獨立光伏發電系統能量管理研究

雷鵬娟，劉云林，陳健升

(承德石油高等專科學校 電氣與電子工程系，河北 承德 067000)

煤、石油、天然氣和化石燃料的迅速消耗，使得環境問題和能源危機日益加劇，近年來，世界各國都在開發各種各樣的新能源，光伏發電以其無污染、可再生、儲量大等優勢得到了廣泛的應用[1-3]。但光伏發電具有不穩定性，為了使負載得到持續穩定的供電，對光伏系統的能量管理研究顯得至關重要。對于獨立光伏系統的能量管理方案，許多學者也進行了深入研究。但集中研究的主要是以蓄電池作為儲能裝置，超級電容和蓄電池混合儲能方案研究的較少。文獻[4]在2009年提出了由光伏電池、蓄電池、單向DC-DC變換器和雙向DC-DC變換器組成的獨立光伏系統結構框圖，并對系統的能量管理方案進行了研究。文獻[5]和[6]中，Yan Jia等人提出的能量管理方案是以超級電容作為能量的緩沖單元，超級電容通過一個雙向DC-DC變換器與發電單元連接起來，以此提高超級電容的儲能利用率。文獻[7]提出了一種無源式并聯儲能方案，該方案指出：通過合理的配置超級電容容量，可以減少由于光伏輸出功率不穩定所導致的蓄電池充放電循環次數，而且通過實驗驗證了獨立光伏系統中，蓄電池的充放電比較平滑。首先分析了光伏電池、超級電容和蓄電池的特性，建立了相應的簡化模型，接著采用擾動觀察法實現了光伏電池MPPT控制，并分析了系統中不同的能流模式，設計了蓄電池、超級電容充放電控制電路，最后進行了仿真實驗分析，仿真和實驗結果驗證了采取控制策略的正確性和可行性。

1 各微源特性及控制策略

1.1 光伏電池特性分析

光伏電池是一種具有光—電轉換特性的半導體器件，是光伏發電的最基本單元。其輸出功率會受到諸如光照、環境溫度等外界因素的影響而不穩定。在建立仿真模型時，一般取Sref=1 000 W/m2，Tref=25 ℃分別作為電池標準參考的光照強度和表面溫度。圖1為光伏電池在不同光照強度和溫度下的特性曲線。

為了最大限度地利用太陽能，需要光伏電池工作在MPPT模式下，通過對幾種常見的MPPT控制方式比較，采用擾動觀察法實現光伏電池的MPPT控制。圖2為將光伏電池板經過串并聯(5*2的方式)之后輸出的功率波形。其中P1與P分別為光伏電池直接輸出功率和經過Boost電路變換后的輸出功率。

1.2 超級電容和蓄電池特性及等效模型

超級電容器(Super Capacitor，簡稱SC)的模型不僅在其儲能研究方面有重要的作用，同時在其模塊的優化設計、儲能系統效率等方面都意義重大。超級電容器是一種具有超級儲能能力，并且可以提供強大脈沖功率的電源，是一種介于傳統電容器和蓄電池之間的新型儲能裝置。較普通電容來說，具有循環壽命長、充放電速率快、功率密度大和電壓記憶等明顯優點。

蓄電池也是離網發電的主要儲能環節，其端電壓及荷電狀態(SOC)對新能源電源的發電規劃和經濟平衡具有很大影響。相對于超級電容來講，蓄電池具有能量密度高和充放電過程中電壓平穩等優點，但是循環壽命短、會帶來環境污染、判斷充電狀態(SOC)困難、維護量較大等缺點制約了光伏系統的大規模發展[8]。為便于光伏發電系統的規劃和運行，采取超級電容和蓄電池協調儲能，且當母線電壓波動時保持超級電容優先充電優先放電的充放電方式。建立的蓄電池和超級電容模型如圖3所示。其中，蓄電池模型由一個電池E0(其電壓為E0)及其等效內阻r與電容C串聯而成，Vo是電池的端電壓，Io為電池的充放電電流；超級電容模型中C為理想電容，ESR為等效串聯電阻，代表由于電容器內部發熱產生的功率，對電容的充放電過程影響較大，EPR為等效并聯電阻，也稱漏電電阻。

