基于蓄電池儲(chǔ)能的光伏并網(wǎng)發(fā)電功率平抑控制研究

本文針對(duì)光伏發(fā)電因光照強(qiáng)度與溫度變化而導(dǎo)致的發(fā)電功率波動(dòng)問(wèn)題，提出一種儲(chǔ)能型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，以抑制并網(wǎng)功率的波動(dòng)。

以光伏發(fā)電最大功率跟蹤和并網(wǎng)逆變控制為基礎(chǔ)，引入蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電功率削峰填谷、平抑的功能。光伏發(fā)電系統(tǒng)采用兩級(jí)功率變換結(jié)構(gòu)，以最小化逆變器容量，解耦最大功率控制與逆變并網(wǎng)控制。在逆變器直流母線上并接雙向DC/DC變換器，對(duì)儲(chǔ)能電池充放電予以管理。

在功率平抑控制中，儲(chǔ)能系統(tǒng)采用雙環(huán)控制，內(nèi)環(huán)控制儲(chǔ)能電池電流，外環(huán)則分兩種情況：1)電網(wǎng)正常時(shí)為功率外環(huán);2)電網(wǎng)故障時(shí)為電壓外環(huán)。系統(tǒng)不僅具有最大功率跟蹤和并網(wǎng)發(fā)電功能，還具有并網(wǎng)功率平抑功能。當(dāng)電網(wǎng)因故障而斷開時(shí)，系統(tǒng)將光伏發(fā)電能量?jī)?chǔ)入蓄電池，提高了發(fā)電效率，確保了直流母線電壓穩(wěn)定。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)建立仿真模型和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出的控制方法可行、有效。

0 引言

光伏發(fā)電無(wú)污染、無(wú)噪音、運(yùn)行成本低，是理想的可持續(xù)能源，發(fā)展前景好。據(jù)預(yù)測(cè)，到2050年太陽(yáng)能在能源結(jié)構(gòu)中的比例將達(dá)到13.5%，是未來(lái)化石能源的主要替代能源之一[1-2]。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，光伏發(fā)電正逐漸從過(guò)去的小規(guī)模離網(wǎng)系統(tǒng)，向大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電方向發(fā)展。基于最大功率跟蹤控制[3-5](Maximum Power Point Tracking， MPPT)和各種并網(wǎng)逆變控制[6-8]的光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)得到了廣泛研究。但是，由于光照和溫度變化無(wú)常，光伏發(fā)電站輸出的功率并不穩(wěn)定，導(dǎo)致電壓波動(dòng)[9]。當(dāng)前，光伏發(fā)電站在電力系統(tǒng)中所占比例很小，功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)影響不大?？墒请S著兆瓦級(jí)光伏電站的建設(shè)，其規(guī)模將不斷增大，當(dāng)發(fā)電功率達(dá)到一定比例時(shí)，功率波動(dòng)會(huì)給電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)危害[10]。另外，當(dāng)電網(wǎng)故障斷開時(shí)，光伏陣列將停止發(fā)電，降低了系統(tǒng)效率。

本文研究基于蓄電池儲(chǔ)能的光伏并網(wǎng)發(fā)電功率平抑控制，以解決上述問(wèn)題。提出了控制方法，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性和有效性。

1 儲(chǔ)能型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤、并網(wǎng)逆變和功率平抑等功能，采用圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。Boost變換器主要用于實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，同時(shí)把光伏陣列較低的電壓升到較高的電壓，供三相逆變橋使用;三相逆變橋用于實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變;由雙向DC/DC變換器和蓄電池構(gòu)成的儲(chǔ)能系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)功率平抑控制，以及電網(wǎng)故障時(shí)存儲(chǔ)光伏陣列發(fā)出的能量。

