獨立光伏發電混合儲能系統功率轉換控制研究

閆曉金

（北華航天工業學院 研究生教學部， 河北 廊坊 065000）

0 引言

由于光伏發電系統具有波動性、 間歇性和隨機性，須要配備儲能裝置來維持負載的可靠供電。蓄電池能量密度較大，但其功率密度相對較低，難以滿足短時大功率負載需求， 且經常輸入輸出較大功率會大大降低其使用壽命。 超級電容以其優越的功率密度、 電流充放電大等特點而應用于儲能系統中，但超級電容的能量密度較小，難以維持負載長時間工作。 將超級電容和蓄電池構成混合儲能系統（Hybrid Energy Storage System， HESS），可以充分發揮二者的優勢，形成互補[1]～[4]。 在新能源分布式發電系統中， 已廣泛采用混合儲能來提升儲能裝置的性能。然而，為更好發揮混合儲能的優勢，常常需要有合理的功率控制策略[5]。

本文將蓄電池和超級電容混合使用作為獨立光伏發電的儲能裝置。 為滿足獨立光伏發電系統的實際需求和發揮蓄電池與超級電容的優勢互補， 研究了獨立光伏發電混合儲能系統的功率轉換控制策略。

1 系統構成與容量配置

1.1 系統構成

超級電容與蓄電池混合儲能式獨立光伏發電系統結構如圖1 所示。

圖1 混合儲能的光伏發電系統結構圖Fig.1 Structure of PV power system with hybrid energy storage

光伏電池組經最大功率跟蹤（Maximum Power Point Tracking， MPPT）變換器后，與直流母線相聯， 超級電容和蓄電池分別經可升降壓雙向DC/DC 變換器接入直流母線，實現蓄電池與超級電容之間的功率轉換獨立可控。 當光伏電池和混合儲能系統供能不足時，在開關S 處接入市電，保證負載正常工作， 并切斷負載與直流母線之間的連接。 當光伏電池輸出功率遠大于混合儲能系統及負載消耗功率之和時， 系統要控制最大功率點跟蹤變換器的工作模式，降低輸出功率[6]。 為實現超級電容和蓄電池的優勢特性互補， 制定混合儲能系統的功率轉換原則： 當光伏電池輸出功率突變或者負載需要瞬時高功率時， 先由超級電容吸收或釋放功率，發揮其功率密度大、充放電速度快等特點；當超級電容能量達到上限值或不足時，接入蓄電池，避免蓄電池受到短時大電流沖擊。

1.2 參數設置

設定負載額定功率為200 W， 負載電壓48 V，每天工作至少10 h，能保證連續陰雨5 d 情況下正常工作。 峰值日照時數約為2.424 h，則負載日耗電容量WL為

假設兩個陰雨天氣之間的設計最短天數為20 d，光伏組件系統的綜合損耗系數為1.05，蓄電池的充電效率為0.85。 若選用的光伏電池組工作電壓為35 V， 則所需光伏電池組的總電流IPV，最小總功率PPV分別為

以廊坊地區為例， 連續陰雨天氣的間隔遠小于20 d，可以選擇1 000 W 的光伏電池組。

蓄電池容量WP為

本文系統具有20%的裕量， 蓄電池選擇48 V/200 A·H，最大充電電壓為57.6 V，最小放電電壓為44 V。 設沖擊功率為200 W，則超級電容容量為

式中：t 為支撐時間，取30 s；VO為正常工作電壓，32.4 V；Vf為放電終止電壓22 V。 根據計算，再保留有一定裕量后，采用12 只超級電容（2.7 V 300 F）串聯，總容量為25 F。

2 功率轉換控制

2.1 光伏輸出功率控制

光伏電池的最大功率追蹤采用爬山法控制Boost 變換器的占空比實現[7]。當蓄電池充電時，為避免蓄電池過充， 光伏電池輸出Boost 變換器工作于恒壓模式， 并根據負載功率變化切換恒壓和最大功率跟蹤模式。

2.2 混合儲能功率分配策略

獨立光伏發電系統穩定運行的核心在于儲能裝置， 在光伏發電輸出功率和負載消耗功率不斷變化的情況下， 合理控制超級電容和蓄電池的充放電功率轉換是保證系統功率平衡的關鍵。 利用儲能系統吸收或釋放光伏電池輸出與負載消耗的功率差，控制直流母線電壓UDC的穩定，當直流母線電壓穩定在額定范圍內， 且忽略系統損耗的情況下， 獨立光伏發電系統的功率處于動態平衡狀態，其表達式為[8]

