直流微电网光伏发电储能系统的研究

时国平 钱叶册 孙 佐

（池州学院 安徽池州 247000）

直流微电网的光伏发电系统，其组成部分包括光伏电源、蓄电池与负载。蓄电池在光伏发电系统中起到能量的缓冲作用，当光照较强或者外界条件适宜光伏输出更多功率时，它可以储存一部分能量，当光照较弱或者光伏电源供能不足时，它可以补充能量，满足整个系统稳定运行的条件。

蓄电池的控制系统主要对其充放电进行控制，传统控制方法是充电与放电回路分离，且基于模拟电子线路设计方法，在稳定性、灵活性和快速性上有所欠缺。为了使蓄电池在分布式电源发电过量或缺乏时能够迅速吸收或补充电能，同时由于直流母线电压一般高于电池输出电压，需要对其升压，因此采用双向Buck/Boost变换器，以满足能量双向流动可以在一个电路上进行充放电的需求[1-3]。

为了保持蓄电池的控制系统系统的稳定性与可靠性，将控制器设计为双闭环控制方式，并在控制器的内环和外环分别引入PI控制补偿环节。

一、双向Buck/Boost变换器建模

双向BuckBoost变换器电路拓扑如图1。其中：L为变换器的滤波电感，C为输出滤波电容，R为线路阻抗，ui为变换器输入电压，iL为输入电流，udc为变换器的输出电压，io为输出电流，uo为直流母线电压。

图1 Buck/Boost变换器原理图

在电感L电流连续情况下，通过开关管S1、S2交替通断，双向Buck/Boost变换器电路可工作在以下三种模式：当直流母线电压uo大于其参考值时，开关管S2导通，开关管S1截止，蓄电池充电，变换器电路工作在Buck模式下；当直流母线电压uo小于其参考值时，开关管S1导通，开关管S2截止，蓄电池放电，变换器电路工作在Boost模式下；当直流母线电压uo等于其参考值时，开关管S1、S2同时截止，蓄电池与电源无能量交换[4-6]。

直流微电网正常运行时，双向Buck/Boost变换器都工作于电感电流连续状态。设D为上管S2的占空比，双向Buck/Boost变换器的开关平均模型为：

二、双向Buck/Boost变换器控制器

DC/DC控制器控制对象是蓄电池的充电状态SOC，当SOC超过参考值或者电池充电达到上限时，需要将能量重新分配和管理。控制器结构为Buck-Boost电路，在电池充电时工作为buck状态，放电时工作为boost状态，为了减少后续变换器的偏差，需要尽量控制直流侧电容电压稳定在一定范围内。为了保持系统的稳定性与可靠性，将控制器设计为双闭环控制方式：控制器比较直流侧电压和参考值电压的值得到偏差经过PI调节后得到参考电池电流，参考电池电流与被测电流进行比较得到偏差经过PI调节后产生PWM信号给开关管[7-10]。

（一）电流内环控制器的设计。内环控制中采用电流环实现电感电流的控制，其控制框图如2所示。

图2 电流内环控制器框图

定义：占空比到电流的传递函数为Gid(s)；Gci(s)为PI补偿器的传递函数；Gm(s)为PWM脉宽调制器的传递函数。

加入补偿器后电流闭环传递函数为：

加入PI补偿器前后电流环传递函数的bode如图3所示：

图3 加入PI控制器前、后电流环传递函数的bode图

由图3的bade图可知：传递函数为非最小相位系统，求得幅值裕度为-105dB，相角裕度为51.7°，系统表现为不稳定，带宽为56.3KHZ。不满足大于开关频率的要求和系统稳定性的要求。PI控制器加入后电流环的截止频率为7.8KHZ，相角裕度为172°，幅值裕度为∞。满足系统稳定的要求，截止频率小于开关管频率，满足要求。

（二）电压外环控制器的设计。电压环的控制目标是确保输出电压不受电流变化的影响。为实现电压环与电流环的解耦，电压环的截止频率关，必须小于电流环的截止频率的1/4。电压环的控制框图如4所示，

图4 电压外环控制器框图

定义：Gcv为电流补偿函数；Gvi为电流到电压的传递函数。

加入补偿器后电压闭环传递函数为：

加入PI补偿器前、后电压环传递函数的bode图如下：

图5 加入PI控制器前、后传递函数的bode图

由图5的bode图可知：由于传递函数的分子分母阶次相同，因此系统的稳定需要满足一定条件，幅值裕度为-10.3dB，相角裕度为-84.8°，系统不稳定。系统加入PI补偿器后，电池电流到直流侧电压的传递函数的截止频率为16.5hz，幅值裕度为∞，相角裕度为167°。根据电压外环设计的要求可知，满足，同时系统也由不稳定变成稳定。

三、储能系统的仿真分析

为了验证双环控制器的可靠性和稳定性，同时测试电池的SOC特性，需要对电池进行仿真与分析。根据图1建立MATLAB动态模型，将直流母线电压用电压源代替。实验中，不同参考电压下电池特性：初始参考电压为600V，在0.4s改为800V，0.8s改为1000V，1.2s改为1200V。蓄电池的充电状态SOC、输出电压、输出电流图形如图6所示。

图6 蓄电池输出特性

如图6可知：每次改变参考电压输出，蓄电池都会进行放电调节变换器输出，因为输出电压比电池电压高，每次增加电压，对于电池需要消耗一部分能量，当参考电压输出由600V增为1200V时，电池SOC变为先最小充电到放电状态，然后一步一步下降。而蓄电池的输出电流和电压基本维持恒定，参考电压的变化对其影响很小，可以忽略不计。综合以上结果可知：双向Buck-Boost控制器可以满足稳定直流侧电压的需求，同时在系统的稳定性和可靠性上也满足一定要求。

四、结语

本文对蓄电池作为储能系统在光伏发电系统中的作用和功能进行说明，对双向Buck/Boost变换器进行了建模，建立了双闭环控制系统，对控制系统内、外环都引入了PI补偿器，并进行了频域分析。最后对双向Buck/Boost变换器系统进行仿真，仿真验证了带双闭环控制变换器系统的可靠性和稳定性。