基于电压电流双闭环控制策略的储能供电系统仿真与实现

湖北民族大学信息工程学院 陈若奇 龙画画 钟建伟

国网湖北省电力有限公司巴东县供电公司 李正刚 程明亮

目前光伏发电不仅用于发电售卖，普通家庭之中应用也十分广泛。一般的家庭用电在负荷等级中排位最低，在用电高峰期易出现断电情况。采用风电的话，不是所有地区都合适，而光伏发电所需的光照几乎是覆盖全地区，通过光伏发电不仅可以解决断电问题还可减轻所在地区电网的供电压力，同时还可以节省电费，可以说得上是一举多得。居民用电高峰期多数为光伏发电低谷期，这就需要储能设备来将光伏所发电能储存下来以供居民用使用。本文首先介绍家庭光伏储能系统结构，然后介绍仿真模块，重点是DC/DC（直流变直流）和DC/AC（直流变交流）变换器的仿真原理，最后通过MATLAB实现仿真来验证本系统的正确性。

1 系统介绍

家庭负荷的能量来源主要由两部分组成，一个是电网经变压器直接供电，另一个是直流部分（光伏与蓄电池供电）经DC/AC变换器转换为交流供电。具体的供电策略为：当光伏电池输出功率大于家庭负荷时多余部分可以给蓄电池充电，当家庭负荷过大时蓄电池给负荷供电，同时电网也能够对负荷进行供电，所以蓄电池与DC/AC变换器直流侧之间的DC/DC变换器需要是双向的，既能供电也能充电。家庭负荷也能从电网侧取得电能，光伏供电是一种辅助措施，蓄电池可以看作为应急措施，当然在光伏功率足够的时候是可以替代电网侧供电的，这一点在后面会有仿真演示。

图1 家庭光伏储能供电系统结构图

2 相关仿真模块设计分析

本文使用MATLAB软件对家庭光伏储能供电系统进行仿真设计，主要模块可分为光伏电池模块、DC/DC变换器与DC/AC变换器。

2.1 光伏电池模块

光伏电池的建模主要是建立光伏电池数学模型，并将数学公式转换为MATLAB中的模块从而得出输出，本文光伏电池模型的建立主要参考文献[1]。图2所示是光伏电池的标准模型，从中可以得 出 如下方程：Uj=U+IRS(1)，Ish=Uj/Rsh(2)， Id=I0{exp[q(U+IRs)/nkT]-1}(3)，I=Iph-Id-Ish(4)， 将等式(1)、(2)和(3)代入(4)得：I=Iph-I0{exp[q(U +IRs)/nkT]-1}-U+IRs/Rsh，其中I0=I0r[T/Tr]3exp[q Eg0/Bk(1/Tr-1/T)](5)，Iph=[Iscr+K1(T-25)]λ/1 000(6)，式中Iscr为额定T和λ下得短路电流；K1=0.0017A/oC；Eg0为硅的禁带宽度；Ior为Tr下 的暗饱和电流；k为波尔兹曼常数；n为二极管特性 因子。

因为本文目的是模拟负荷变动状况下光伏储能系统的供电状态，并不需要改变光伏电池输入情况，所以光伏电池可以采用数学模型建立，本文为了方便设计只采用了一组数据进行建模，光伏电池采用的数据图像如图3所示。

图2 光伏电池等效模型图

图3 光伏电池数据图

图4 MPPT算法逻辑图

2.2 Boost电路模块

由图3可知光伏电池存在一个最大输出功率点，通过MPPT（最大功率点跟踪）算法，本文采用的MPPT算法为扰动法，即在初始状态下给光伏电池一个扰动，这时光伏电池的输出功率一定会发生改变，根据光伏电池的功率特性图可知，若电压减小、功率增大时，则需要减小电压；若电压增大、功率减小时，则需要减小电压；若电压增大、功率增大时，则需要增大电压；若电压减小、功率减小时，则需要增大电压（图4）。

