独立光伏发电系统能量管理研究

雷鹏娟，刘云林，陈健升

(承德石油高等专科学校 电气与电子工程系，河北 承德 067000)

煤、石油、天然气和化石燃料的迅速消耗，使得环境问题和能源危机日益加剧，近年来，世界各国都在开发各种各样的新能源，光伏发电以其无污染、可再生、储量大等优势得到了广泛的应用[1-3]。但光伏发电具有不稳定性，为了使负载得到持续稳定的供电，对光伏系统的能量管理研究显得至关重要。对于独立光伏系统的能量管理方案，许多学者也进行了深入研究。但集中研究的主要是以蓄电池作为储能装置，超级电容和蓄电池混合储能方案研究的较少。文献[4]在2009年提出了由光伏电池、蓄电池、单向DC-DC变换器和双向DC-DC变换器组成的独立光伏系统结构框图，并对系统的能量管理方案进行了研究。文献[5]和[6]中，Yan Jia等人提出的能量管理方案是以超级电容作为能量的缓冲单元，超级电容通过一个双向DC-DC变换器与发电单元连接起来，以此提高超级电容的储能利用率。文献[7]提出了一种无源式并联储能方案，该方案指出：通过合理的配置超级电容容量，可以减少由于光伏输出功率不稳定所导致的蓄电池充放电循环次数，而且通过实验验证了独立光伏系统中，蓄电池的充放电比较平滑。首先分析了光伏电池、超级电容和蓄电池的特性，建立了相应的简化模型，接着采用扰动观察法实现了光伏电池MPPT控制，并分析了系统中不同的能流模式，设计了蓄电池、超级电容充放电控制电路，最后进行了仿真实验分析，仿真和实验结果验证了采取控制策略的正确性和可行性。

1 各微源特性及控制策略

1.1 光伏电池特性分析

光伏电池是一种具有光—电转换特性的半导体器件，是光伏发电的最基本单元。其输出功率会受到诸如光照、环境温度等外界因素的影响而不稳定。在建立仿真模型时，一般取Sref=1 000 W/m2，Tref=25 ℃分别作为电池标准参考的光照强度和表面温度。图1为光伏电池在不同光照强度和温度下的特性曲线。

为了最大限度地利用太阳能，需要光伏电池工作在MPPT模式下，通过对几种常见的MPPT控制方式比较，采用扰动观察法实现光伏电池的MPPT控制。图2为将光伏电池板经过串并联(5*2的方式)之后输出的功率波形。其中P1与P分别为光伏电池直接输出功率和经过Boost电路变换后的输出功率。

1.2 超级电容和蓄电池特性及等效模型

超级电容器(Super Capacitor，简称SC)的模型不仅在其储能研究方面有重要的作用，同时在其模块的优化设计、储能系统效率等方面都意义重大。超级电容器是一种具有超级储能能力，并且可以提供强大脉冲功率的电源，是一种介于传统电容器和蓄电池之间的新型储能装置。较普通电容来说，具有循环寿命长、充放电速率快、功率密度大和电压记忆等明显优点。

蓄电池也是离网发电的主要储能环节，其端电压及荷电状态(SOC)对新能源电源的发电规划和经济平衡具有很大影响。相对于超级电容来讲，蓄电池具有能量密度高和充放电过程中电压平稳等优点，但是循环寿命短、会带来环境污染、判断充电状态(SOC)困难、维护量较大等缺点制约了光伏系统的大规模发展[8]。为便于光伏发电系统的规划和运行，采取超级电容和蓄电池协调储能，且当母线电压波动时保持超级电容优先充电优先放电的充放电方式。建立的蓄电池和超级电容模型如图3所示。其中，蓄电池模型由一个电池E0(其电压为E0)及其等效内阻r与电容C串联而成，Vo是电池的端电压，Io为电池的充放电电流；超级电容模型中C为理想电容，ESR为等效串联电阻，代表由于电容器内部发热产生的功率，对电容的充放电过程影响较大，EPR为等效并联电阻，也称漏电电阻。