2 光伏并網(wǎng)發(fā)電

2.1 最大功率跟蹤

光伏電池具有很強(qiáng)的非線性特征[11]，其I-V特性和P-V特性如圖2所示。當(dāng)光照和溫度一定時(shí)，光伏電池輸出電壓隨負(fù)載變化，而且在某一電壓值時(shí)輸出功率最大，此工作點(diǎn)即為最大功率點(diǎn)，而且最大功率點(diǎn)隨光照和溫度的變化而變化。因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，常采用最大功率跟蹤控制，隨著光照和溫度變化實(shí)時(shí)調(diào)整光伏陣列的工作電壓，使其盡可能工作在最大功率點(diǎn)。

本文采用擾動(dòng)觀察法[3]實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制，流程圖如圖3。通過(guò)給光伏陣列工作點(diǎn)電壓施加擾動(dòng)ΔU，同時(shí)記錄擾動(dòng)后的輸出功率，如果輸出功率增加，則保持原方向繼續(xù)擾動(dòng)，否則反方向擾動(dòng)，最終使光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)附近。

2.2 并網(wǎng)逆變

光伏并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，期望輸出電流波形正弦度高、諧波小、功率因素為1，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵是逆變器的控制方法。在逆變器中，電壓源型逆變器最普遍。光伏發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)相當(dāng)于兩個(gè)電源并聯(lián)，如果對(duì)電壓源型逆變器采用輸出電壓控制，則容易導(dǎo)致環(huán)流;如果采用輸出電流控制，則可以有效控制輸出電流，在逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同步時(shí)，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為1，而且控制方法簡(jiǎn)單。圖4給出了DC/AC控制的流程圖，采用SVPWM和雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)[8，12-13]，外環(huán)控制直流母線電壓，內(nèi)環(huán)控制逆變器輸出電流。

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由一個(gè)雙向DC/DC變換器和蓄電池組成。雙向DC/DC變換器并聯(lián)在逆變器直流母線上，根據(jù)光伏陣列發(fā)出的功率和電網(wǎng)反饋回來(lái)的信息，控制蓄電池的能量流動(dòng)。雙向DC/DC變換器采用半橋結(jié)構(gòu)，如圖5所示，其中開關(guān)管G1和G2互補(bǔ)工作[14]。當(dāng)光伏陣列發(fā)出功率大于給定的并網(wǎng)功率時(shí)，蓄電池充電，此時(shí)雙向DC/DC變換器工作在Buck電路模式。當(dāng)光伏陣列發(fā)出功率小于給定的并網(wǎng)功率時(shí)，蓄電池放電，此時(shí)雙向DC/DC變換器工作在Boost電路模式。

光伏陣列輸出的功率是波動(dòng)的，而且變化率較大，大致可分為相對(duì)高頻的波動(dòng)功率和相對(duì)低頻的波動(dòng)功率兩部分。蓄電池隨著相對(duì)高頻的功率波動(dòng)充電或者放電，通過(guò)削峰、填谷實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)功率的平抑、減小其變化率[15]。在電網(wǎng)故障時(shí)，將電網(wǎng)斷開，把光伏陣列發(fā)出的功率都存儲(chǔ)到蓄電池，這樣光伏陣列仍能繼續(xù)發(fā)電，提高了系統(tǒng)發(fā)電效率，同時(shí)起到穩(wěn)定直流母線電壓的作用，防止電壓過(guò)高而損壞設(shè)備。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制流程圖如圖6所示。電網(wǎng)正常時(shí)，外環(huán)是功率控制環(huán)，光伏陣列發(fā)出的波動(dòng)功率P經(jīng)過(guò)低通濾波器濾波，濾除高頻量，減小變化率，其輸出值作為并網(wǎng)功率的給定值P*;將P*與逆變器并網(wǎng)的實(shí)際功率值Pg比較，誤差e1經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器，以調(diào)整電池的工作電流參考值I*。當(dāng)電網(wǎng)由于故障斷開時(shí)，外環(huán)是直流母線電壓控制環(huán)，將直流母線實(shí)際電壓值U作為反饋信號(hào)，與給定電壓值Uref比較，誤差e2經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器，以調(diào)整電池的工作電流參考值I*。內(nèi)環(huán)為電池工作電流控制環(huán)，使電池實(shí)際的工作電流值I跟蹤外環(huán)給定的電流參考值I*。在外環(huán)PI調(diào)節(jié)器之后采用限幅環(huán)節(jié)，以限制電池工作電流。此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)有電池過(guò)充、過(guò)放保護(hù)控制，以確保電池安全運(yùn)行。[!--empirenews.page--]

