太阳能光伏/市电联合供电系统

王 伟 吴 犇 金 科 阮新波,3

（1.南京航空航天大学航空电源重点实验室 南京 210016 2.江苏大学电气信息工程学院 镇江 212013 3.华中科技大学电气与电子工程学院 武汉 430074）

1 引言

随着世界经济的快速发展，传统的化石能源作为不可再生能源正日益枯竭，它所造成的环境污染也日益严重。为了解决以上问题，实现可持续发展，必须寻找到理想的替代能源。可再生能源资源无限，分布广泛，可循环利用，不污染环境等众多优点受到越来越广泛的关注，是目前大量应用的化石能源的理想替代能源，具有广阔的发展前景。可再生能源包括太阳能[1,2]、风能、小水电、生物质能、地热能和海洋能等。

在众多的可再生能源资源中，太阳能具有取之不尽、用之不竭等优点，是理想的可再生能源。太阳能的利用方式多种多样，其中太阳能光伏发电是太阳能利用的一个重要领域。太阳能光伏发电可直接将太阳光转换成电能，无噪声、无需燃料、无污染，具有广泛的应用前景。但是，由于太阳能光伏发电受气候条件变化制约，不稳定、不连续，为了保证系统的稳定性和运行效率，必需有其他能源设备进行补充[3-5]。通常可以用蓄电池或超级电容等储能装置作为太阳能的后备能源，但是增加了储能单元，使系统更加复杂，提高了成本。在有市电的场合，可以将市电作为太阳能的后备能源，从而组成一种以太阳能光伏电池作为主供电电源的太阳能/市电联合供电系统[6]。

在太阳能/市电联合供电系统中，需要根据太阳能光伏电池和负载的规格来合理地选择系统的结构和电路拓扑[7,8]。另外，为了能够最大限度地利用太阳能这一可再生清洁能源，需要制定合理的能量管理控制策略[9-12]，高效地控制系统的能量流，使两个供电电源能够协调工作，向负载提供稳定的电能。

本文提出了一种新的太阳能光伏/市电联合供电系统的结构及其能量管理控制策略。在实验室中构建了一套2kW的太阳能光伏/市电联合供电系统，实验结果验证了理论分析的正确性。

2 系统结构

在许多应用场合，太阳能光伏电池直接接到负载上；但由于太阳能光伏电池受光照和温度的影响，它输出的是不稳定的直流电，而系统有各种不同规格的负载，包括220VAC交流负载和不同电压等级的直流负载。因此需要加入DC-DC变换器，先将太阳电池的输出电压转换成稳定的直流母线电压。同时该DC-DC变换器还需要实现最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking,MPPT）功能[13,14]。对于市电，需要经过功率因数校正变换器（Power Factor Correction，PFC）将市电变换为直流母线电压。为了得到220VAC交流输出，直流母线电压通常设为380V。再经过一级DC-AC逆变器得到220VAC输出，对于直流输出可以再通过一级DC-DC变换器将直流母线电压变换为所需的直流电输出。

图1给出了太阳能光伏/市电联合供电系统的结构框图。系统由太阳能光伏电池、市电、DC-DC变换器、PFC和DC-AC逆变器和负载端DC-DC变换器组成。

DC-AC逆变器以及负载端DC-DC变换器的技术已经比较成熟。本文主要研究内容是直流母线前端的DC-DC变换器和功率因数校正变换器，如图1中点划线框所示。

图1 太阳能光伏/市电联合供电系统Fig.1 Photovoltaic/grid hybrid power system

目前单块太阳能光伏电池的开路电压一般不超过50V，为了给直流母线提供稳定的380V直流电，这就使得DC-DC变换器要具有很高的升压比同时还需要有电气隔离功能。可以采用单级式结构也可以采用两级式结构。

