基于双向变换器的光伏储能控制策略研究

李鑫，解璞

（军械工程学院车辆与电气工程系，河北 石家庄 050003）

基于双向变换器的光伏储能控制策略研究

李鑫*，解璞

（军械工程学院车辆与电气工程系，河北 石家庄 050003）

独立光伏系统中，储能环节起到平衡功率、稳定系统的关键作用，而合理的控制策略能将储能系统与光伏阵列有机地结合起来，双向 DC/DC 变换器正是完成此目标的桥梁。本文在对已有的双向 DC/DC 变换器进行优化设计的基础上，提出了一种兼顾电池电性能与系统稳定性的储能系统控制策略。在 Matlab 仿真环境下搭建了带有双向 DC/DC 变换器的独立光伏系统模型，并对储能系统的工作情况进行仿真，验证了变换器拓扑结构与储能控制策略的合理性。

独立光伏；蓄电池；双向 DC/DC变换器；储能系统；光伏阵列；控制策略；拓扑结构

0 引言

随着世界能源短缺和环境污染问题的日益严重，能源和环境成为二十一世纪人类所面临的重大课题。太阳能发电具有资源丰富、安全可靠、清洁无污染的优点，是当今最具发展前景的发电技术之一。在一些偏远地区、高山高原、边防海岛上，光伏发电成为了最有效、最实用的能量来源。光伏发电具有波动大、功率低、受天气影响大的特点，因此需要在系统中配置一定容量的储能装置，实现光伏发电系统输出稳定和高效的目标。

双向 DC-DC 变换器在保持变换器两端直流电压极性不变的前提下，可以实现系统在两象限之间运行，即可实现能量的双向流动。带有双向 DCDC 变换器的储能系统能够对独立运行的光伏系统起到能量调节的作用。近年来，随着光伏技术的推广，对 DC-DC 变换器的研究也越来越深刻。文献 [1] 提出了一种基于互补 PWM 小信号模型，对蓄电池采用单电流环的控制方式，实现了对输出功率波动的平抑，但是并未考虑蓄电池的荷电状态（SOC），在实际工程实践中，不能保证蓄电池的安全和系统的稳定。文献 [2] 提出了一种新型的独立光伏发电系统结构，通过两个 DC-DC 变换器实现了高低电压间的隔离，然而在蓄电池的控制策略之中，未考虑到光伏发电的不稳定可能给母线电压带来的波动。

基于此，本文针对独立运行的光伏发电系统，提出一种基于双向 DC-DC 变换器的储能系统控制策略，并搭建了仿真实验模型进行验证。

1 双向 DC-DC 变换器概述

在独立光伏发电系统中，蓄电池是一个重要的组成部分，起着至关重要的作用：在有光照情况下，既能补充太阳能供应的不足，又能储存多余的太阳能；在无光照的情况下，它是负载的唯一能源。图 1 为独立光伏发电系统的结构简图，通过双向 DC-DC 变换器实现能量在光伏电池与蓄电池之间的双向流动，使输出的电能能够达到负载的使用要求。

图1 独立光伏系统运行原理图

常用的双向 DC-DC 变换器主要有双向升降型（Boost/Buck）和变压器隔离型全桥变换等主电路拓扑结构形式，其中变压器隔离型由于本身开关管数量较多，效率相对较低，一般应用在大功率系统中[3]。在独立光伏系统中，蓄电池接在低压端，并不需要隔离，因此本系统采用了 Boost/Buck 变换器，它将传统的 Buck 变换器的续流二极管换成了双向开关管。Buck/Boost 变换器电路的拓扑结构如图 2 所示，该电路有两个运行状态：

(1) 当 T2 一直截止，控制 T1 的通断，开关管T2 的反并二极管用于续流，此时DC/DC 变换器电路等效为单向 Buck 变换器，双向变换器控制能量由直流母线流向蓄电池，蓄电池处于充电状态。

