 Experimental waveforms at load increase

5 結(jié)論

本文提出了一種太陽能光伏/市電聯(lián)合供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)由太陽電池、市電、DC-DC變換器和PFC組成。系統(tǒng)采用太陽電池作為主供電電源，為了維持負載供電穩(wěn)定，采用市電作為補充供電電源。本文根據(jù)太陽電池和負載的工作狀態(tài)，制定了合理的能量管理策略使兩個電源能協(xié)調(diào)工作，保證負載供電穩(wěn)定。最后通過實驗和仿真驗證了該系統(tǒng)能量管理控制策略的有效性。

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