4 仿真分析

為了驗(yàn)證本文所提出的儲(chǔ)能型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)功能，開展了仿真研究。在標(biāo)準(zhǔn)光照和標(biāo)準(zhǔn)溫度下，光伏陣列開路電壓320 V，短路電流20.65 A，最大功率點(diǎn)電壓290.4 V;電網(wǎng)相電壓220 V，頻率50 Hz ;直流母線參考電壓600 V，儲(chǔ)能電池是額定電壓150 V、額定容量150 Ah鉛酸蓄電池。

仿真時(shí)，光照情況如圖7(a)中曲線S所示，在0.6 s時(shí)模擬受云朵的影響光照急劇下降，持續(xù)一段時(shí)間后恢復(fù)正常，在t=0.9 s的時(shí)候光照突然變強(qiáng)，持續(xù)一段時(shí)間后又恢復(fù)到正常值;溫度如圖7(a)中曲線T所示。圖7(b)和7(c)分別是光伏陣列工作端電壓和光伏陣列輸出功率，可見MPPT控制使光伏陣列始終工作在最大功率點(diǎn)電壓290 V附近，在不同光照和溫度下，持續(xù)輸出最大功率。圖7(d)是逆變器輸出的a相電流和電網(wǎng)a相電壓，可以看出逆變器輸出的電流波形正弦度好，幾乎和電網(wǎng)電壓同頻同相，功率因數(shù)為1。

圖8是儲(chǔ)能系統(tǒng)的仿真結(jié)果，溫度和光照情況同上，在t=1.5 s的時(shí)候電網(wǎng)因故障斷開。圖8(a)中，Ppv、Pg和Pb分別是光伏陣列輸出的功率、并網(wǎng)功率和電池的工作功率。溫度和光照的變化導(dǎo)致光伏陣列輸出的功率波動(dòng)較大，但在儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用下，并網(wǎng)功率變得平緩、變化率減小，實(shí)現(xiàn)了功率平抑控制。當(dāng)電網(wǎng)故障斷開時(shí)，光伏陣列仍能繼續(xù)發(fā)電，提高了系統(tǒng)的發(fā)電效率。圖8(b)為電池工作電流，正值表示放電，負(fù)值表示充電，隨著光伏陣列發(fā)出功率的變化，電池能快速地改變工作電流，配合功率平抑控制對(duì)能量予以管理。圖8(c)是直流母線電壓，即使在電網(wǎng)故障切除時(shí)，直流母線電壓也能控制在600 V左右。

5 實(shí)驗(yàn)分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)驗(yàn)證儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率平抑控制功能。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由雙級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器和雙向DC/DC變換器構(gòu)成，儲(chǔ)能單元由4個(gè)鉛酸蓄電池串聯(lián)組成，單只額定電壓12 V、額定容量100 Ah。光伏電池由電壓可調(diào)的直流電源模擬，通過(guò)調(diào)節(jié)直流電源的輸出電壓，模擬光伏陣列運(yùn)行點(diǎn)的變化及輸出功率的波動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖9，其中，圖9(a)展示了直流電源模擬的光伏陣列功率、并網(wǎng)逆變器輸出功率和電池工作功率，分別用符號(hào)Ppv、Pg和Pb表示;圖9(b)是蓄電池的工作電流，正值表示充電，負(fù)值表示放電;圖9(c)是逆變器輸出的電流?？梢姡孀兤鬏斔偷诫娋W(wǎng)的功率得到了有效的平抑，變化率得到了控制，隨著光伏陣列輸出功率的波動(dòng)，雙向DC/DC變換器能快速地調(diào)整蓄電池能量的流動(dòng)。

