光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)并/離網(wǎng)無(wú)縫切換技術(shù)研究

楊?柯

信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司

光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)并/離網(wǎng)無(wú)縫切換技術(shù)研究

楊?柯

信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司

隨著環(huán)境和能源問(wèn)題在全球范圍內(nèi)成為焦點(diǎn)，新能源技術(shù)得以迅速發(fā)展，以光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)為代表的分布式發(fā)電己被廣泛應(yīng)用于微電網(wǎng)組成中。本文在分析光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)模型及系統(tǒng)的能量管理與控制策略的基礎(chǔ)上，著重對(duì)并網(wǎng)逆變器的并離網(wǎng)無(wú)縫切換技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。對(duì)并網(wǎng)逆變器分析了并網(wǎng)及離網(wǎng)工況下的基本控制策略，研究了光伏電池的輸出特性和與其相對(duì)應(yīng)的Boost電路MPPT的控制方法，介紹了儲(chǔ)能系統(tǒng)Buck-Boost電路原理及其控制策略，對(duì)不同結(jié)構(gòu)的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比分析。

光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)；并網(wǎng)及離網(wǎng)；無(wú)縫切換

電力系統(tǒng)的發(fā)展是一直朝著大容量集中發(fā)電以及超高壓的遠(yuǎn)距離輸電的方向發(fā)展，然而雖然大規(guī)模電力系統(tǒng)在具備系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定發(fā)輸電效率高等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也帶來(lái)了諸如運(yùn)行成本高、覆蓋區(qū)域局限等種種缺點(diǎn)，近幾年以紐約大停電為代表的世界范圍內(nèi)幾次大規(guī)模停電事故也暴露出電網(wǎng)在運(yùn)行可靠性和安全性方面的弱點(diǎn)。

1 光伏儲(chǔ)能井網(wǎng)系統(tǒng)與控制

1.1 結(jié)構(gòu)

非隔離型結(jié)構(gòu)光儲(chǔ)系統(tǒng)與電網(wǎng)具有電氣連接，實(shí)際的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中光伏組件與地之間存在對(duì)地寄生電容。潮濕環(huán)境或雨天，該寄生電容可達(dá)200nF/kWp，而當(dāng)眾多光伏組件經(jīng)串并聯(lián)組成大規(guī)模光伏陣列后，寄生電容會(huì)達(dá)到更大。此對(duì)地寄生電容與光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路和電網(wǎng)形成共模回路。逆變器中開關(guān)器件動(dòng)作引起寄生電容電壓變化，整個(gè)共模回路在寄生電容的共模電壓激勵(lì)下產(chǎn)生共模電流。共模回路的對(duì)地寄生電容與逆變器中濾波元件和電網(wǎng)阻抗形成諧振回路，當(dāng)共模電流頻率達(dá)到諧振回路的諧振頻率點(diǎn)時(shí)，電路中會(huì)出現(xiàn)大的漏電流，此共模電流不僅增加了系統(tǒng)損耗，還會(huì)影響逆變器正常工作以及注入電網(wǎng)大童諧波，帶來(lái)安全問(wèn)題；另外，由于非隔離型并網(wǎng)逆變器橋臂與電網(wǎng)直接相連，維護(hù)人員碰到光伏側(cè)時(shí)，電網(wǎng)電流流過(guò)橋臂將威脅人員安全，保證不了光伏側(cè)電氣安全出于上述考慮，電氣隔離在光儲(chǔ)并網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

1.2 控制策略

下面列舉幾種有代表性的工況進(jìn)行說(shuō)明：工作模式1中，由于光儲(chǔ)并網(wǎng)運(yùn)行，為充分提高光伏利用率使其工作于MPPT模式，但光伏功率高于負(fù)載且儲(chǔ)能己達(dá)過(guò)充電壓，因此將多余電能全部饋送電網(wǎng)：工作模式2中，光儲(chǔ)離網(wǎng)運(yùn)行，儲(chǔ)能已達(dá)過(guò)充電壓，若光伏繼續(xù)工作于MPPT模式，則多余的電量無(wú)法處理，此時(shí)需光伏降功率輸出，由光伏穩(wěn)定高壓側(cè)電壓，不再工作于MPPT模式，而儲(chǔ)能則控制充電電流，以免過(guò)充；工作模式5中，并網(wǎng)運(yùn)行光伏依然工作于MPPT模式，但不能滿足負(fù)載所需功率且儲(chǔ)能可充電與放電，因此控制電網(wǎng)的功率輸出可提供負(fù)載電能亦可對(duì)儲(chǔ)能充電。