如采用单级结构，目前采用最多的电路拓扑是全桥变换器和推挽变换器。全桥直流变换器适用于大功率场合，它采用移相控制可以实现软开关，提高系统效率。但是它存在变压器二次侧占空比丢失现象，为了减小占空比丢失，要使谐振电感取值非常小，其中谐振电感包括变压器漏感。由于本系统的升压比很高，这就要求变压器二次侧和一次侧的匝比很大，匝比大会导致漏感大，从而使得占空比丢失增大，影响变换器的效率[15]。

推挽变换器在中大功率应用场合如果主电路或控制信号不完全对称会在变压器一次侧产生直流偏磁，使变换器很难正常工作，甚至会导致器件损坏。

两级式结构中第一级DC-DC变换器把不稳定的太阳能光伏输出直流电压转变成稳定的直流电压，同时实现升压和MPPT功能；第二级把稳定的电压升压到380V，同时实现电气隔离。根据系统的要求，第一级DC-DC变换器采用Boost变换器将太阳电池的输出电压升到100V，第二级DC-DC变换器采用全桥结构的直流变压器（DC Transformer,DCX[16]），将电压升至380V。DCX采用移相控制可以实现软开关，并且它是满占空比工作，所以DCX的效率可以优化。两级式结构满足系统的设计要求，本文采用此种电路结构。

PFC采用广泛应用的Boost变换器，工作在电感电流连续模式。

图2给出了系统主电路结构图。

3 能量管理

3.1 系统的工作模式与能量流动方式

根据太阳电池的输出功率和负载大小，系统有三种工作模式。系统的各种能量流动示意图如图3所示。

图2 主电路结构图Fig.2 Structure of the main circuit

图3 系统不同工作模式下的能量流动示意图Fig.3 Different working modes of the system

系统工作模式I：太阳电池的最大输出功率大于负载所需功率；控制DC-DC变换器工作在稳压状态，控制直流母线电压为380V，太阳电池提供负载所需功率，此模式PFC不工作。

系统工作模式II：太阳电池的最大输出功率小于负载所需功率；控制DC-DC变换器工作在MPPT状态，同时PFC工作，提供功率不足，并控制直流母线电压为380V。

系统工作模式III：太阳电池无法工作；关闭DC-DC变换器，PFC单独工作，市电提供负载所需功率，并控制直流母线电压为380V。

3.2 系统控制电路的实现

在本文的太阳能光伏/市电联合供电系统中，太阳电池为主供电电源 (1#源)，市电为补充供电电源(2#源)。为了保证负载能正常工作，必须要保证直流母线稳定，此外要尽可能地多利用太阳电池，在以上的要求下，合理地设计系统的能量控制策略。

图4给出了系统的控制策略框图，包括MPPT控制器、电流调节器、电压调节器、PWM电路和门极驱动电路。D1为DC-DC变换器中Boost开关管Q1的控制信号，D2为PFC开关管Q2的控制信号。

图4 系统控制框图Fig.4 Control diagram of the system

本文中MPPT控制器采用扰动观察法计算得到太阳电池最大功率点电流ipv_m，电流调节器控制太阳电池的输出电流保证其工作在最大功率点，电压调节器控制直流母线电压，保证其稳定。

下面根据系统的工作模式，对控制电路的工作情况进行详细的介绍。

(1) 太阳电池的最大输出功率大于负载所需功率，由太阳电池单独向负载供电，如图5a所示。如果保持iin1_ref=ipv_m，则太阳电池工作在最大功率点，其输出功率大于负载所需功率，导致直流母线电压升高。当直流母线电压高于390V时，电压调节器的输出为负，使PFC开关管的占空比D2为0，同时使VDc导通，电压调节器的输出作为调整信号使iin1_ref减小，即减小太阳电池的输出电流。此时，电压调节器与电流调节器组成双闭环，电流调节器为内环，电压调节器为外环，调节DC-DC变换器中Boost开关管Q1的占空比D1使直流母线电压稳定在380V。

图5 系统控制电路工作模式Fig.5 Working mode of the control circuit

(2) 太阳电池的最大输出功率小于负载所需功率，由太阳电池和市电同时向负载供电，如图5b所示。此时电压调节器调节PFC开关管Q2的占空比D2控制直流母线电压为380V，VDc阻断，电压调节器和电流调节器独立工作。其中MPPT控制器计算得到ipv_m作为电流调节器的基准给定，使太阳电池输出最大功率，市电提供不足功率。

