直流光伏儲能系統(tǒng)控制策略研究

邵帥虎，尹飛洋，李海金

（安徽工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，合肥 243002）

引言

隨著傳統(tǒng)能源日益緊缺及國家“雙碳”戰(zhàn)略的提出，可再生能源技術(shù)特別是光伏發(fā)電發(fā)展迅速，但光伏發(fā)電裝置存在功率輸出間歇性、不可預(yù)測性、與用戶負(fù)荷的時間不匹配等缺點。直流微電網(wǎng)在沒有接入公共電網(wǎng)情況下，需要儲能電池來維持系統(tǒng)功率平衡。市面上的儲能器件可分為功率型和能量型兩大類。功率型器件相對于能量型器件的功率密度更大，響應(yīng)速度更快，但能量密度較小。其代表有超級電容、飛輪儲能和超導(dǎo)儲能等；能量型儲能器件的動態(tài)響應(yīng)能力差，循環(huán)次數(shù)有限，以電池儲能、氫儲能和壓縮空氣儲能較為常見。蓄電池憑借其能量密度高的特性，在儲能系統(tǒng)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。蓄電池與光伏電池結(jié)合使用[1]，能有效解決光伏電池產(chǎn)生的上述問題，但其也存在功率密度低、充放次數(shù)有限、壽命短等不足[2]。文獻(xiàn)[3]提出一種鋰離子電池充電策略，容易控制，結(jié)構(gòu)簡單，但均衡效率較低。文獻(xiàn)[4]提出一種通過混合儲能以達(dá)到系統(tǒng)中總線電壓穩(wěn)定效果的控制策略。文獻(xiàn)[5]通過蓄電池的SOC狀態(tài)對蓄電池進(jìn)行控制，完成蓄電池充放電，但并未考慮蓄電池停止工作后的備用電源。文獻(xiàn)[6]提出超級電容與蓄電池混合系統(tǒng)，使二者輸出功率得到合理分配，但極端氣候的出現(xiàn)，可能導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生較大波動，甚至斷電。

本文提出了一種以蓄電池為主，超級電容為輔的儲能系統(tǒng)。與蓄電池相比，超級電容具有相對長的壽命，高功率密度的特點[7]，將二者運(yùn)用在儲能系統(tǒng)中可達(dá)到互補(bǔ)的效果。通過對蓄電池SOC 控制，防止蓄電池出現(xiàn)“過充過放”。蓄電池和超級電容采用雙閉環(huán)控制，以保證母線側(cè)的電壓穩(wěn)定。將超級電容與蓄電池結(jié)合組成儲能電池組，在保證直流負(fù)載正常供給情況下，達(dá)到延長蓄電池使用年限的目的。

1 光伏直流儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由光伏電池組、DC-DC 變換電路（BOOST 電路）、控制器電路、雙向DC-DC 變換電路（半橋式雙向變換器）、儲能裝置（蓄電池、超級電容）、保護(hù)電路、直流負(fù)載組成，如圖1所示。光伏電池產(chǎn)生的直流電通過DC-DC電路升壓后，既可以向直流負(fù)載供電，也可以向儲能電池供電[8]。儲能系統(tǒng)也可以經(jīng)由雙向DC-DC 電路向負(fù)載側(cè)供電。當(dāng)光伏電池輸出功率大于負(fù)載功耗時，優(yōu)先供給直流負(fù)載，經(jīng)由雙向DC-DC 電路對儲能電池進(jìn)行充電。在光伏電池輸出功率不能滿足負(fù)載功耗時，由儲能系統(tǒng)和光伏電池共同供給負(fù)載。

圖1 光伏儲能發(fā)電系統(tǒng)

2 光伏電池控制方法

光伏電池工作時，內(nèi)電阻值隨著溫度和光照強(qiáng)度的變化在不斷變化，其工作原理可等效為一個電流大小變化的電流源串聯(lián)一個阻值大小變化的電阻Rs（光伏電池本身的電阻，阻值較小），與電阻Rsh、二極管并聯(lián)，如圖2 所示。調(diào)節(jié)外電路等效電阻阻值大小可以實現(xiàn)光伏電池的最大輸出功率，采用MPPT（電導(dǎo)增量法）算法控制DC-DC 電路（BOOST電路）[9]，用以控制外電路的阻值，完成最大功率點的追蹤[10]。

