家庭并離網一體光伏發(fā)電系統的能量管理策略

楊雪蛟，李征

（東華大學 信息科學與技術學院，上海　201620）

家庭并離網一體光伏發(fā)電系統的能量管理策略

楊雪蛟，李征

（東華大學 信息科學與技術學院，上海201620）

光伏發(fā)電作為解決傳統能源枯竭和環(huán)境污染的重要途徑，正成為世界新能源發(fā)展的焦點。本文從家庭并離網一體光伏發(fā)電系統的實際應用出發(fā)，提出了一種針對性的能量管理策略。該能量管理策略可根據光伏組件輸出功率、鋰電池荷電狀態(tài)、負荷情況以及直流母線電壓變化情況，合理切換系統工況，確保系統穩(wěn)定運行。通過家庭并離網一體光伏發(fā)電系統樣機實驗，驗證了本文所提能量管理策略的可行性和有效性。

能量管理；太陽能發(fā)電系統；儲能電池；變流器

在全球能源危機及環(huán)境問題日益嚴峻的今天，太陽能光伏發(fā)電技術受到越來越多的關注。在各國政府的大力支持下，太陽能光伏產業(yè)得到了飛速的發(fā)展［1］。光伏發(fā)電系統按照是否與公共電網連接可以分為3種不同的類型：并網型光伏發(fā)電系統，離網型光伏發(fā)電系統和并離網一體光伏發(fā)電系統。并離網一體光伏發(fā)電系統既可并網運行，亦可獨立運行，當其應用于住宅或者樓宇時，相對并網系統供電安全性更高，當公共電網發(fā)生故障時，可獨立運行給本地負載供電。同時，可以接受電網調度，選擇性地并網以減緩對電網的沖擊，減小三相電網的不平衡。并離網一體系統相對于離網系統一方面由于有公共電網作為支撐，供電更為可靠；另一方面可有效地減小儲能裝置的容量，降低系統成本。

但由于光伏發(fā)電系統中光伏組件發(fā)電量的不連續(xù)性，儲能單元的合理介入及并離網切換等問題會影響并離網一體系統的工作穩(wěn)定性。因此，如何協調發(fā)電單元、儲能單元、負載及電網之間的能量流動，實現系統高效穩(wěn)定的運行，需要一定的能量管理策略來控制系統的能量流動，保證系統的能量供需平衡。

1　系統工況分析

文中研究的家庭并離網一體光伏發(fā)電系統拓撲結構如圖1所示。整個系統由光伏組件、鋰電池、單相電網、負載以及功率變換器組成。光伏組件（實驗系統為175-450 VDC）通過Boost升壓變換器形成公共直流母線 （480 VDC），鋰電池（160-240 VDC）通過Buck-Boost變換器掛接到公共直流母線上，直流母線通過全橋逆變器將電能饋入單相電網或者獨立逆變給負載供電。從圖中可以看出，3個變換器都連接到公共直流母線上，從而組成一個典型的直流微網［2-3］。通過控制直流母線電壓可以很容易控制直流微網內的功率流動［4］。

系統根據光伏組件輸出能量優(yōu)先滿足“自發(fā)自用”的原則，確定系統中3個電源的供電優(yōu)先級次序為：光伏組件、鋰電池、電網。即：光伏組件輸出功率優(yōu)先滿足用戶的自身電力需求；在光伏發(fā)電量盈余或者不足的情況下，首先由鋰電池來實現功率平衡；當光伏組件和鋰電池都達到限制條件時，再由公共電網作為支撐保證供電。通過控制并網開關可以選擇系統工作在并網運行模式或孤島運行模式［5］。采用公共的全橋逆變器，不僅提高了逆變器利用率，而且簡化了系統結構，降低成本。

圖1　家庭并離網一體光伏發(fā)電系統拓撲Fig．1　Topology of domestic grid-connected/stand-alone integrated photovoltaic power system

對于光伏組件輸出功率、鋰電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）以及鋰電池充電功率做如下說明：當光伏組件輸出功率（PPV）小于設定最小閥值，即PPV＜PPV_min時認為光伏組件無功率輸出，此時光伏側Boost變換器應當關閉；反之當PPV＞PPV_min時認為光伏組件有功率輸出，光伏側Boost變換器可投入使用。鋰電池SOC＞95%時認為電池已充滿，電池不宜繼續(xù)充電；鋰電池SOC＜5%時認為電池電量不足，電池不宜繼續(xù)放電。在實際運行中，電池充電功率（Pbat_charge）會根據光伏輸出功率與負載功率（Pload）變化而變化，范圍在零到鋰電池最大充電功率之間，即 0＜Pbat_charge＜Pbat_charge_max。