1.3 充放電控制電路

獨立光伏系統中，蓄電池和超級電容均具有充電和放電兩種工作狀態，所以要求控制變換器的能量既可以從輸入端流向輸出端，也可從輸出端流向輸入端，即電流可以在變換器的輸入輸出間雙向流動。使Buck、Boost等PWM DC-DC變換器電路具有這樣的功能，最簡單的方法就是在原電路的二極管兩端反并聯一只開關管，在開關管兩端反并聯一只二極管[9]，組成的電路中，開關管S和S1按互補的方式工作。綜合比較分析，本文采用雙向半橋Buck-Boost變換器實現儲能裝置與光伏電池輸出端之間的能量流動。當為蓄電池和超級電容進行充電時，Buck-Boost變換器體現為Buck工作模式；當儲能裝置放電時，體現為Boost工作模式。圖4為本文采用的充放電控制電路。其中，Vi為母線側(即光伏電池MPPT輸出端)電壓，V0為儲能裝置(即超級電容和蓄電池)的電壓，開關管Q1、二極管D2與L一起組成Buck電路，開關管Q2、二極管D1與L則一起組成Boost電路，通過對Q1、Q2開關管占空比的控制實現能量的雙向流動。對于雙向DC-DC電路，直流母線側均為高壓側，儲能裝置側為低壓側。

2 能量管理控制策略

研究的獨立光伏發電系統為一個直流供電系統，光伏電池為發電單元，超級電容和蓄電池為儲能單元。由于直流系統中母線(即光伏電池輸出端)電壓是衡量系統內功率平衡及系統穩定情況的唯一指標，所以為了維持系統的可靠穩定運行，控制母線電壓并使其穩定在一定范圍內顯得至關重要。母線電壓的穩定主要是通過對Boost電路及雙向Buck-Boost變換器的控制實現的。通過對光伏電池、超級電容和蓄電池輸出電壓和電流(Vpv、Ipv、VSC、ISC、VBat、IBat)的檢測，將系統劃分為7種工作模式，如表1所示。

在獨立光伏系統中，光伏電池有MPPT和恒壓運行兩種工作模式，超級電容和蓄電池有充電和放電兩種模式。光伏電池的當前工作狀態取決于儲能裝置的狀態：當儲能裝置未充滿時，光伏電池工作在MPPT模式，當儲能裝置充滿時，光伏電池退出MPPT轉為恒壓控制模式。圖5為光伏電池恒壓控制框圖，圖6和圖7分別為超級電容和蓄電池充放電控制框圖。

3 仿真和實驗分析

3.1 超級電容和蓄電池充放電過程仿真

仿真過程中，光伏電池輸出功率為590 W，設置的直流母線穩定電壓為80 V，超級電容和蓄電池的過充電壓分別為71.5 V和73 V，采取的控制策略為當母線電壓發生波動時，超級電容優先充電和優先放電。蓄電池和超級電容充電過程中，由于光伏輸出能量或負載突變導致直流母線電壓下降，超級電容首先開啟放電過程，維持母線電壓的穩定。當蓄電池放電過程中，切除部分負載，母線電壓發生變化時，蓄電池停止放電，超級電容重新進入充電狀態。仿真結果如圖8所示。

3.2 光伏電池MPPT-恒壓過程仿真

獨立光伏系統中，光伏電池有MPPT和恒壓工作兩種模式。光伏電池工作在MPPT模式時，輸出的能量一部分為負載提供，另一部分則用于為超級電容和蓄電池充電；當儲能裝置處于滿充狀態時，光伏電池退出MPPT轉為恒壓控制模式。圖9所示為相應的仿真結果。

表1 系統的工作模式

3.3 超級電容和蓄電池充放電過程實驗

在進行超級電容充放電實驗中，期望穩定的母線電壓為100 V，光伏電池采用直流源進行模擬，其輸出電流為3 A，負載電阻為65，所需功率為150 W。當直流源(即光伏電池)輸出功率增加或減小時，超級電容首先開啟充電放電過程，維持母線側電壓穩定。圖10所示為超級電容由于電源側擾動引起的充放電波形圖。

當超級電容充滿，光伏輸出功率仍大于負載所需功率時，蓄電池開啟充電過程，以此維持母線電壓穩定。反之，若超級電容放電完成，光伏輸出仍不能滿足負載所需功率時，蓄電池開啟放電過程。圖11所示為蓄電池充放電波形圖。

以上的仿真和實驗結果顯示出：光伏電池、超級電容和蓄電池協調工作，可以使直流母線維持在設定的期望值，驗證了采取的能量管理控制策略的正確性。

4 結論

針對獨立光伏系統中不同的能流模式進行了仿真和實驗分析，結果顯示，通過超級電容和蓄電池的充放電協調工作，直流母線電壓可以保持在設定的期望值。當電源端或者負載側發生擾動時，超級電容優先開始工作，維持負載所需能量。此外，當蓄電池和超級電容充滿時，為了確保電壓穩定，應當使光伏電池退出MPPT轉為恒壓工作。結果驗證了所采取控制策略的正確性和可行性。