圖2 光伏電池工作等效圖

由基爾霍夫定律可得：

式中：Iph為光生電流，與電池所處溫度光照有關(guān)；q為電子電荷量；U，I分別為光伏電池輸出電壓、電流。A取值為1，K為玻爾茲曼常數(shù)，T為光伏電池?zé)崃W(xué)溫度。

3 雙向DC-DC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

作為光伏儲能系統(tǒng)中一個重要的單元[11,12]，功率變換器實現(xiàn)了儲能設(shè)施儲存和釋放能量的雙向性流動[13]。雙向DC-DC 變換器類似于一個充電器和放電器的結(jié)合體。雙向DC-DC 變換器主要分為隔離型和非隔離型兩種，蓄電池和超級電容沒有絕緣和隔離的需求[14]，本研究選用非隔離型半橋式雙向變換器實現(xiàn)光伏電池和儲能設(shè)備間的功率轉(zhuǎn)換，如圖（3）所示。該電路有兩種工作情況：

（1）當(dāng)Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷時。D2起續(xù)流作用，電路處于放電模式，此時電路為BOOST 電路。電路能量由電池流向直流母線。D為占空比。通過計算可得電感電流到輸出的傳遞函數(shù)：

控制信號到電感電流的傳遞函數(shù)：

（2）當(dāng)Q2導(dǎo)通，Q1關(guān)斷時。D1起續(xù)流作用，電路處于充電模式，此時電路為BUCK 電路。電路能量由直流母線流向電池。d為開關(guān)函數(shù)。通過計算得控制信號與電池側(cè)電壓傳遞函數(shù)為：

控制信號與電感電流間傳遞函數(shù)為：

圖3 半橋式雙向變換器

4 電池充放電控制策略

為了延長蓄電池的使用壽命，減少蓄電池的過充過放，對蓄電池的SOC[15,16]進(jìn)行控制。為了保證直流負(fù)載的穩(wěn)定輸出，加入超級電容器作為輔助電源。本研究采用以蓄電池為主，超級電容為輔的電池組。（1）當(dāng)0.1＜SOC＜0.98，由蓄電池進(jìn)行充放電工作。當(dāng)光伏發(fā)電功率不足以供給負(fù)載時，蓄電池補(bǔ)償負(fù)載需要的能量，進(jìn)入放電模式；當(dāng)光伏發(fā)電功率大于負(fù)載功率時，光伏電池供給負(fù)載且對蓄電池充電。（2）當(dāng)SOC≤0.1，如果光伏發(fā)電功率大于負(fù)載功率，光伏電池供給負(fù)載且對蓄電池充電；如果光伏發(fā)電功率小于負(fù)載功率，由超級電容補(bǔ)償負(fù)載。（3）當(dāng)SOC≥0.98，如果光伏發(fā)電功率大于負(fù)載功率，光伏電池供給負(fù)載且對超級電容充電；如果光伏發(fā)電功率小于負(fù)載功率，由蓄電池補(bǔ)償負(fù)載。如表1 示。為保證直流母線電壓穩(wěn)定，蓄電池和超級電容充放電都采用雙閉環(huán)控制。圖4為控制框圖。

圖4 雙閉環(huán)控制框圖

表1 不同SOC值對應(yīng)充放電方式

5 仿真模型搭建

使 用MATLAB/SΙMULΙNK 搭 建 整 體 仿 真 模型。蓄電池和超級電容的控制電路設(shè)置負(fù)載端電壓為48 V，負(fù)載電阻為6 Ω，蓄電池選用規(guī)格為24 V、50 Ah 的鋰離子電池。超級電容選用的規(guī)格為200 F、24 V。

6 仿真結(jié)果分析

6.1 MPPT仿真

調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度，在0 s～10 s 左右設(shè)置光照強(qiáng)度為100 W/m2，在10 s～20 s 設(shè)置光照強(qiáng)度為500 W/m2，在20 s～30 s 設(shè)置光照強(qiáng)度為1000 W/m2，得到不同光照強(qiáng)度下光伏電池的仿真輸出功率波形圖，如圖5 示。從圖5 可以得到在上述光照強(qiáng)度下光伏電池的最大輸出功率分別約為：100 W、560 W、1080 W。圖6為光伏電池自帶的最大功率（功率-電壓）曲線圖。圖8的功率-電壓波形圖中可以驗證光伏電池的最大輸出功率點與仿真得到的最大輸出功率點相符。