首先，根據光伏發(fā)電系統是否與電網連接，可以將系統運行模式分為孤島運行模式和并網運行模式兩大類。在孤島運行模式下，根據光伏組件還是鋰電池作為主要供電電源（控制直流母線電壓的變換器對應的電源為主要供電電源，另外一個作為輔助供電電源）可以細分為光伏發(fā)電工況和電池供電工況［6］。在并網模式下，根據網側變換器工作在逆變狀態(tài)還是整流狀態(tài)，又可以將系統分為并網逆變工況和并網整理工況。綜上，本文中系統工況可分為如下4種：

工況I：孤島運行，光伏發(fā)電。此時光伏組件輸出功率大于負載功率且鋰電池未充滿，即PPV＞Pload且SOC＜95%。光伏作為主要供電電源，光伏側 Boost變換器工作在恒壓（Constant Voltage，CV）模式，控制直流母線電壓恒定。全橋逆變器工作在獨立逆變模式。如果光伏輸出功率大于負載功率和鋰電池充電功率之和，即PPV＞Pload+Pbat_charge，則電池側 Buck-Boost變換器工作在Buck模式以控制電池充電；反之若Pload＜PPV＜Pload+Pbat_charge，則Buck-Boost變換器不工作。

工況II：并網運行，網側變換器逆變。此時光伏組件輸出功率大于負載功率，并且鋰電池已處于滿充狀態(tài)，即PPV＞Pload且SOC＞95%。全橋逆變器工作在并網模式以控制中間直流母線電壓恒定，將盈余的電量回饋給公共電網。光伏側Boost變換器工作在最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）模式［7］。鋰電池側Buck-Boost變換器不工作。

工況III：孤島運行，電池供電。此時光伏組件輸出功率不足以給負載供電，且鋰電池儲存有一定電量，即PPV＜Pload且SOC＞5%。鋰電池作為主要供電電源，電池側Buck-Boost變換器工作在Boost模式以控制直流母線電壓恒定。全橋逆變器工作在獨立逆變模式。若光伏有微弱的功率輸出，即PPV_min＜PPV＜Pload，則光伏側Boost變換器工作在MPPT模式；若光伏無功率輸出，即PPV＜PPV_min，則光伏側Boost變換器不工作。

工況IV：并網運行，網側變換器整流。此時光伏組件輸出功率不足以給負載供電，且鋰電池電量不足，即PPV＜Pload且SOC＜5%。全橋逆變器工作在并網模式維持直流母線電壓恒定。鋰電池側Buck-Boost變換器工作在Buck模式以控制電池充電直到SOC＞95%為止。若光伏有微弱的功率輸出，即PPV_min＜PPV＜Pload，則光伏側Boost變換器工作在MPPT模式；若光伏無功率輸出，即PPV＜PPV_min，則光伏側Boost變換器不工作。

表 1給出了按照 PPV＜Pload、PPV＞Pload、SOC＞5%、5%＜SOC＜95%、SOC＞95%這5個條件劃分的系統運行工況。從表中可以清楚地看出系統運行在某個特定工況下所需具備的條件。

表1　系統工況劃分Tab.1　Division of system operation modes

圖2給出了家庭并離網一體光伏發(fā)電系統的4種工況狀態(tài)圖，從圖中可以清楚地看出每種工況下各個變換器的工作模式以及系統中的能量流動方向。

2　工況切換與能量流轉分析

在保證供電電源優(yōu)先級的前提條件下，我們做出如下的工況切換說明。

當系統運行在工況I時，若檢測到SOC＞95%，則說明此時鋰電池已充滿，應將富余的能量饋入電網，即系統由工況I切換到工況II。若檢測到PPV＜Pload，則此時光伏輸出功率不足以給負載供電，按照供電電源選擇次序，應該切換到鋰電池供電，即系統由工況I切換到工況III。

當系統運行在工況II時，若檢測到PPV＜Pload，則說明光伏組件已沒有富余的能量饋入電網，按照供電電源選擇次序，應切換到鋰電池供電，即系統由工況II切換到工況III。

當系統運行在工況III時，若檢測到PPV＞Pload，則說明光伏組件可獨立給負載供電，按照供電電源選擇次序，應該切換到光伏供電，即系統由工況III切換到工況I。若檢測到SOC＜5%，則說明電池電量不足，只能由電網給負載供電，即系統由工況III切換到工況IV。

