基于新型拓扑的光伏发电系统的能量管理控制策略

合肥供电公司　■ 殷忠宁童鑫 古海生 潘超 郑海良 李孟增 周昕

基于新型拓扑的光伏发电系统的能量管理控制策略

合肥供电公司■ 殷忠宁*童鑫 古海生 潘超 郑海良 李孟增 周昕

针对基于储能技术的光伏系统的新拓扑，以单相光伏并网系统为例，提出一种针对该系统的能量管理控制策略。采用新拓扑的光伏系统主要由太阳电池、蓄电池、3个单向变换器及1个DC/AC变换器组成，太阳电池和蓄电池协调工作为负载提供相对稳定的能量供应，多余或不足的能量由电网进行动态调节；根据太阳电池和蓄电池工作状态的变化，各个变换器不断调整自身的工作状态，确保整个系统的高效稳定运行；最后，通过仿真验证提出系统能量管理控制策略的有效性。

光伏；蓄电池；能量管理

0　引言

随着传统化石能源的日益枯竭，太阳能已逐步成为一种极具潜力的新能源，而光伏发电则是当前太阳能利用的一种重要方式[1-3]。光伏发电系统根据其是否并网可分为并网系统和独立供电系统两种[4]。其中，并网系统又分为不可调度式和可调度式并网系统[5]，不可调度式系统中没有储能环节，输出的电能全部注入电网；可调度式系统中含有储能环节，用于平滑光伏阵列的能量输出或提供能量备用。独立光伏系统不与电网相连，直接向负载供电，须配备储能环节，用以应对光伏阵列输出功率的波动性及夜晚不能发电的缺点。

在系统容量较小的可调度式光伏并网系统及独立光伏系统中，蓄电池是较常用的储能设备[6-10]。对于蓄电池的充放电控制，常用的方式是在蓄电池和直流母线之间加入1个双向变换器[11-13]，然而采用这种结构后，太阳电池阵列输出的能量向蓄电池中存储时需要经过两级变换器，在一定程度上降低了系统的效率。基于此，本文以一种新的拓扑(图1)作为光伏系统的主电路，该拓扑中，双向变换器被换成了2个单向变换器，即图中的2#和3#单向变换器。2#单向变换器直接接在太阳电池的输出端与蓄电池之间，负责蓄电池的充电；3#单向变换器接在蓄电池与直流母线之间，负责蓄电池的放电。经过这样的改进后，蓄电池的充电只需经过一级变换器，这对减少充电损耗、提高光伏系统的效率具有重要意义。

经过这样的改进后，系统对控制也产生了新的、更特殊的要求。另外，由于目前国内外在光伏照明领域的研究仍局限于组件配合和状态控制等基本功能的实现，而对光伏系统能量管理控制的研究却较少[14]，尤其是针对该新型拓扑的研究，因此，在该新型拓扑的基础之上，本文提出一种针对小容量的户用型光伏并网发电系统的能量管理控制策略，其核心是根据太阳电池和蓄电池的状态，控制各个变换器工作在合适的模式，保证系统高效、稳定的运行。

图1　基于储能技术的光伏系统的新拓扑

1　系统的工作模式

图1中，1#单向变换器选用Buck变换器，把太阳电池板输出的宽范围的直流电压转换为稳定的直流母线电压，并实现太阳电池的最大功率点跟踪(MPPT)；2#单向变换器也选用Buck变换器，负责向蓄电池充电；3#单向变换器选用Boost变换器，负责蓄电池的放电管理。系统中太阳电池发出的电能主要供给用户的负载；蓄电池将多余的能量储存，或在太阳电池输出能量不足时，释放自身储存的能量供负载使用。

根据太阳电池以及蓄电池的工作状态，将系统的工作情况分为5种工作模式。

1)工作模式Ⅰ：系统正常运行时，1#单向变换器工作在MPPT模式，将太阳电池的输出电压控制在最大功率点电压处。2#单向变换器以电流控制方式将太阳电池发出的多余能量储存在蓄电池内，如图2a所示，当蓄电池充电电流过大或已充满时，蓄电池以恒流或恒压模式充电，多余的电能注入电网。

2)工作模式Ⅱ：在工作模式Ⅰ中，当太阳电池所发电能不足以提供负载所需时，1#单向变换器继续工作在MPPT模式，2#单向变换器关断，蓄电池通过3#单向变换器补充负载所需能量，如图 2b所示。

3)工作模式Ⅲ：在晚上或阴雨天，太阳电池板无能量输出时，1#和2#单向变换器均不工作，蓄电池经3#单向变换器单独提供能量给负载，不足的能量由电网提供，如图2c所示。

4)工作模式Ⅳ：在蓄电池处于过放状态，而太阳电池所发电能又不能满足负载所需时，只能停止向负载供电，关断1#和3#单向变换器，控制2#单向变换器工作在MPPT模式，并向蓄电池充电，负载所需电能完全由电网提供，如图2d所示。

5)工作模式Ⅴ：在蓄电池处于过放状态，而太阳电池所发电能又无能量输出时，整个系统只能处于停机状态，负载所需电能完全由电网提供，如图2e所示。

另外，该系统还有一种重要的工作模式，即在电网故障的情况下，电网停止向负载供电，此时，由于系统中储能电池的存在，光伏系统可以由并网运行模式过渡到独立运行模式，继续为部分重要负载供电。但本文主要讨论系统在并网运行模式下的能量管理，对于独立运行模式不再讨论。

b.工作模式Ⅱ：太阳电池和蓄电池同时向负载供电

图2　系统的5种工作模式

2　系统的控制方式

2.11#与2#单向变换器的协调控制

在该新型拓扑中，1#与2#单向变换器的输入端均直接连接在太阳电池的输出端，尤其是在工作模式Ⅰ中，二者是同时工作的，均会影响到太阳电池的输出电压，进而影响到太阳电池的MPPT，因此，对二者的协调控制显得非常重要。

