基于新型拓?fù)涞墓夥l(fā)電系統(tǒng)的能量管理控制策略

合肥供電公司　■ 殷忠寧童鑫 古海生 潘超 鄭海良 李孟增 周昕

基于新型拓?fù)涞墓夥l(fā)電系統(tǒng)的能量管理控制策略

合肥供電公司■ 殷忠寧*童鑫 古海生 潘超 鄭海良 李孟增 周昕

針對(duì)基于儲(chǔ)能技術(shù)的光伏系統(tǒng)的新拓?fù)洌詥蜗喙夥⒕W(wǎng)系統(tǒng)為例，提出一種針對(duì)該系統(tǒng)的能量管理控制策略。采用新拓?fù)涞墓夥到y(tǒng)主要由太陽電池、蓄電池、3個(gè)單向變換器及1個(gè)DC/AC變換器組成，太陽電池和蓄電池協(xié)調(diào)工作為負(fù)載提供相對(duì)穩(wěn)定的能量供應(yīng)，多余或不足的能量由電網(wǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)；根據(jù)太陽電池和蓄電池工作狀態(tài)的變化，各個(gè)變換器不斷調(diào)整自身的工作狀態(tài)，確保整個(gè)系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行；最后，通過仿真驗(yàn)證提出系統(tǒng)能量管理控制策略的有效性。

光伏；蓄電池；能量管理

0　引言

隨著傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭，太陽能已逐步成為一種極具潛力的新能源，而光伏發(fā)電則是當(dāng)前太陽能利用的一種重要方式[1-3]。光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)其是否并網(wǎng)可分為并網(wǎng)系統(tǒng)和獨(dú)立供電系統(tǒng)兩種[4]。其中，并網(wǎng)系統(tǒng)又分為不可調(diào)度式和可調(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)[5]，不可調(diào)度式系統(tǒng)中沒有儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，輸出的電能全部注入電網(wǎng)；可調(diào)度式系統(tǒng)中含有儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，用于平滑光伏陣列的能量輸出或提供能量備用。獨(dú)立光伏系統(tǒng)不與電網(wǎng)相連，直接向負(fù)載供電，須配備儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，用以應(yīng)對(duì)光伏陣列輸出功率的波動(dòng)性及夜晚不能發(fā)電的缺點(diǎn)。

在系統(tǒng)容量較小的可調(diào)度式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)及獨(dú)立光伏系統(tǒng)中，蓄電池是較常用的儲(chǔ)能設(shè)備[6-10]。對(duì)于蓄電池的充放電控制，常用的方式是在蓄電池和直流母線之間加入1個(gè)雙向變換器[11-13]，然而采用這種結(jié)構(gòu)后，太陽電池陣列輸出的能量向蓄電池中存儲(chǔ)時(shí)需要經(jīng)過兩級(jí)變換器，在一定程度上降低了系統(tǒng)的效率。基于此，本文以一種新的拓?fù)?圖1)作為光伏系統(tǒng)的主電路，該拓?fù)渲校p向變換器被換成了2個(gè)單向變換器，即圖中的2#和3#單向變換器。2#單向變換器直接接在太陽電池的輸出端與蓄電池之間，負(fù)責(zé)蓄電池的充電；3#單向變換器接在蓄電池與直流母線之間，負(fù)責(zé)蓄電池的放電。經(jīng)過這樣的改進(jìn)后，蓄電池的充電只需經(jīng)過一級(jí)變換器，這對(duì)減少充電損耗、提高光伏系統(tǒng)的效率具有重要意義。

經(jīng)過這樣的改進(jìn)后，系統(tǒng)對(duì)控制也產(chǎn)生了新的、更特殊的要求。另外，由于目前國(guó)內(nèi)外在光伏照明領(lǐng)域的研究仍局限于組件配合和狀態(tài)控制等基本功能的實(shí)現(xiàn)，而對(duì)光伏系統(tǒng)能量管理控制的研究卻較少[14]，尤其是針對(duì)該新型拓?fù)涞难芯浚虼耍谠撔滦屯負(fù)涞幕A(chǔ)之上，本文提出一種針對(duì)小容量的戶用型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的能量管理控制策略，其核心是根據(jù)太陽電池和蓄電池的狀態(tài)，控制各個(gè)變換器工作在合適的模式，保證系統(tǒng)高效、穩(wěn)定的運(yùn)行。

圖1　基于儲(chǔ)能技術(shù)的光伏系統(tǒng)的新拓?fù)?/p>

1　系統(tǒng)的工作模式

圖1中，1#單向變換器選用Buck變換器，把太陽電池板輸出的寬范圍的直流電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流母線電壓，并實(shí)現(xiàn)太陽電池的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)；2#單向變換器也選用Buck變換器，負(fù)責(zé)向蓄電池充電；3#單向變換器選用Boost變換器，負(fù)責(zé)蓄電池的放電管理。系統(tǒng)中太陽電池發(fā)出的電能主要供給用戶的負(fù)載；蓄電池將多余的能量?jī)?chǔ)存，或在太陽電池輸出能量不足時(shí)，釋放自身儲(chǔ)存的能量供負(fù)載使用。