當系統運行在工況IV時，若檢測到PPV＞Pload，則說明光伏組件可獨立給負載供電，按照供電電源選擇次序，應該切換到光伏供電，即系統由工況IV切換到工況I。

(3)另外通過時區(qū)圖譜分析還發(fā)現,2006-2017年我國老年人運動干預研究領域的焦點沿著體育鍛煉—健身氣功—體質—骨密度—太極拳—心理健康—風險認知—群眾體育—人口老齡化—認知功能—認知老化—體育管理—平衡能力的方向發(fā)展，反映出該研究前沿整體上由體育鍛煉方式對老年人影響的調查研究轉向太極拳、健身氣功等特定運動方式對其的實證性研究；由關注老年人的體質狀況向心理健康、認知功能和身體素質的轉變。隨著年齡的增加，老年人不只是身體功能下降，還有心理問題日益增多。近些年頒布有關老年人的文件中，多次提到要重點老年人心理健康水平的發(fā)展。

圖3描述了系統4種工況之間的轉換關系。由圖3可知，依據系統功率關系以及電池荷電狀態(tài)，系統可以在4種工況之間自然切換。

圖3中給出了4條工況切換條件，分別為：1）SOC＞95%；2）SOC＜5%；3）PPV＜Pload；4）PPV＞Pload。

圖2　家庭并離網一體光伏發(fā)電系統工況Fig．2　Operation modes of domesticgrid-connected/stand-alone integrated photovoltaic power system

圖3　系統工況轉換圖Fig．3　System operating modes transition diagram

前兩條切換條件可以通過控制器與電池管理系統（Battery Management System，BMS）間的通訊獲得數據加以判斷。

后兩條切換條件在實際中的判斷須分為以下幾類情況。當系統運行在并網工況時（包括工況II和工況IV），光伏側Boost變換器工作在MPPT模式，系統可以檢測出光伏最大輸出功率，從而與負載功率做比較，判斷條件是否成立。當系統運行在工況I時，由于光伏側Boost變換器工作在CV模式，光伏組件最大可輸出功率無法測量，此時可以通過檢測直流母線電壓是否跌落來間接判斷條件是否成立（直流母線電壓跌落即意味著光伏組件輸出功率不足以給負載供電，即PPV＜Pload）。當系統運行在工況III時，Buck-Boost變換器工作在Boost模式，功率只能從電池輸出而不能輸入，所以PPV＞Pload首先會體現在直流母線電壓抬升上，故可以通過檢測直流母線電壓是否抬升來間接判斷PPV＞Pload是否成立。

直流母線電壓（Vdc）跌落和抬升的閥值設定十分重要。閥值設置太低，系統可能會由于采樣誤差和外部擾動發(fā)生工況的誤切換；閥值設置太高，會使得直流母線電壓變化范圍過大，降低系統運行穩(wěn)定性和換流器效率。綜合考慮，設定直流母線電壓跌落的閥值為 Vdc_min=Vdc_rating（1-10%）（Vdc_rating為直流母線電壓額定值）；設定直流母線電壓抬升的閥值為Vdc_max=Vdc_rating（1+10%）。即：當Vdc＜Vdc_min時，意味著直流母線電壓跌落，條件 PPV＜Pload成立；當 Vdc＞Vdc_max時，意味著直流母線電壓抬升，條件PPV＞Pload成立。

最后，為確保以上提出的工況以及能量管理策略能夠有效實現，需提出相關功率限制條件：

2）負載側DC/AC變換器額定功率大于鋰電池最大充電功率與負載最大功率之和，從而確保電網能夠給負載供電的同時給鋰電池充電。

3）負載側DC/AC變換器額定功率大于光伏最大輸出功率，保證電網能夠吸納光伏最大輸出功率。

3　實驗驗證

為驗證文中所提出的的能量管理策略的有效性，搭建負載最大功率為5 kW的樣機，表2給出實驗系統各部分的參數。

表2　家庭并離網一體光伏發(fā)電系統組成部分參數Tab.2　Paramtersfor domesticgrid-connected/stand-alone integrated photovoltaic power system

圖4（a）給出了工況I下的穩(wěn)態(tài)實驗波形。圖中光伏組件給負載（純阻性負載，下同）供電，同時給鋰電池充電。直流母線電壓Vdc穩(wěn)定在480 V，逆變器輸出電壓vo為220 V/50 Hz，負載功率3 kW，鋰電池充電功率為2 kW。圖4（b）給出了工況II下的穩(wěn)態(tài)實驗波形。圖中直流母線電壓Vdc穩(wěn)定在480 V，電網電壓220 V/50 Hz，并網功率3 kW，并網功率因數為1。圖4（c）給出了工況III下的穩(wěn)態(tài)實驗波形。圖中電池獨立給負載供電，直流母線電壓Vdc穩(wěn)定在480 V，逆變器輸出電壓vo為220 V/50 Hz，負載功率約為5 kW。圖4（d）給出了工況IV下的穩(wěn)態(tài)實驗波形。圖中電網給鋰電池充電，直流母線電壓Vdc穩(wěn)定在480 V，鋰電池充電電流10 A，充電功率2 kW。

