基于雙向變換器的光伏儲(chǔ)能控制策略研究

李鑫，解璞

（軍械工程學(xué)院車(chē)輛與電氣工程系，河北 石家莊 050003）

基于雙向變換器的光伏儲(chǔ)能控制策略研究

李鑫*，解璞

（軍械工程學(xué)院車(chē)輛與電氣工程系，河北 石家莊 050003）

獨(dú)立光伏系統(tǒng)中，儲(chǔ)能環(huán)節(jié)起到平衡功率、穩(wěn)定系統(tǒng)的關(guān)鍵作用，而合理的控制策略能將儲(chǔ)能系統(tǒng)與光伏陣列有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，雙向 DC/DC 變換器正是完成此目標(biāo)的橋梁。本文在對(duì)已有的雙向 DC/DC 變換器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出了一種兼顧電池電性能與系統(tǒng)穩(wěn)定性的儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略。在 Matlab 仿真環(huán)境下搭建了帶有雙向 DC/DC 變換器的獨(dú)立光伏系統(tǒng)模型，并對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作情況進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與儲(chǔ)能控制策略的合理性。

獨(dú)立光伏；蓄電池；雙向 DC/DC變換器；儲(chǔ)能系統(tǒng)；光伏陣列；控制策略；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

0 引言

隨著世界能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)重，能源和環(huán)境成為二十一世紀(jì)人類(lèi)所面臨的重大課題。太陽(yáng)能發(fā)電具有資源豐富、安全可靠、清潔無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今最具發(fā)展前景的發(fā)電技術(shù)之一。在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)、高山高原、邊防海島上，光伏發(fā)電成為了最有效、最實(shí)用的能量來(lái)源。光伏發(fā)電具有波動(dòng)大、功率低、受天氣影響大的特點(diǎn)，因此需要在系統(tǒng)中配置一定容量的儲(chǔ)能裝置，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出穩(wěn)定和高效的目標(biāo)。

雙向 DC-DC 變換器在保持變換器兩端直流電壓極性不變的前提下，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在兩象限之間運(yùn)行，即可實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。帶有雙向 DCDC 變換器的儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠?qū)Κ?dú)立運(yùn)行的光伏系統(tǒng)起到能量調(diào)節(jié)的作用。近年來(lái)，隨著光伏技術(shù)的推廣，對(duì) DC-DC 變換器的研究也越來(lái)越深刻。文獻(xiàn) [1] 提出了一種基于互補(bǔ) PWM 小信號(hào)模型，對(duì)蓄電池采用單電流環(huán)的控制方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出功率波動(dòng)的平抑，但是并未考慮蓄電池的荷電狀態(tài)（SOC），在實(shí)際工程實(shí)踐中，不能保證蓄電池的安全和系統(tǒng)的穩(wěn)定。文獻(xiàn) [2] 提出了一種新型的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)兩個(gè) DC-DC 變換器實(shí)現(xiàn)了高低電壓間的隔離，然而在蓄電池的控制策略之中，未考慮到光伏發(fā)電的不穩(wěn)定可能給母線電壓帶來(lái)的波動(dòng)。

基于此，本文針對(duì)獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)，提出一種基于雙向 DC-DC 變換器的儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略，并搭建了仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行驗(yàn)證。

1 雙向 DC-DC 變換器概述

在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池是一個(gè)重要的組成部分，起著至關(guān)重要的作用：在有光照情況下，既能補(bǔ)充太陽(yáng)能供應(yīng)的不足，又能儲(chǔ)存多余的太陽(yáng)能；在無(wú)光照的情況下，它是負(fù)載的唯一能源。圖 1 為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，通過(guò)雙向 DC-DC 變換器實(shí)現(xiàn)能量在光伏電池與蓄電池之間的雙向流動(dòng)，使輸出的電能能夠達(dá)到負(fù)載的使用要求。

圖1 獨(dú)立光伏系統(tǒng)運(yùn)行原理圖

常用的雙向 DC-DC 變換器主要有雙向升降型（Boost/Buck）和變壓器隔離型全橋變換等主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，其中變壓器隔離型由于本身開(kāi)關(guān)管數(shù)量較多，效率相對(duì)較低，一般應(yīng)用在大功率系統(tǒng)中[3]。在獨(dú)立光伏系統(tǒng)中，蓄電池接在低壓端，并不需要隔離，因此本系統(tǒng)采用了 Boost/Buck 變換器，它將傳統(tǒng)的 Buck 變換器的續(xù)流二極管換成了雙向開(kāi)關(guān)管。Buck/Boost 變換器電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 2 所示，該電路有兩個(gè)運(yùn)行狀態(tài)：

(1) 當(dāng) T2 一直截止，控制 T1 的通斷，開(kāi)關(guān)管T2 的反并二極管用于續(xù)流，此時(shí)DC/DC 變換器電路等效為單向 Buck 變換器，雙向變換器控制能量由直流母線流向蓄電池，蓄電池處于充電狀態(tài)。

(2) 當(dāng) T1 一直截止，控制 T2 的通斷，開(kāi)關(guān)管T1 的反并二極管用于續(xù)流，此時(shí) DC/DC 變換器電路等效為單向 Boost 變換器，雙向變換器控制能量由蓄電池流向直流母線，蓄電池處于放電狀態(tài)。