圖5 不同光照強(qiáng)度下的最大功率輸出

圖6 光伏電池的輸出功率-電壓曲線圖

6.2 雙閉環(huán)電路控制仿真

該系統(tǒng)絕大部分時間是在蓄電池運(yùn)行下工作的，設(shè)置蓄電池SOC 值為50%（處于10%到98%之間），此時儲能系統(tǒng)由蓄電池與母線側(cè)進(jìn)行能量交換。將不同時間下的光照強(qiáng)度分別設(shè)置為：200 W/m2、500 W/m2、800 W/m2、1000 W/m2、600 W/m2、300 W/m2，如圖7 所示。負(fù)載側(cè)的電壓如圖8 所示，在光照強(qiáng)度發(fā)生變化時，負(fù)載側(cè)電壓產(chǎn)生一個短暫的波動后穩(wěn)定在48 V。仿真驗證了雙閉環(huán)控制能有效穩(wěn)定負(fù)載側(cè)電壓。

圖7 不同時間下的光照強(qiáng)度

圖8 負(fù)載側(cè)的電壓波形

6.3 儲能系統(tǒng)充放電控制仿真

在光伏電池輸出功率大于負(fù)載側(cè)功耗情況下，光伏電池對儲能系統(tǒng)充電；系統(tǒng)在蓄電池SOC 不到98%時，優(yōu)先對蓄電池充電；系統(tǒng)在蓄電池SOC 達(dá)到98%后，為保護(hù)蓄電池，停止對蓄電池充電，轉(zhuǎn)而向超級電容充電。設(shè)置光照強(qiáng)度為1000 W/m2、蓄電池SOC 為97.8%，光伏電池輸出功率大于母線側(cè)負(fù)載功耗，系統(tǒng)開始對蓄電池充電，如圖9所示。在28 s 左右蓄電池SOC 至98%，如圖10 所示，此時儲能系統(tǒng)停止對蓄電池充電，開始對超級電容充電，超級電容的SOC值逐步攀升，如圖11所示。

圖9 充電時蓄電池的電流波形

圖10 蓄電池的SOC波形

圖11 超級電容的SOC波形

在光伏電池輸出功率小于負(fù)載側(cè)功耗情況下，儲能系統(tǒng)對負(fù)載側(cè)供電；系統(tǒng)在蓄電池SOC 大于10%時，優(yōu)先對負(fù)載側(cè)供電；系統(tǒng)在蓄電池SOC 達(dá)到10%后，為保護(hù)蓄電池，停止蓄電池供電，轉(zhuǎn)而由超級電容供電。設(shè)置光照強(qiáng)度為200 W/m2、蓄電池SOC 為10.1%，此時光伏電池輸出功率小于母線側(cè)負(fù)載功耗，儲能系統(tǒng)開始向負(fù)載側(cè)供電，如圖12 所示。在17 s 左右蓄電池SOC 至10%，如圖13 所示，蓄電池停止向負(fù)載側(cè)供電，開始由超級電容向負(fù)載側(cè)供電，超級電容的SOC 值逐步下降，如圖14所示。

圖12 放電時蓄電池的電流波形

圖13 蓄電池的SOC波形

圖14 超級電容的SOC波形

7 結(jié)論

光伏電池的輸出具有較大的不穩(wěn)定性和隨機(jī)性，為了維持負(fù)載端的電壓穩(wěn)定，本研究根據(jù)超級電容和蓄電池這兩者之間互補(bǔ)的特性，提出了一種以蓄電池為主，超級電容器為輔的儲能系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可以防止蓄電池出現(xiàn)過充、過放的狀態(tài)，也可以維持直流負(fù)載的電壓不變，達(dá)到保護(hù)蓄電池和保證穩(wěn)定輸出電壓的目的。通過MATLAB/SΙMULΙNK 仿真模型證明了提出的儲能電池控制策略的可行性。