基于電壓電流雙閉環(huán)控制策略的儲能供電系統(tǒng)仿真與實(shí)現(xiàn)

湖北民族大學(xué)信息工程學(xué)院 陳若奇 龍畫畫 鐘建偉

國網(wǎng)湖北省電力有限公司巴東縣供電公司 李正剛 程明亮

目前光伏發(fā)電不僅用于發(fā)電售賣，普通家庭之中應(yīng)用也十分廣泛。一般的家庭用電在負(fù)荷等級中排位最低，在用電高峰期易出現(xiàn)斷電情況。采用風(fēng)電的話，不是所有地區(qū)都合適，而光伏發(fā)電所需的光照幾乎是覆蓋全地區(qū)，通過光伏發(fā)電不僅可以解決斷電問題還可減輕所在地區(qū)電網(wǎng)的供電壓力，同時還可以節(jié)省電費(fèi)，可以說得上是一舉多得。居民用電高峰期多數(shù)為光伏發(fā)電低谷期，這就需要儲能設(shè)備來將光伏所發(fā)電能儲存下來以供居民用使用。本文首先介紹家庭光伏儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，然后介紹仿真模塊，重點(diǎn)是DC/DC（直流變直流）和DC/AC（直流變交流）變換器的仿真原理，最后通過MATLAB實(shí)現(xiàn)仿真來驗(yàn)證本系統(tǒng)的正確性。

1 系統(tǒng)介紹

家庭負(fù)荷的能量來源主要由兩部分組成，一個是電網(wǎng)經(jīng)變壓器直接供電，另一個是直流部分（光伏與蓄電池供電）經(jīng)DC/AC變換器轉(zhuǎn)換為交流供電。具體的供電策略為：當(dāng)光伏電池輸出功率大于家庭負(fù)荷時多余部分可以給蓄電池充電，當(dāng)家庭負(fù)荷過大時蓄電池給負(fù)荷供電，同時電網(wǎng)也能夠?qū)ω?fù)荷進(jìn)行供電，所以蓄電池與DC/AC變換器直流側(cè)之間的DC/DC變換器需要是雙向的，既能供電也能充電。家庭負(fù)荷也能從電網(wǎng)側(cè)取得電能，光伏供電是一種輔助措施，蓄電池可以看作為應(yīng)急措施，當(dāng)然在光伏功率足夠的時候是可以替代電網(wǎng)側(cè)供電的，這一點(diǎn)在后面會有仿真演示。

圖1 家庭光伏儲能供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 相關(guān)仿真模塊設(shè)計(jì)分析

本文使用MATLAB軟件對家庭光伏儲能供電系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，主要模塊可分為光伏電池模塊、DC/DC變換器與DC/AC變換器。

2.1 光伏電池模塊

光伏電池的建模主要是建立光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型，并將數(shù)學(xué)公式轉(zhuǎn)換為MATLAB中的模塊從而得出輸出，本文光伏電池模型的建立主要參考文獻(xiàn)[1]。圖2所示是光伏電池的標(biāo)準(zhǔn)模型，從中可以得 出 如下方程：Uj=U+IRS(1)，Ish=Uj/Rsh(2)， Id=I0{exp[q(U+IRs)/nkT]-1}(3)，I=Iph-Id-Ish(4)， 將等式(1)、(2)和(3)代入(4)得：I=Iph-I0{exp[q(U +IRs)/nkT]-1}-U+IRs/Rsh，其中I0=I0r[T/Tr]3exp[q Eg0/Bk(1/Tr-1/T)](5)，Iph=[Iscr+K1(T-25)]λ/1 000(6)，式中Iscr為額定T和λ下得短路電流；K1=0.0017A/oC；Eg0為硅的禁帶寬度；Ior為Tr下 的暗飽和電流；k為波爾茲曼常數(shù)；n為二極管特性 因子。

因?yàn)楸疚哪康氖悄M負(fù)荷變動狀況下光伏儲能系統(tǒng)的供電狀態(tài)，并不需要改變光伏電池輸入情況，所以光伏電池可以采用數(shù)學(xué)模型建立，本文為了方便設(shè)計(jì)只采用了一組數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，光伏電池采用的數(shù)據(jù)圖像如圖3所示。

圖2 光伏電池等效模型圖

圖3 光伏電池?cái)?shù)據(jù)圖

圖4 MPPT算法邏輯圖

2.2 Boost電路模塊

由圖3可知光伏電池存在一個最大輸出功率點(diǎn)，通過MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）算法，本文采用的MPPT算法為擾動法，即在初始狀態(tài)下給光伏電池一個擾動，這時光伏電池的輸出功率一定會發(fā)生改變，根據(jù)光伏電池的功率特性圖可知，若電壓減小、功率增大時，則需要減小電壓；若電壓增大、功率減小時，則需要減小電壓；若電壓增大、功率增大時，則需要增大電壓；若電壓減小、功率減小時，則需要增大電壓（圖4）。

