光伏發電儲能系統中的雙向直流變換器設計應用研究

宋 益，李熙蕓，亢雅博

(1.廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 530004；2.廣西電網有限責任公司南寧供電局， 廣西 南寧 530000；3.遼寧省送變電工程有限公司，遼寧 沈陽 110021)

由于對傳統能源枯竭及環保意識認識的提高，電力系統向分布式發電方向發展[1-2]。由于光伏等分布式發電的隨機性，能源存儲技術被認為是未來的核心研究領域，特別是電池儲能系統,像一個特殊的銀行，可以儲存電力，并作為電源。由于電能具有實時性，很難使輸出電壓保持在預定的范圍內。因此，儲能系統發揮了重要的作用。當分布式發電系統波動較大時，若有儲能電池及時放電，即可保證系統的安全性和可靠性[3]。

傳統的太陽能光伏發電采用直接并網或直供離網負荷的方式運行，但由于電能的實時性，一般情況下，會出現供大于求或供不應求的缺陷。針對這一問題，本文在光伏發電系統與負荷之間連接一個儲能電池，通過雙向直流變換器來控制電池的充放電，以達到提高能源利用率的目的。

1 光伏發電

1.1 基本電路

太陽能光伏組的等效電路如圖1所示。

經分析，等效電路中理想的光伏發電組模型的輸出電流可以確定為

I=Iph-ID-Ish

(1)

1.2 光伏發電組參數

在光伏發電組中，主要有4個參數：短路電流Isc，開路電壓Uoc，峰值電流Im，峰值電壓Um。當環境發生改變時，光伏發電組的輸出參數也隨之

圖1 太陽能光伏組等效電路

改變，表示為

Uoc_new=Uoc(1-c·ΔT)(1+b·ΔS)

(2)

(3)

Um_new=Um(1-c·ΔT)(1+b·ΔS)

(4)

(5)

式中：S為光照強度；Tref為溫度標準值，取25 ℃；Sref為光照強度標準值，取1 000 W/m2；ΔT為溫度的變化值；ΔS為光照強度的變化值；a，b，c分別代表經典值，a=0.002 5 ℃，b=0.5，c=0.002 8 ℃。

2 最大功率追蹤(MPPT)

最大功率追蹤是太陽能光伏發電系統中一個重要的組成部分，其目的在于使太陽能的利用率達到最大化，減少損耗。最大功率追蹤有很多方法可以實現，本文采用擾動觀察(P&O)法。

2.1 擾動觀察法原理

擾動觀察法是一個自行尋找最優解的最大功率追蹤方法，其實現基于光伏發電組的P-U輸出關系[4]。其基本原理：讀取一個時刻光伏發電組的輸出功率，設為P1；下一時刻，再讀取另一輸出功率，設為P2。比較P1和P2的大小，取較大值。再取一時刻的輸出功率，設為P3，與上一較大值比較，取二者中較大值。以此類推，反復比較，某一時刻的輸出功率即最大功率。這一方法的流程如圖2所示。

圖2 擾動觀察法的主要流程

2.2 仿真模型

在Matlab/Simulink中，可以實現擾動觀察法。如圖3所示，步長設為0.001。

圖3 MPPT模塊的仿真模型

3 雙向直流變換器

雙向直流變換器分為隔離型和非隔離型。非隔離型的優點在于結構簡單、元器件少、便于控制，本文采用非隔離型Buck/Boost變換器。變換器可運行在升壓或降壓模式下，以達到控制電池充放電目的，如圖4所示。

圖4 Buck/Boost變換器電路

3.1 主要參數設計

3.1.1 濾波電感Lf

濾波電感的數值不能過大或過小，否則引起響應速度慢或諧波過大。濾波電感應保證能夠控制電流諧波范圍不超過輸出電流的10%。在IGBT閉合期間，根據感性特性，電感由式(6)進行確定。

(6)

式中：Io為輸出電流；f為開關頻率。

經過計算，Lf計算為5 mH。

3.1.2 電池側濾波電容Cf2

輸出側的濾波電容數值大小影響輸出電壓和電流的諧波。理論上，這個電容數值越大越好，但響應速度會隨之變慢[5]。為了能夠選出最優的Cf2值，本文使用一種新方法。該方法基于穩態運行情況，只考慮諧波的影響。把諧波看作擁有基波f的電流源，其他高次諧波忽略不計。整個回路的等效電路如圖5所示。

(7)

(8)

a.當電流為常數時

(9)

b.當電壓為常數時

(10)

綜上，可得C2≥6 127 μF。考慮裕量，電池側濾波電容Cf2的取值為6 500 μF。

3.1.3 輸入側電容Cf1

通過分析升壓電路的工作原理，可得輸入側電容的計算公式：

(11)

經計算，C1=1 190 μF。考慮裕量后，Cf1的取值為2 500 μF。

3.2 雙向直流變換器的控制方法

雙閉環的控制原理如圖6所示，電壓控制為外環，電流控制為內環，最終的控制信號是PWM。Uref是額定運行電壓；Udc直流母線電壓；Ib是電池充放電的電流值。其中，PI控制器為離散型，其系數分別為kp=2，ki=120。

圖6 雙向直流變換器的控制原理

3.3 仿真結果

仿真結果如圖7所示，a表示電池功率的變化曲線;b表示太陽能光伏發電組的最大功率;c表示負荷端的可變功率。從初始時間0～0.8 s，太陽能發電同時向電池端和負載端供能。在這個時間內，負載端的功率為5 kW，小于光伏功率8 kW。0.8 s后，負載突變至14 kW，此時，僅靠光伏已不能滿足需求，所以電池開始自動向負荷端放電直至1.4 s。電池的充電狀態(SOC)同樣可見：0～0.8 s時，電池充電；0.8～1.4 s時，電池放電。

圖7 雙向直流變換器仿真結果

4 結束語

本文設計了一個雙向直流變換器，應用于太陽能發電系統中，控制電池充放電。雙向交流變換器的結構采用非隔離型結構，由于其架構簡單、易于控制，效率很高。仿真結果表明，此變換器可以自動控制電池在充電與放電模式中進行轉換。