式中：Pstorage為混合儲能的總功率；PB為蓄電池的充放電功率；PC超級電容的充放電功率；PPV為光伏輸出功率；PL為負載消耗的功率。

通過檢測光伏電池的輸出功率PPV和負載消耗功率PL， 可得混合系統吸收或釋放的總功率Pstorage，其通過低通濾波（Low Pass Filter， LPF）后得出PB和PC，進而得到超級電容和蓄電池的充放電電流參考值IC-ref和IB-ref[8]，[9]，其控制框圖如圖2所示。

圖2 儲能系統功率分配控制框圖Fig.2 Block diagram of energy storage system power allocation

當已知蓄電池端電壓VB、超級電容端電壓VC和光伏電池輸出電流IPV時， 即可通過控制雙向DC/DC 變換器電流的方向，實現對蓄電池功率PB和超級電容功率PC的控制[10]。 根據控制直流母線電壓穩定，可使功率平衡，蓄電池采用電壓、電流雙閉環控制，超級電容采用恒流控制，控制框圖如圖3 所示。

圖3 蓄電池和超級電容控制框圖Fig.3 Control strategy of battery and ultra capacitor

由于超級電容器能量密度低， 且主要平抑系統功率波動，很容易使超級電容荷電狀態（State of Charge，SOC）過高或過低。因此，須要釆用SOC 模糊控制策略調節優化蓄電池和超級電容荷電狀態， 并根據荷電狀態調整蓄電池和超級電容的功率分配，最終實現最優化控制。

2.3 模糊控制策略

為保護蓄電池與超級電容的使用安全， 限定蓄電池荷電狀態SOCB和超級電容荷電狀態SOCC的范圍， 盡可能控制二者不工作于完全充滿電或完全放完電狀態。 限定超級電容荷電狀態SOCC在0.2～0.9 為正常， 低于0.2 為低容量， 高于0.9為高容量；蓄電池的荷電狀態SOCB在0.3～0.9 為正常，低于0.3 為低容量，高于0.9 為高容量。輸入量ΔSOCC與ΔSOCB分別為超級電容和蓄電池的實時荷電狀態與最佳荷電狀態參考值之差， 對應的的模糊集均設置為{NB，NS，ZO，PS，PB}，代表{負大、負小、零、正小、正大}。 輸出量KP為調節功率ΔP 的比例系數，對應的模糊集為{NB，NS，ZO，PS，PB}，代表{負大、負小、零、正小、正大}。 調節功率ΔP 的值為混合儲能系統的額定功率與比例系數KP的乘積。

根據荷電狀態限定范圍、 控制目標和控制經驗，制定的模糊控制規則如表1 所示。ΔSOCB小于ΔSOCC時，KP為負值， 調節功率從超級電容轉移到蓄電池；反之，KP為正值，調節功率從蓄電池轉移到超級電容。

表1 模糊控制規則表Table 1 Fuzzy control rule

由表1 形成的模糊控制輸入輸出關系如圖4所示。模糊控制輸出采用重心法進行解模糊，得到混合儲能系統功率的調節系數KP。

圖4 模糊控制輸入輸出關系圖Fig.4 Output and input relation of fuzzy controller

2.4 工作模態

為使超級電容和蓄電池能在不同工況下都能及時響應， 要根據不同時刻超級電容和蓄電池的荷電狀態分別采用不同的功率轉換控制策略。 儲能系統在充放電階段的基本工作模態主要有以下9 種，其對應的能量轉換關系如圖5 所示。

圖5 儲能系統充放電階段能量轉換Fig.5 Charging and discharging stage of energy storage system

①充電階段（ΔPstorage>0），光伏輸出功率大于負載消耗功率。

模態1：SOCC≤0.2 且SOCB≤0.3，超級電容和蓄電池荷電狀態均為低容量，當光伏電池能輸出功率時， 超級電容和蓄電池均工作于充電狀態，且均以高倍率吸收功率。

模態2：0.2

模態3：0.2

模態4：0.9≤SOCC且0.3

模態5：0.9≤SOCC且0.9≤SOCB，超級電容和蓄電池荷電狀態均為高容量，控制光伏電池輸出Boost 變換器從MPPT 轉為恒壓模式， 使PPV

②放電階段（ΔPstorage<0），光伏輸出功率小于負載消耗功率，或光伏電池沒有輸出。

模態6：0.9≤SOCC，且0.3

模態7：0.2

模態8：SOCC≤0.2，且0.3

模態9：SOCC≤0.2，且SOCB≤0.3，超級電容和蓄電池荷電狀態均為低容量， 儲能系統遭遇了如連續多日陰雨天氣等極其惡劣的環境， 光伏電池組沒有輸出，儲能系統為維持負載需要，已經深度放電。 控制開關S 須切斷儲能系統與負載的連接，并接入市電維持負載正常工作。混合儲能系統則等待光伏電池輸出重新給其充電， 轉換到儲能系統在充電階段的相應模態。