1#和2#单向变换器可以同时工作在MPPT模式，但因两个不同的变换器同时调节一个点处的电压，很难实现二者的调节效果完全一致，从而导致调节点处的电压不断波动，因此，该方案不可行。

另一种方案是1#和2#单向变换器其中之一工作在MPPT模式，将太阳电池输出电压钳位在最大功率点电压处，另一个变换器则工作在电流控制模式，对调节点处的电压影响非常小，这也是本文选取的方案。由系统的工作模式可知，1#单向变换器只有在太阳电池输出能量较低或没有能量输出的情况下才停止工作，其他情况下均可实现MPPT控制；而2#单向变换器只是在蓄电池充电的情况下才工作，不能保证随时实现MPPT控制。因此，选择1#单向变换器工作在MPPT模式，2#单向变换器在系统的工作模式Ⅰ中工作在电流控制模式。

图3为1#单向变换器的控制框图，采样当前太阳电池阵列的输出电压和电流值，通过MPPT控制算法找到太阳电池阵列的最佳工作点，然后通过控制单向变换器的开关管的占空比来调节系统的工作点。

图3　1#单向变换器的控制框图

图4为2#单向变换器的电流控制框图，控制变换器以电流的形式给蓄电池充电，蓄电池的充电分为两个阶段。第一阶段为变电流充电方式[15]，即太阳电池发出的电能除负载消耗之外，其余部分储存在蓄电池内，此时：

其中，Ubat为储能电池电压；Ibat为储能电池工作电流；PLoad为负载功率。若Ibat＆gt;Ibat,max，则Ibat取值为蓄电池的最大充电电流Ibat,max；第二阶段为恒压充电方式[16]，在蓄电池充满之后，维持蓄电池电压在一个恒定的范围内。

图4　2#单向变换器的的控制框图

2.23#单向变换器的控制

3#单向变换器为蓄电池的放电回路，负责补充太阳电池输出电能不足时负载所需的能量，其控制方式也采用电流控制，放电电流参考值的计算见(1)，不同的是，此处Ibat＆lt;0。

2.3并网逆变器的控制

交流并网逆变器采用电流控制方式，如图5所示，其控制分为电压外环和电流内环两个环节，电压外环保证直流母线电压的稳定，电流内环实现并网电流的单位功率因数运行。并网电流参考值I*的选取取决于蓄电池的充放电状态。

1) PPV＆gt;PLoad且蓄电池未充满时：

式中，Pbat为蓄电池的充电或放电功率，充电时为正，放电时为负；Ugrid为电网电压。

2) PPV＆gt;PLoad且蓄电池已充满，或PPV＆lt;PLoad时：

图5　并网逆变器的控制框图

3　系统的仿真研究

为了验证本文所设计单相逆变系统的效果，在Matlab 7.0中建立了仿真模型，电网电压为220 V；太阳电池的最大功率为2000 W；并网逆变器采用单向全桥逆变器，直流母线电压设为300 V；蓄电池的最大充电电流Ibat，max=8 A，过充电压Ubat，max=78 V，过放电压Ubat，min=66 V。系统的控制使用S函数编程实现。

图6为光伏系统工作于模式Ⅰ时的仿真波形图。1.5 s之前，蓄电池充电电流达到了最大值8 A，太阳电池输出的电能除去负载消耗及蓄电池的存储后，多余能量注入电网，此时逆变器输出电流iout略大于负载电流iLoad；1.5 s之后，由于负载功率的增大，太阳电池输出的电能除去负载消耗之外，其余能量可全部存储在蓄电池内，逆变器输出电流iout与负载电流iLoad相等。

a. 蓄电池电流波形

b. 负载电流及并网电流波形

图6　工作模式Ⅰ的仿真波形

图7为光伏系统由工作模式Ⅰ向工作模式Ⅱ转变的仿真波形图。1.5 s时，由于太阳电池输出功率的减小，太阳电池输出的能量已不能满足负载的消耗，蓄电池由充电模式转为放电模式，补充负载所需的能量。

图7　工作模式Ⅰ向工作模式Ⅱ转变

图8为光伏系统工作在模式Ⅲ的仿真波形图。1.5 s之前，负载功率较小，其所需能量完全由蓄电池提供；1.5 s之后，负载功率增大，其所需能量由蓄电池和电网共同提供。

图8　工作模式Ⅲ的仿真波形

工作模式Ⅳ与工作模式Ⅰ中的恒压模式类似，唯一不同的是，工作模式Ⅳ下负载不工作，此处不再赘述。

4　结论

本文在一种新型的光伏系统拓扑的基础上，提出一种针对小容量的户用型光伏并网发电系统的能量管理控制策略。系统能够根据太阳电池和蓄电池的工作状态，协调控制各个变换器工作在合适的模式，保证系统高效、稳定的运行。最后，通过仿真验证了所提方法的有效性。

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2015-11-19

殷忠宁(1987—)，男，硕士研究生、工程师，主要从事电能质量、分布式发电技术方面的研究。yinzhongning616@163.com