2 并離網(wǎng)無(wú)縫切換控制策略

當(dāng)所屬微網(wǎng)功率需要調(diào)整，閉環(huán)控制需一定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，如果下垂系數(shù)較小則微源出力不能及時(shí)改變，此時(shí)微網(wǎng)電壓的幅值與頻率會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后微源出力滿足不了微網(wǎng)中的功率波動(dòng)；若采用的下垂系數(shù)較大，微源出力會(huì)出現(xiàn)過(guò)調(diào)節(jié)現(xiàn)象，微源出力會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，微網(wǎng)將發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。假如微網(wǎng)系統(tǒng)需進(jìn)行功率調(diào)整的短時(shí)間內(nèi)取較大下垂系數(shù)，隨著微源出力的改變不斷減小下垂系數(shù)，則將兼顧二者優(yōu)點(diǎn)，既能及時(shí)調(diào)整微源出力有效抑制微網(wǎng)電壓頻率與幅值較大幅度的波動(dòng)，較高精度的滿足功率變動(dòng)，又能使系統(tǒng)最終趨于穩(wěn)定。一般雙模式并離網(wǎng)切換所存在的問(wèn)題采用了下垂控制的單模式并離網(wǎng)切換方法，由于采用單模式的切換方法切換前后控制策略未發(fā)生改變，只是并網(wǎng)開關(guān)進(jìn)行了導(dǎo)通與關(guān)斷的變化，避免了雙模式切換的種種問(wèn)題。同時(shí)指出傳統(tǒng)下垂曲線控制并網(wǎng)時(shí)存在功率輸出不穩(wěn)現(xiàn)象，以及其控制并離網(wǎng)切換時(shí)存在的問(wèn)題，進(jìn)而加以改進(jìn)，采用了非線性下垂曲線控制。采用改進(jìn)非線性下垂曲線控制后，逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)其輸出功率受網(wǎng)壓波動(dòng)的影響減小，更加穩(wěn)定，同時(shí)也改善了傳統(tǒng)下垂曲線并離網(wǎng)切換的效果，實(shí)現(xiàn)了平滑無(wú)縫切換。

3 系統(tǒng)分析

3.1 采樣調(diào)理電路設(shè)計(jì)

變換器主電路中對(duì)電壓、電流進(jìn)行控制時(shí)，需要將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，在此過(guò)程中，電壓、電流信號(hào)經(jīng)霍爾傳感器隔離采樣，將高壓大電流的強(qiáng)電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪盒‰娏鞯娜蹼娦盘?hào)，再通過(guò)模擬調(diào)理電路的處理，輸入到數(shù)字信號(hào)處理器中，對(duì)其進(jìn)行控制。此系統(tǒng)中，需要對(duì)逆變器輸出電壓、電流、網(wǎng)壓等進(jìn)行采集進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，調(diào)理電路需將這些控制t轉(zhuǎn)化為符合DSP輸入要求的信號(hào)，并帶有一定保護(hù)功能。

3.2 故障保護(hù)電路設(shè)計(jì)

故障保護(hù)分為兩種，一種是從驅(qū)動(dòng)芯片返回的故障信號(hào)，將其輸入DSP的TZ端，通過(guò)軟件封鎖脈沖進(jìn)行保護(hù)。IPM有精良的內(nèi)置保護(hù)電路以避免因系統(tǒng)失靈或過(guò)應(yīng)力而使功率器件損壞。保護(hù)包括驅(qū)動(dòng)電源欠壓保護(hù)，及過(guò)熱、過(guò)流、短路保護(hù)。故障信號(hào)，經(jīng)光耦輸出到HD74HC32P芯片，此芯片能夠?qū)⒍鄠€(gè)IGBT故障集合成一個(gè)故障信號(hào)，即任意一個(gè)IGBT故障都將輸出故障信號(hào)fault7，然后經(jīng)A32L翻轉(zhuǎn)輸入到DSP的TZ管腳，進(jìn)行軟件封鎖脈沖，對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)。

3.3485，CAN通信電路設(shè)計(jì)

觸摸屏與DSP、以及DSP之間采用的是485通信，將DSP的SCI串口通信引腳外接RSM3485通信模塊，此模塊集成了電源隔離、電氣隔離、高速RS-485接口器件和總線保護(hù)功能于一身，性能穩(wěn)定，將DSP發(fā)出信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)后進(jìn)行傳輸，提高了抗干擾性。儲(chǔ)能系統(tǒng)的BMS與DSP之間采用CAN通信協(xié)議，同樣應(yīng)用了CTM8251外接DSP的CAN通信引腳，將邏輯電平轉(zhuǎn)換為了CAN總線的差分電平，提高了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的抗干擾性。

綜上所述，本文對(duì)光伏儲(chǔ)能并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，并在此基礎(chǔ)上對(duì)目前普遍存在的分布式電源在并網(wǎng)及離網(wǎng)兩種運(yùn)行工況之間進(jìn)行切換易產(chǎn)生電壓電流沖擊的角度進(jìn)行了并離網(wǎng)無(wú)縫切換的?研究。

[1]羅瀟.光儲(chǔ)互補(bǔ)并離網(wǎng)一體逆變器的研究[D].東華大學(xué)，2015.

[2]謝締.兩級(jí)式光伏儲(chǔ)能并離網(wǎng)控制技術(shù)研究[D].西南交通大學(xué)，2016.