1.3 充放电控制电路

独立光伏系统中，蓄电池和超级电容均具有充电和放电两种工作状态，所以要求控制变换器的能量既可以从输入端流向输出端，也可从输出端流向输入端，即电流可以在变换器的输入输出间双向流动。使Buck、Boost等PWM DC-DC变换器电路具有这样的功能，最简单的方法就是在原电路的二极管两端反并联一只开关管，在开关管两端反并联一只二极管[9]，组成的电路中，开关管S和S1按互补的方式工作。综合比较分析，本文采用双向半桥Buck-Boost变换器实现储能装置与光伏电池输出端之间的能量流动。当为蓄电池和超级电容进行充电时，Buck-Boost变换器体现为Buck工作模式；当储能装置放电时，体现为Boost工作模式。图4为本文采用的充放电控制电路。其中，Vi为母线侧(即光伏电池MPPT输出端)电压，V0为储能装置(即超级电容和蓄电池)的电压，开关管Q1、二极管D2与L一起组成Buck电路，开关管Q2、二极管D1与L则一起组成Boost电路，通过对Q1、Q2开关管占空比的控制实现能量的双向流动。对于双向DC-DC电路，直流母线侧均为高压侧，储能装置侧为低压侧。

2 能量管理控制策略

研究的独立光伏发电系统为一个直流供电系统，光伏电池为发电单元，超级电容和蓄电池为储能单元。由于直流系统中母线(即光伏电池输出端)电压是衡量系统内功率平衡及系统稳定情况的唯一指标，所以为了维持系统的可靠稳定运行，控制母线电压并使其稳定在一定范围内显得至关重要。母线电压的稳定主要是通过对Boost电路及双向Buck-Boost变换器的控制实现的。通过对光伏电池、超级电容和蓄电池输出电压和电流(Vpv、Ipv、VSC、ISC、VBat、IBat)的检测，将系统划分为7种工作模式，如表1所示。

在独立光伏系统中，光伏电池有MPPT和恒压运行两种工作模式，超级电容和蓄电池有充电和放电两种模式。光伏电池的当前工作状态取决于储能装置的状态：当储能装置未充满时，光伏电池工作在MPPT模式，当储能装置充满时，光伏电池退出MPPT转为恒压控制模式。图5为光伏电池恒压控制框图，图6和图7分别为超级电容和蓄电池充放电控制框图。

3 仿真和实验分析

3.1 超级电容和蓄电池充放电过程仿真

仿真过程中，光伏电池输出功率为590 W，设置的直流母线稳定电压为80 V，超级电容和蓄电池的过充电压分别为71.5 V和73 V，采取的控制策略为当母线电压发生波动时，超级电容优先充电和优先放电。蓄电池和超级电容充电过程中，由于光伏输出能量或负载突变导致直流母线电压下降，超级电容首先开启放电过程，维持母线电压的稳定。当蓄电池放电过程中，切除部分负载，母线电压发生变化时，蓄电池停止放电，超级电容重新进入充电状态。仿真结果如图8所示。

3.2 光伏电池MPPT-恒压过程仿真

独立光伏系统中，光伏电池有MPPT和恒压工作两种模式。光伏电池工作在MPPT模式时，输出的能量一部分为负载提供，另一部分则用于为超级电容和蓄电池充电；当储能装置处于满充状态时，光伏电池退出MPPT转为恒压控制模式。图9所示为相应的仿真结果。

表1 系统的工作模式

3.3 超级电容和蓄电池充放电过程实验

在进行超级电容充放电实验中，期望稳定的母线电压为100 V，光伏电池采用直流源进行模拟，其输出电流为3 A，负载电阻为65，所需功率为150 W。当直流源(即光伏电池)输出功率增加或减小时，超级电容首先开启充电放电过程，维持母线侧电压稳定。图10所示为超级电容由于电源侧扰动引起的充放电波形图。

当超级电容充满，光伏输出功率仍大于负载所需功率时，蓄电池开启充电过程，以此维持母线电压稳定。反之，若超级电容放电完成，光伏输出仍不能满足负载所需功率时，蓄电池开启放电过程。图11所示为蓄电池充放电波形图。

以上的仿真和实验结果显示出：光伏电池、超级电容和蓄电池协调工作，可以使直流母线维持在设定的期望值，验证了采取的能量管理控制策略的正确性。

4 结论

针对独立光伏系统中不同的能流模式进行了仿真和实验分析，结果显示，通过超级电容和蓄电池的充放电协调工作，直流母线电压可以保持在设定的期望值。当电源端或者负载侧发生扰动时，超级电容优先开始工作，维持负载所需能量。此外，当蓄电池和超级电容充满时，为了确保电压稳定，应当使光伏电池退出MPPT转为恒压工作。结果验证了所采取控制策略的正确性和可行性。