2.3 雙向DC/DC變換器模塊

由于蓄電池需要充電與放電，所以它的DC/DC變換器需要雙向的（圖5），通過兩個IGBT晶閘管分別給兩個信號G1_B和G2_B來控制變換器電路功率流向。而具體的控制邏輯如圖6中所示，將實(shí)際直流電壓與目標(biāo)電壓相作差得出差值，將差值經(jīng)傳遞函數(shù)送入PID（比例積分微分）調(diào)節(jié)器，再經(jīng)傳遞函數(shù)與實(shí)際電流作差，再經(jīng)傳遞函數(shù)送至PID調(diào)節(jié)器然后送入PWM得出所需要的調(diào)制波，也就是上文所需的脈沖信號。

圖5 雙向DC/DC電路圖

圖6 雙向DC/DC變換器脈沖邏輯圖

2.4 雙向DC/AC變換器模塊

如圖7所示本文雙向DC/AC變換器采用的控制策略是電壓電流雙閉環(huán)控制閉環(huán)體現(xiàn)在Ugrid與Igrid上兩者都是IGBT全橋電路采集的信號，該電路輸出的脈沖信號也是提供給IGBT全橋電路使用，電路圖如圖8所示單相逆變電路。

圖7 雙向DC/AC變換器邏輯圖

圖8 DC/AC變換器電路圖

2.5 負(fù)載模塊

由于本文需要改變負(fù)荷情況來觀測光伏儲能系統(tǒng)供電情況，所以在負(fù)荷與電網(wǎng)連接之間加入switch模塊，通過信號Load_SW2來控制其打開或者關(guān)斷，負(fù)載總共由兩個圖9模塊組成，通過控制兩個模塊的switch模塊通斷來控制投入負(fù)載數(shù)，以此達(dá)到研究目的。

圖9 負(fù)載模塊圖

圖10 家庭光伏儲能系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)上文所描述各個模塊在Simulink中建立的家庭光伏儲能供電系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖如圖10所示，構(gòu)成模塊有蓄電池模塊、光伏電池模塊、電網(wǎng)模塊、雙向DC/DC變換器模塊、雙向DC/AC模塊、Boost模塊、變壓器模塊以及負(fù)載模塊。光伏電池仿真用數(shù)據(jù)表見表1。

表1 光伏電池仿真用數(shù)據(jù)表

由圖11中可見，MPPT算法使得光伏電池在0.05秒內(nèi)就達(dá)到最大功率點(diǎn)即Boost模塊效果已達(dá)到。從圖中可以看出光伏電池最大功率輸出在5000W左右。

圖11 光伏電池輸出功率圖

從圖12中可看出蓄電池在2秒到3秒內(nèi)在充電，3秒到3.5秒內(nèi)在放電，3.5秒至4秒在充電，同時觀察負(fù)荷在這些時間端的變化見圖13，從圖中可看出，在2秒至2.5時負(fù)荷未投入光伏電池給蓄電池充電，蓄電池SOC上升可以看出在2秒至2.5時負(fù)荷未投入光伏電池給蓄電池充電，蓄電池SOC上升；2.5秒至3秒時負(fù)載1投入使用，光伏輸出用于供給負(fù)載，供給蓄電池充電的功率減小，SOC上升速度減緩；3秒至3.5秒時負(fù)載2也投入使用，本文所設(shè)置的負(fù)載單個為3000W，所以兩個一起投入時為6000W、大于上文所說光伏電池的最大輸出功率5000W，此時需要蓄電池加以供電，蓄電池SOC開始下降；3.5秒后負(fù)載退出，光伏輸出功率再次供給蓄電池，蓄電池的SOC上升速度與2秒至2.5秒相同。

圖12 蓄電池SOC圖

圖13 負(fù)載投入時間圖

圖14 電網(wǎng)、蓄電池投入時間圖

上述模擬情況是電網(wǎng)斷電時，光伏儲能系統(tǒng)對家庭負(fù)荷進(jìn)行供電，為達(dá)此目的使得電網(wǎng)退出2秒。如圖14中所示在2秒至4時電網(wǎng)退出，蓄電池投入工作。

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種給家庭負(fù)荷供電的光伏儲能系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在電網(wǎng)無法滿足供電要求時光伏儲能系統(tǒng)滿足供電需求，并能實(shí)現(xiàn)“去峰填谷”功能，在光伏電池輸出功率有余時給蓄電池充電，在光伏電池輸出小于負(fù)荷時存儲電能得蓄電池能夠供電，幫助系統(tǒng)維持穩(wěn)定。該系統(tǒng)在光伏電池工作良好的狀態(tài)下可以減少家庭電費(fèi)支出，并且蓄電池的投入可以提高家庭用電的可靠性，運(yùn)行結(jié)果滿足要求。仿真結(jié)果表明，該模型可滿足基本的家庭負(fù)荷供電使用，若有其他特殊要求，可在此基礎(chǔ)上增加其他器件以豐富功能，達(dá)到更高的要求，或者供其他情況使用。