(3) 太阳电池无法正常工作时，关闭DC-DC变换器，由市电单独提供负载所需功率，如图5c所示。电压调节器控制PFC开关管Q2的占空比D2保证直流母线电压稳定在380V。

4 实验结果

为了验证太阳能光伏/市电联合供电系统的能量管理控制策略的有效性，分别搭建了一套2kW的实验系统，具体参数如下：

DC-DC变换器的参数：

光伏电池最大输出功率Ppvmax=1 240W；

光伏电池开路电压Vin1_oc= 43.2V；

最大功率点电压Vin1_m= 34.4V；

开关频率fs=50 kHz；

滤波电感Lf1= 100μH，Lf3=300μH；

变压器匝比9:39。

其中太阳电池板的参数是在光强1 000W/m2，温度25℃标准状况下测得。

PFC的参数：

额定功率Po=2 000W；

输入电压Vin2=220(1±20%)VAC；

输出电压Vo=380V；

开关频率fs=100kHz；

滤波电感Lf2=290μH。

图6 DC-DC变换器单独供电时的实验波形Fig.6 Experimental waveforms at DC-DCconverter working alone

图6 给出了DC-DC变换器单独工作时的实验波形。vQ1为Q1的控制电压；vAB为全桥直流变换器变压器的一次电压；io为负载的电流；vo为直流母线电压。此时太阳能最大输出功率大于负载所需功率，DC-DC变换器工作在稳压模式，直流母线电压稳定在380V。

图7给出了PFC单独工作时的实验波形，vg为市电输入电压；iLf2为市电输入电流，电压和电流波形相位基本一致。此时太阳能无法正常工作，由市电单独向负载供电，直流母线电压稳定在380V。

图7 PFC单独供电时的实验波形Fig.7 Experimental waveforms at PFC working alone

图8 给出了两路同时工作时，负载突减时的动态波形。vQ1为Q1的控制电压；vQ2为Q2的控制电压；io为负载的电流；vo为直流母线电压。在开始时太阳能光伏电池不能完全提供负载能量，太阳能和市电联合给负载供电，太阳能DC-DC变换器工作在MPPT模式，确保太阳能输出最大功率，而市电提供不足的能量。当负载突减，太阳能所提供的功率大于负载所需功率，市电退出工作，太阳能DC-DC变换器工作在稳压模式。从图中vQ1，vQ2的波形可以看出系统从两路同时工作切换为太阳能单路工作，负载突减时，直流母线电压能够很好地稳定在380V左右。

图8 负载突减时的实验波形Fig.8 Experimental waveforms at load decrease

图9 给出了太阳能独立工作时，负载突增时的动态波形。vQ1为Q1的控制电压；vQ2为Q2的控制电压；io为负载的电流；vo为直流母线电压。在开始时负载较轻，太阳能DC-DC变换器独立工作在稳压模式。当负载突增，负载能量不能完全由太阳能提供。太阳能DC-DC变换器从稳压模式切换成MPPT模式，此时仍不足以提供负载所需能量，市电切入工作，提供不足能量。从图中vQ1、vQ2的波形可以看出系统从太阳能独立工作切换为两路同时工作，负载突增时，直流母线电压能够很好地稳定在380V左右。

图9 负载突增时系统动态实验波形Fig.9 Experimental waveforms at load increase

5 结论

本文提出了一种太阳能光伏/市电联合供电系统。该系统由太阳电池、市电、DC-DC变换器和PFC组成。系统采用太阳电池作为主供电电源，为了维持负载供电稳定，采用市电作为补充供电电源。本文根据太阳电池和负载的工作状态，制定了合理的能量管理策略使两个电源能协调工作，保证负载供电稳定。最后通过实验和仿真验证了该系统能量管理控制策略的有效性。

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