3 算例分析

為驗證本文基于SOC 模糊控制的功率分配策略的有效性和可行性，在Matlab/Simulink 中搭建了獨立光伏發電混合儲能系統模型。 利用S 函數等設計了功率分配、模糊控制等模塊，分別模擬系統在不同工況下， 混合儲能系統中超級電容和蓄電池的功率轉換與控制。

3.1 MPPT 仿真

當超級電容和蓄電池的荷電狀態均處于正常區間，通過功率分配控制策略，高頻功率由超級電容釋放或吸收，低頻功率由蓄電池釋放或吸收。在光照強度由800 W/m2變化至1 000 W/m2，再降至800 W/m2時，光伏輸出MPPT 控制仿真效果如圖6 所示。 當光照強度變化時，MPPT 控制可以快速響應，并跟蹤光伏最大輸出功率。

圖6 光伏電池最大功率輸出理論值與實際值仿真結果Fig.6 MPPT simulation results of photovoltaic cells

3.2 功率轉換控制仿真

負載功率突變減小和光照強度增加時， 為了保持直流母線電壓穩定， 超級電容率先吸收突變功率，蓄電池僅吸收較小功率；同理，在負載功率突變增大和光照強度減弱時， 超級電容率先釋放所需突變功率，蓄電池僅釋放較小功率。

在t=5 s 時，設置負載功率突變減半，光伏電池輸出功率保持原值， 光伏電池輸出功率PPV和負載消耗功率PL的差值變大，混合儲能系統吸收剩余的功率， 超級電容先吸收較大功率。 為使其SOC 容量保持正常區間，超級電容在t=7 s 時停止充電，剩余低頻功率由蓄電池吸收。此時混合儲能系統中超級電容和蓄電池的電流變化仿真結果如圖7 所示。光伏電池輸出功率突增，負載功率保持原值，其原理與負載功率突減，光伏電池輸出功率保持原值的情況一致，仿真結果相似。

圖7 負載功率減半時混合儲能系統功率分配Fig.7 Power distribution of HESS with load power mutation

在t=5 s 時， 設置光照強度1 000 W/m2降至800 W/m2，光伏電池輸出功率減小，保持負載功率不變， 光伏電池輸出功率PPV和負載消耗功率PL的差值變小， 混合儲能系統釋放功率以維持負載功率需求，超級電容先釋放較大瞬時功率。 同樣，為保證其SOC 容量在正常區間，超級電容在t=6 s時停止放電，其余所需功率由蓄電池釋放。此時混合儲能系統中的超級電容和蓄電池的電流變化仿真結果如圖8 所示。光伏電池輸出功率保持不變，負載功率突增， 其仿真結果與光伏電池輸出功率減小，保持負載功率不變的結果相似。

圖8 光照強度減弱時混合儲能系統功率分配Fig.8 Power distribution of HESS with light intensity reduced

負載功率突然增加時， 蓄電池和超級電容的SOC 變化曲線如圖9 所示。

圖9 負載功率增加時混合儲能SOC 變化Fig.9 HESS SOC change with increasing load power

由圖9 可知，功率突增，超級電容快速響應開始大倍率放電，蓄電池僅以較小倍率放電。當超級電容SOC 從初始的70%下降到仿真設定的下限值時，停止放電；之后，由蓄電池給超級電容補充能量， 使超級電容的SOC 能保持在正常區間，以便能快速平抑系統功率的再次突變。 由于蓄電池容量較大，在短時間內SOC 變化很小，放電速率也基本保持直線狀態。

在負載功率突然增加， 采用超級電容與蓄電池混合儲能和僅采用蓄電池儲能的直流母線電壓波形仿真，如圖10 所示。由于混合儲能系統作用，直流母線電壓值基本保持不變， 僅在功率突增點有極小的波動，隨后立即恢復，保證了系統的穩定性。僅采用蓄電池儲能時，母線電壓在功率突增點有較大波動，對系統功率平衡影響較大。

圖10 負載功率增加時直流母線電壓波形對比Fig.10 DC bus voltage with increasing load power

4 結論

在獨立光伏發電儲能系統中， 引入超級電容可以彌補蓄電池的缺陷， 減少由于光伏發電的易變性和負載突變帶來的不穩定， 避免了蓄電池工作于小循環充放電、過充、過放等不利情況。 由仿真結果可知， 采用本文所設計的功率分配和基于SOC 的模糊控制策略，可以更合理分配混合儲能系統的功率，使超級電容吸收或釋放高頻功率，蓄電池主要吸收或釋放低頻功率成分， 平抑光伏輸出和負載突變產生的瞬時電流， 穩定系統母線電壓，優化蓄電池的充放電狀態。通過蓄電池和超級電容SOC 模糊控制，以及設置的荷電狀態上下限閾值，可以更好優化系統工況和保護蓄電池。