圖2 Boost/Buck 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 蓄電池充放電控制策略

由于蓄電池充放電的時(shí)間、速度和程度等都會(huì)對(duì)蓄電池的電性能、充電效率和使用壽命產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，因此在對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電時(shí)，必須遵循以下原則[4]：① 盡量避免蓄電池充電過(guò)量或充電不足；② 盡量避免深度放電；③ 盡可能對(duì)放電電流值加以控制。因此，根據(jù)系統(tǒng)特性選擇適當(dāng)?shù)目刂撇呗允欠浅Ｓ斜匾摹?/p>

在本文中，所研究的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)是以直流母線為基礎(chǔ)的，母線的電壓水平直接反映了系統(tǒng)供電能力，雙向 DC-DC 變換器的控制目標(biāo)是將太陽(yáng)能電池組件的寬范圍直流輸出電壓變換為負(fù)載所需要的直流母線電壓。因此，如圖 3 所示，控制策略概述如下：

(1) 當(dāng)太陽(yáng)能輸出功率大于負(fù)載功率時(shí)，雙向變換器工作在 Buck 模式，蓄電池進(jìn)入充電狀態(tài)，將多余的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)。在蓄電池荷電狀態(tài)SOC<80 % 時(shí)選擇恒流充電模式，當(dāng) SOC≥80 % 時(shí)選擇恒壓充電模式，以兼顧蓄電池的電性能和充電效率。

(2) 當(dāng)太陽(yáng)能輸出功率小于負(fù)載功率時(shí)，雙向變換器工作在 Boost 模式，蓄電池進(jìn)入放電狀態(tài)，補(bǔ)償負(fù)載所需要的能量。放電模式選擇恒壓放電，以維持母線電壓平衡。

圖3 蓄電池充放電控制策略流程圖

3 仿真實(shí)驗(yàn)分析

使用 Matlab/Simulink 搭建了如圖 4 所示的仿真模型[5]。其中，光伏模塊與蓄電池模塊均為簡(jiǎn)化模型，設(shè)定母線電壓正常工作區(qū)間為 380～400 V，蓄電池初始 SOC 為 40 %，額定電壓 300 V。采用PI 控制模塊，首先通過(guò)負(fù)載側(cè)功率與光伏輸出功率的差值產(chǎn)生控制 DC-DC 變換器工作模式的信號(hào)，決定蓄電池的工作狀態(tài)，然后通過(guò)蓄電池 SOC 和電壓電流值與參考值的比較決定相應(yīng)的充電模式。

圖4 獨(dú)立光伏系統(tǒng)儲(chǔ)能環(huán)節(jié)仿真模型

如圖 5 所示，a 點(diǎn)為 SOC=80 % 的時(shí)刻，而b 點(diǎn)為 SOC 接近100 % 的時(shí)刻（蓄電池的電壓為324 V），在 0—a 時(shí)刻以恒流 40 A 充電，蓄電池電壓逐漸上升，在 a 時(shí)刻 SOC 達(dá)到 80 %，此時(shí)蓄電池的電壓為 320 V，轉(zhuǎn)換到恒壓充電，充電電壓為330.4 V，蓄電池電壓繼續(xù)上升，充電電流下降，當(dāng)蓄電池電壓到達(dá) 324 V 時(shí)，充電電流很微弱，此時(shí)電池處于接近充滿狀態(tài)，然后進(jìn)行浮充電，浮充電壓為 325.2 V。整個(gè)充電過(guò)程中既保證了蓄電池的快速充電，同時(shí)也能防止過(guò)流、過(guò)充對(duì)蓄電池造成損害。仿真驗(yàn)證了充電策略的正確性。

圖5 充電過(guò)程仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文針對(duì)獨(dú)立光伏系統(tǒng)中常用的雙向 DC/DC變換器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種蓄電池充放電控制策略，在保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上，兼顧了保護(hù)電池電性能與提高充電速度的雙重目標(biāo)。通過(guò) Matlab/ Simulink 仿真模型證明了該控制策略的正確性。

[1] 伊林林. 軟開(kāi)關(guān) PWM 雙向 DC/DC 變換器的研究[D]. 貴州大學(xué), 2008.

[2] 廖志凌, 阮新波. 一種獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)雙向變換器的控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2008, 23(1): 97–103.

[3] 李寧寧, 梁爽, 紀(jì)延超, 等. 基于 LCL 濾波器的蓄電池雙向 DC/DC 變換器的研究[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2015(7): 8–13.

[4] Nandi S K, Ghosh H R. Prospect of wind–PV-battery hybrid power system as an alternative to grid extension in Bangladesh[J]. Energy, 2010, 35(7): 3040–3047.

[5] Chen Y M, Huang A Q, Yu X. A high step-up threeport DC–DC converter for stand-alone PV/battery power systems[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28(11): 5049–5062.

Research on control strategy for battery system of photovoltaic power system based on bi-directional DC/DC converter

LI Xin*, XIE Pu
(Department of Vehicle and Electrical Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang Hebei 050003, China)

The independent photovoltaic system needs energy storage in order to balance the power and improve its stability of power generation. A scientific control strategy can combine the PV cells with the battery system organically. The bi-directional DC/DC converter can be the bridge to achieve this target. This paper presents a control strategy which takes account of battery electrical performance and system stability based on optimization on the circuit topology of bi-directional DC/DC already underway. Moreover, the charge and discharge circuit based on bi-directional DC/DC converter and an integral independent PV power system are built with Matlab. The simulation results show the correctness of the charge and discharge circuit topology and control strategy.

independent photovoltaic system; battery; bi-directional DC/DC converter; energy storage system; photovoltaic matrix; control strategy; topology

TM 912.9

A

1006-0847(2016)03-125-03

2016-03-28

國(guó)家自然科學(xué)基金（51307184）

*通訊聯(lián)系人