(2) 当 T1 一直截止，控制 T2 的通断，开关管T1 的反并二极管用于续流，此时 DC/DC 变换器电路等效为单向 Boost 变换器，双向变换器控制能量由蓄电池流向直流母线，蓄电池处于放电状态。

图2 Boost/Buck 电路拓扑结构

2 蓄电池充放电控制策略

由于蓄电池充放电的时间、速度和程度等都会对蓄电池的电性能、充电效率和使用寿命产生严重的影响，因此在对蓄电池进行充放电时，必须遵循以下原则[4]：① 尽量避免蓄电池充电过量或充电不足；② 尽量避免深度放电；③ 尽可能对放电电流值加以控制。因此，根据系统特性选择适当的控制策略是非常有必要的。

在本文中，所研究的独立光伏发电系统是以直流母线为基础的，母线的电压水平直接反映了系统供电能力，双向 DC-DC 变换器的控制目标是将太阳能电池组件的宽范围直流输出电压变换为负载所需要的直流母线电压。因此，如图 3 所示，控制策略概述如下：

(1) 当太阳能输出功率大于负载功率时，双向变换器工作在 Buck 模式，蓄电池进入充电状态，将多余的能量储存起来。在蓄电池荷电状态SOC<80 % 时选择恒流充电模式，当 SOC≥80 % 时选择恒压充电模式，以兼顾蓄电池的电性能和充电效率。

(2) 当太阳能输出功率小于负载功率时，双向变换器工作在 Boost 模式，蓄电池进入放电状态，补偿负载所需要的能量。放电模式选择恒压放电，以维持母线电压平衡。

图3 蓄电池充放电控制策略流程图

3 仿真实验分析

使用 Matlab/Simulink 搭建了如图 4 所示的仿真模型[5]。其中，光伏模块与蓄电池模块均为简化模型，设定母线电压正常工作区间为 380～400 V，蓄电池初始 SOC 为 40 %，额定电压 300 V。采用PI 控制模块，首先通过负载侧功率与光伏输出功率的差值产生控制 DC-DC 变换器工作模式的信号，决定蓄电池的工作状态，然后通过蓄电池 SOC 和电压电流值与参考值的比较决定相应的充电模式。

图4 独立光伏系统储能环节仿真模型

如图 5 所示，a 点为 SOC=80 % 的时刻，而b 点为 SOC 接近100 % 的时刻（蓄电池的电压为324 V），在 0—a 时刻以恒流 40 A 充电，蓄电池电压逐渐上升，在 a 时刻 SOC 达到 80 %，此时蓄电池的电压为 320 V，转换到恒压充电，充电电压为330.4 V，蓄电池电压继续上升，充电电流下降，当蓄电池电压到达 324 V 时，充电电流很微弱，此时电池处于接近充满状态，然后进行浮充电，浮充电压为 325.2 V。整个充电过程中既保证了蓄电池的快速充电，同时也能防止过流、过充对蓄电池造成损害。仿真验证了充电策略的正确性。

图5 充电过程仿真结果

4 结论

本文针对独立光伏系统中常用的双向 DC/DC变换器结构，设计了一种蓄电池充放电控制策略，在保证系统正常运行的基础上，兼顾了保护电池电性能与提高充电速度的双重目标。通过 Matlab/ Simulink 仿真模型证明了该控制策略的正确性。

[1] 伊林林. 软开关 PWM 双向 DC/DC 变换器的研究[D]. 贵州大学, 2008.

[2] 廖志凌, 阮新波. 一种独立光伏发电系统双向变换器的控制策略[J]. 电工技术学报, 2008, 23(1): 97–103.

[3] 李宁宁, 梁爽, 纪延超, 等. 基于 LCL 滤波器的蓄电池双向 DC/DC 变换器的研究[J]. 电机与控制学报, 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

国家自然科学基金（51307184）

*通讯联系人