2.3 双向DC/DC变换器模块

由于蓄电池需要充电与放电，所以它的DC/DC变换器需要双向的（图5），通过两个IGBT晶闸管分别给两个信号G1_B和G2_B来控制变换器电路功率流向。而具体的控制逻辑如图6中所示，将实际直流电压与目标电压相作差得出差值，将差值经传递函数送入PID（比例积分微分）调节器，再经传递函数与实际电流作差，再经传递函数送至PID调节器然后送入PWM得出所需要的调制波，也就是上文所需的脉冲信号。

图5 双向DC/DC电路图

图6 双向DC/DC变换器脉冲逻辑图

2.4 双向DC/AC变换器模块

如图7所示本文双向DC/AC变换器采用的控制策略是电压电流双闭环控制闭环体现在Ugrid与Igrid上两者都是IGBT全桥电路采集的信号，该电路输出的脉冲信号也是提供给IGBT全桥电路使用，电路图如图8所示单相逆变电路。

图7 双向DC/AC变换器逻辑图

图8 DC/AC变换器电路图

2.5 负载模块

由于本文需要改变负荷情况来观测光伏储能系统供电情况，所以在负荷与电网连接之间加入switch模块，通过信号Load_SW2来控制其打开或者关断，负载总共由两个图9模块组成，通过控制两个模块的switch模块通断来控制投入负载数，以此达到研究目的。

图9 负载模块图

图10 家庭光伏储能系统仿真结构图

根据上文所描述各个模块在Simulink中建立的家庭光伏储能供电系统仿真结构图如图10所示，构成模块有蓄电池模块、光伏电池模块、电网模块、双向DC/DC变换器模块、双向DC/AC模块、Boost模块、变压器模块以及负载模块。光伏电池仿真用数据表见表1。

表1 光伏电池仿真用数据表

由图11中可见，MPPT算法使得光伏电池在0.05秒内就达到最大功率点即Boost模块效果已达到。从图中可以看出光伏电池最大功率输出在5000W左右。

图11 光伏电池输出功率图

从图12中可看出蓄电池在2秒到3秒内在充电，3秒到3.5秒内在放电，3.5秒至4秒在充电，同时观察负荷在这些时间端的变化见图13，从图中可看出，在2秒至2.5时负荷未投入光伏电池给蓄电池充电，蓄电池SOC上升可以看出在2秒至2.5时负荷未投入光伏电池给蓄电池充电，蓄电池SOC上升；2.5秒至3秒时负载1投入使用，光伏输出用于供给负载，供给蓄电池充电的功率减小，SOC上升速度减缓；3秒至3.5秒时负载2也投入使用，本文所设置的负载单个为3000W，所以两个一起投入时为6000W、大于上文所说光伏电池的最大输出功率5000W，此时需要蓄电池加以供电，蓄电池SOC开始下降；3.5秒后负载退出，光伏输出功率再次供给蓄电池，蓄电池的SOC上升速度与2秒至2.5秒相同。

图12 蓄电池SOC图

图13 负载投入时间图

图14 电网、蓄电池投入时间图

上述模拟情况是电网断电时，光伏储能系统对家庭负荷进行供电，为达此目的使得电网退出2秒。如图14中所示在2秒至4时电网退出，蓄电池投入工作。

3 结语

本文设计了一种给家庭负荷供电的光伏储能系统设计，实现了在电网无法满足供电要求时光伏储能系统满足供电需求，并能实现“去峰填谷”功能，在光伏电池输出功率有余时给蓄电池充电，在光伏电池输出小于负荷时存储电能得蓄电池能够供电，帮助系统维持稳定。该系统在光伏电池工作良好的状态下可以减少家庭电费支出，并且蓄电池的投入可以提高家庭用电的可靠性，运行结果满足要求。仿真结果表明，该模型可满足基本的家庭负荷供电使用，若有其他特殊要求，可在此基础上增加其他器件以丰富功能，达到更高的要求，或者供其他情况使用。