根據(jù)太陽電池以及蓄電池的工作狀態(tài)，將系統(tǒng)的工作情況分為5種工作模式。

1)工作模式Ⅰ：系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，1#單向變換器工作在MPPT模式，將太陽電池的輸出電壓控制在最大功率點(diǎn)電壓處。2#單向變換器以電流控制方式將太陽電池發(fā)出的多余能量?jī)?chǔ)存在蓄電池內(nèi)，如圖2a所示，當(dāng)蓄電池充電電流過大或已充滿時(shí)，蓄電池以恒流或恒壓模式充電，多余的電能注入電網(wǎng)。

2)工作模式Ⅱ：在工作模式Ⅰ中，當(dāng)太陽電池所發(fā)電能不足以提供負(fù)載所需時(shí)，1#單向變換器繼續(xù)工作在MPPT模式，2#單向變換器關(guān)斷，蓄電池通過3#單向變換器補(bǔ)充負(fù)載所需能量，如圖 2b所示。

3)工作模式Ⅲ：在晚上或陰雨天，太陽電池板無能量輸出時(shí)，1#和2#單向變換器均不工作，蓄電池經(jīng)3#單向變換器單獨(dú)提供能量給負(fù)載，不足的能量由電網(wǎng)提供，如圖2c所示。

4)工作模式Ⅳ：在蓄電池處于過放狀態(tài)，而太陽電池所發(fā)電能又不能滿足負(fù)載所需時(shí)，只能停止向負(fù)載供電，關(guān)斷1#和3#單向變換器，控制2#單向變換器工作在MPPT模式，并向蓄電池充電，負(fù)載所需電能完全由電網(wǎng)提供，如圖2d所示。

5)工作模式Ⅴ：在蓄電池處于過放狀態(tài)，而太陽電池所發(fā)電能又無能量輸出時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)只能處于停機(jī)狀態(tài)，負(fù)載所需電能完全由電網(wǎng)提供，如圖2e所示。

另外，該系統(tǒng)還有一種重要的工作模式，即在電網(wǎng)故障的情況下，電網(wǎng)停止向負(fù)載供電，此時(shí)，由于系統(tǒng)中儲(chǔ)能電池的存在，光伏系統(tǒng)可以由并網(wǎng)運(yùn)行模式過渡到獨(dú)立運(yùn)行模式，繼續(xù)為部分重要負(fù)載供電。但本文主要討論系統(tǒng)在并網(wǎng)運(yùn)行模式下的能量管理，對(duì)于獨(dú)立運(yùn)行模式不再討論。

b.工作模式Ⅱ：太陽電池和蓄電池同時(shí)向負(fù)載供電

圖2　系統(tǒng)的5種工作模式

2　系統(tǒng)的控制方式

2.11#與2#單向變換器的協(xié)調(diào)控制

在該新型拓?fù)渲校?#與2#單向變換器的輸入端均直接連接在太陽電池的輸出端，尤其是在工作模式Ⅰ中，二者是同時(shí)工作的，均會(huì)影響到太陽電池的輸出電壓，進(jìn)而影響到太陽電池的MPPT，因此，對(duì)二者的協(xié)調(diào)控制顯得非常重要。

1#和2#單向變換器可以同時(shí)工作在MPPT模式，但因兩個(gè)不同的變換器同時(shí)調(diào)節(jié)一個(gè)點(diǎn)處的電壓，很難實(shí)現(xiàn)二者的調(diào)節(jié)效果完全一致，從而導(dǎo)致調(diào)節(jié)點(diǎn)處的電壓不斷波動(dòng)，因此，該方案不可行。

另一種方案是1#和2#單向變換器其中之一工作在MPPT模式，將太陽電池輸出電壓鉗位在最大功率點(diǎn)電壓處，另一個(gè)變換器則工作在電流控制模式，對(duì)調(diào)節(jié)點(diǎn)處的電壓影響非常小，這也是本文選取的方案。由系統(tǒng)的工作模式可知，1#單向變換器只有在太陽電池輸出能量較低或沒有能量輸出的情況下才停止工作，其他情況下均可實(shí)現(xiàn)MPPT控制；而2#單向變換器只是在蓄電池充電的情況下才工作，不能保證隨時(shí)實(shí)現(xiàn)MPPT控制。因此，選擇1#單向變換器工作在MPPT模式，2#單向變換器在系統(tǒng)的工作模式Ⅰ中工作在電流控制模式。

圖3為1#單向變換器的控制框圖，采樣當(dāng)前太陽電池陣列的輸出電壓和電流值，通過MPPT控制算法找到太陽電池陣列的最佳工作點(diǎn)，然后通過控制單向變換器的開關(guān)管的占空比來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作點(diǎn)。