圖4　工況實驗波形Fig.4　Experimental waveforms under system mode fromI to IV

圖5（a）、5（b）為工況I和工況III之間的切換過程圖。圖5（a）中，切換前系統工作在工況I，此時負載功率為1.5 kW，鋰電池充電功率1 kW。從圖 5（a）中可以看出，在負載從1 kW突變到3 kW瞬間，通過檢測到直流母線電壓跌落即VdcVdc_max，判斷 PPV>Pload條件成立，系統從工況 III切換回到工況I。在狀態(tài)切換過程中，直流母線電壓存在短暫的跌落和抬升，但逆變器輸出電壓始終維持在220 V。

圖5　工況I與工況III切換實驗波形Fig.5　Experimental waveforms of system mode switch between I and III

圖6（a）、6（b）為逆變器孤島運行和并網運行之間的切換過程。圖6（a）為孤島運行切換到并網運行實驗波形。切換前逆變器獨立帶載2 kW。由于逆變器在孤島運行時仍然存在對電網電壓的鎖相，所以輸出電壓vo和電網電壓vgrid基本保持同步。切換后逆變器輸出電壓vo和電網電壓vgrid完全重合。圖6（b）為并網運行切換到孤島運行實驗波形。切換前逆變器并網帶載2 kW，逆變器輸出電壓vo和電網電壓vgrid完全重合。綜上，在孤島運行模式與并網運行模式切換過程中，直流母線電壓始終維持在480 V，負載端輸出電壓vo和負載電流iload都沒有明顯的突變，實現了雙模式逆變器的切換，保證負載不間斷供電。

圖6　孤島運行工況與并網運行工況切換實驗波形Fig．6　Experimental waveforms of system mode switch between stand-alone mode and grid-connected mode

4　結　論

文中提出一種家庭并離網一體光伏發(fā)電系統的能量管理策略，其核心是根據光伏組件輸出功率、鋰電池SOC、負荷情況以及直流母線電壓變化情況，合理切換工作模式，確保三組變換器協同工作，實現系統能量管理，保證系統高效穩(wěn)定運行。最后通過樣機驗證該能量管理策略的有效性。

［1］王成山，武震，李鵬．分布式電能存儲技術的應用前景與挑戰(zhàn)［J］．電力系統自動化，2014（16）:1-8，73．

［2］張犁，孫凱，吳田進，等．基于光伏發(fā)電的直流微電網能量變換與管理［J］．電工技術學報，2013（2）:248-254．

［3］吳衛(wèi)民，何遠彬，耿攀，等．直流微網研究中的關鍵技術［J］．電工技術學報，2012，27（1）:98-106．

［4］Sun K，Zhang L，Xing Y，et al．A distributed control strategy based on DC bus signaling for modular photovoltaic generation systems with battery energy storage［J］．IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26（10）:3032-3045．

［5］林旭成，楊蘋，呂茵．基于DSP控制的雙模式逆變系統的研究［J］．電力電子技術，2011，45（2）:56-59．

［6］廖志凌，阮新波．一種獨立光伏發(fā)電系統雙向變換器的控制策略［J］．電工技術學報，2008，23（1）:97-103．

［7］鄭穎楠，王俊平，張霞．基于動態(tài)等效阻抗匹配的光伏發(fā)電最大功率點跟蹤控制［J］．中國電機工程學報，2011，31 （2）:111-118．

Energy management strategy for domestic grid-connected/stand-alone integrated photovoltaicpower system

YANG Xue-jiao，LI Zheng
（College of Information Science&Technology，Donghua University，Shanghai 201620，China）

Solar photovoltaic power has become an attractive energy supply option as a result of fossil fuel depletion and environment pollution．This paper puts forward an efficient energy management strategy for domestic grid-connected/standalone integrated photovoltaicpower system．The strategy can ensure the stability of the system by changing the work patterns of three inverters according to the variation of photovoltaic output power，battery's SOC and load conditions．Experimental results on a 5kW domestic grid-connected/stand-alone integrated photovoltaicpower system prototype verify the validity of the proposed strategy．

energy management strategy；photovoltaic power；battery storage；inverter

TN307

A

1674－6236（2016）02-0112-05

2015-03-12稿件編號：201503166

楊雪蛟（1988—），男，河北張家口人，碩士研究生。研究方向：分布式發(fā)電，電力電子。