6 結(jié)論

提出的儲(chǔ)能型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，有效解決了光伏功率波動(dòng)的問(wèn)題。系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了最大功率跟蹤和并網(wǎng)發(fā)電，而且通過(guò)功率平抑控制，有效地穩(wěn)定了并網(wǎng)功率。當(dāng)電網(wǎng)故障斷開時(shí)，光伏陣列仍然可以發(fā)電，將能量存儲(chǔ)于電池，提高了系統(tǒng)效率。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所提系統(tǒng)的可行性和優(yōu)良性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙爭(zhēng)鳴，劉建政，孫曉瑛，等. 太陽(yáng)能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2005： 1-9.

[2] 吳玉蓉，張國(guó)琴.基于DSP控制的單相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].繼電器，2008， 36(4)： 51-56.

[3] 李煒，朱新堅(jiān). 光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制仿真模型[J]. 計(jì)算機(jī)仿真，2006，23(6)：239-249.

[4] Kim T-Y，Ahn H G，Park S K，et al. A novel maximum power point tracking control for photovoltaic power system under rapidly changing solar radiation[C]. // IEEE International Symposium on Industrial Electronics，June 12- June 16，2001，Korea (Pusan)： 2001：1011-1014.

[5] 孫自勇，宇航，嚴(yán)干貴，等.基于PSCAD的光伏陣列和MPPT控制器的仿真模型[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(19)：61-64.

[6] Gokhale Kalyan P，Kawamura Atsuo，Hoft Richard G. Deadbeat microprocessor control of PWM inverter for sinusoidal output waveform synthesis[C]. // IEEE Power Electronics Council，New York(USA);ESA，Paris，F(xiàn)r. PESC Record-IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference： 1985： 28-36.

[7] 戴訓(xùn)江，晁勤.單相光伏并網(wǎng)逆變器固定滯環(huán)的電流控制[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(20)： 12-17.

[8] 周德佳，趙爭(zhēng)鳴，袁立強(qiáng)，等. 基于同步矢量電流比例-積分控制器的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，49(01)：33-36.

[9] Senjyu Tomonobu，Datta Manoj，Yona Atsushi Kim. A control method for small utility connected large PV system to reduce frequency deviation using a minimal-order observer[J]. IEEE Trans Energy Covers，2009，24(2)：520-528.

[10] 杜朝波，盧勇，嚴(yán)玉廷. 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行特性分析[J]. 云南電力技術(shù)，2009，37(3)：6-8.

[11] Hussein K H，Muta I，Hoshino T，et al. Maximum photovoltaic power tracking：an algorithm for rapidly changing atmospheric conditions[J]. IEE Proceedings Generation，Transmission and Distribution，1995，142(1)：59-64.

[12] 張凌. 單相光伏并網(wǎng)逆變器的研制[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2007.

[13] Bose B K. Modern power electronics and AC drives[M]. Beijing： China Machine Press，2005： 151-217.

[14] 許海平，孫昌富，馬鋼，等. 基于DSP的燃料電池車用雙向DC-DC變換器的研究[J]. 電氣自動(dòng)化，2004，26(3)：33-35.[!--empirenews.page--]

[15] Shigematsu Toshio1，Kumamoto Takahiro1，Deguchi Hiroshige1，et al. Applications of a vanadium redox-flow battery to maintain power quality[C]. // IEEE power engineering society，IEEE Japan. Proceedings of the IEEE Power Engineering Society Transmission and Distribution Conference. Japan (Yokahama)： 2002：1065-1070.