圖3　1#單向變換器的控制框圖

圖4為2#單向變換器的電流控制框圖，控制變換器以電流的形式給蓄電池充電，蓄電池的充電分為兩個(gè)階段。第一階段為變電流充電方式[15]，即太陽電池發(fā)出的電能除負(fù)載消耗之外，其余部分儲(chǔ)存在蓄電池內(nèi)，此時(shí)：

其中，Ubat為儲(chǔ)能電池電壓；Ibat為儲(chǔ)能電池工作電流；PLoad為負(fù)載功率。若Ibat＆gt;Ibat,max，則Ibat取值為蓄電池的最大充電電流Ibat,max；第二階段為恒壓充電方式[16]，在蓄電池充滿之后，維持蓄電池電壓在一個(gè)恒定的范圍內(nèi)。

圖4　2#單向變換器的的控制框圖

2.23#單向變換器的控制

3#單向變換器為蓄電池的放電回路，負(fù)責(zé)補(bǔ)充太陽電池輸出電能不足時(shí)負(fù)載所需的能量，其控制方式也采用電流控制，放電電流參考值的計(jì)算見(1)，不同的是，此處Ibat＆lt;0。

2.3并網(wǎng)逆變器的控制

交流并網(wǎng)逆變器采用電流控制方式，如圖5所示，其控制分為電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)兩個(gè)環(huán)節(jié)，電壓外環(huán)保證直流母線電壓的穩(wěn)定，電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流的單位功率因數(shù)運(yùn)行。并網(wǎng)電流參考值I*的選取取決于蓄電池的充放電狀態(tài)。

1) PPV＆gt;PLoad且蓄電池未充滿時(shí)：

式中，Pbat為蓄電池的充電或放電功率，充電時(shí)為正，放電時(shí)為負(fù)；Ugrid為電網(wǎng)電壓。

2) PPV＆gt;PLoad且蓄電池已充滿，或PPV＆lt;PLoad時(shí)：

圖5　并網(wǎng)逆變器的控制框圖

3　系統(tǒng)的仿真研究

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)單相逆變系統(tǒng)的效果，在Matlab 7.0中建立了仿真模型，電網(wǎng)電壓為220 V；太陽電池的最大功率為2000 W；并網(wǎng)逆變器采用單向全橋逆變器，直流母線電壓設(shè)為300 V；蓄電池的最大充電電流Ibat，max=8 A，過充電壓Ubat，max=78 V，過放電壓Ubat，min=66 V。系統(tǒng)的控制使用S函數(shù)編程實(shí)現(xiàn)。

圖6為光伏系統(tǒng)工作于模式Ⅰ時(shí)的仿真波形圖。1.5 s之前，蓄電池充電電流達(dá)到了最大值8 A，太陽電池輸出的電能除去負(fù)載消耗及蓄電池的存儲(chǔ)后，多余能量注入電網(wǎng)，此時(shí)逆變器輸出電流iout略大于負(fù)載電流iLoad；1.5 s之后，由于負(fù)載功率的增大，太陽電池輸出的電能除去負(fù)載消耗之外，其余能量可全部存儲(chǔ)在蓄電池內(nèi)，逆變器輸出電流iout與負(fù)載電流iLoad相等。

a. 蓄電池電流波形

b. 負(fù)載電流及并網(wǎng)電流波形

圖6　工作模式Ⅰ的仿真波形

圖7為光伏系統(tǒng)由工作模式Ⅰ向工作模式Ⅱ轉(zhuǎn)變的仿真波形圖。1.5 s時(shí)，由于太陽電池輸出功率的減小，太陽電池輸出的能量已不能滿足負(fù)載的消耗，蓄電池由充電模式轉(zhuǎn)為放電模式，補(bǔ)充負(fù)載所需的能量。

圖7　工作模式Ⅰ向工作模式Ⅱ轉(zhuǎn)變

圖8為光伏系統(tǒng)工作在模式Ⅲ的仿真波形圖。1.5 s之前，負(fù)載功率較小，其所需能量完全由蓄電池提供；1.5 s之后，負(fù)載功率增大，其所需能量由蓄電池和電網(wǎng)共同提供。

圖8　工作模式Ⅲ的仿真波形

工作模式Ⅳ與工作模式Ⅰ中的恒壓模式類似，唯一不同的是，工作模式Ⅳ下負(fù)載不工作，此處不再贅述。

4　結(jié)論

本文在一種新型的光伏系統(tǒng)拓?fù)涞幕A(chǔ)上，提出一種針對(duì)小容量的戶用型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的能量管理控制策略。系統(tǒng)能夠根據(jù)太陽電池和蓄電池的工作狀態(tài)，協(xié)調(diào)控制各個(gè)變換器工作在合適的模式，保證系統(tǒng)高效、穩(wěn)定的運(yùn)行。最后，通過仿真驗(yàn)證了所提方法的有效性。

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2015-11-19

殷忠寧(1987—)，男，碩士研究生、工程師，主要從事電能質(zhì)量、分布式發(fā)電技術(shù)方面的研究。yinzhongning616@163.com