基于VRLA构建光储联合并网发电系统

摘要：独立光伏系统由于受到辐照强度、温度等环境因素的影响，发电时具有分时性、断续性的缺点，无法向负载提供持续平稳的电能。通过引入蓄电池储能系统，可以克服独立光伏系统的这些缺陷。此外，蓄电池较稳定的端压对光伏系统直流工作电压的箝位作用，保证了整套系统可工作在最佳工作点附近。利用阀控式密封铅酸(VRLA)蓄电池构建储能系统，设计了一套20 kW光储联合并网发电系统，研究了蓄电池储能系统在光伏并网发电系统中的实际应用及相应的功率协调控制技术。
关键词：光伏系统；阀控式密封铅酸蓄电池；最佳工作点；储能

1 引言
独立光伏发电系统中，受昼夜辐照条件变化的影响，系统产生的电能无法持续满足用电负载的需求。当负载接入光伏系统时，由于光伏电池阵列受到辐照强度、温度等的影响，使负载不能工作在最佳工作点附近，效率较低。蓄电池储能系统的引入弥补了独立光伏系统的这一缺陷。近年来，VRLA蓄电池由于密封不漏酸、不腐蚀设备污染环境，且维护简单而备受欢迎，得到了广泛使用。
结合新能源电力系统国家重点实验室具有实验性、研究性、示范性的光伏并网发电系统。配置2组19x12 V／100Ah的VRLA蓄电池，基于PWM技术设计了一套20 kW光储联合并网发电系统，研究了蓄电池储能系统在光伏并网发电系统中的实际应用及相应的功率协调控制技术。

2 光储联合并网发电系统
图1为光储联合并网发电系统，500 V直流母线由光伏电池阵列经一组DC／DC升压装置得到。

光储联合并网发电系统功率协调环节的电路拓扑结构如图2所示。功率协调部分主要包括一套DC／AC双向换流器和一套DC／DC双向调压器，两端分别连接交流母线和直流母线，蓄电池组位于两套系统的直流衔接处，直流母线上悬挂有其他DC／DC和DC／AC装置。

其中，DC／AC双向换流器是一组由6个IGBT构成的三相全桥电路，可实现整流和逆变功能的双向切换。DC／DC双向换流器是直流调压电路，可分别实现基于Boost或Buck原理的升／降压调节，如图3所示。
当系统检测到蓄电池组亏电时，设定DC／AC装置工作在整流模式，从交流母线取电并整流为直流；或设定DC／DC装置工作在降压模式，分别通过交直流母线取得能量供给蓄电池组充电。当系统检测到AC／DC负载投入，需要蓄电池组馈电提供能量时，DC／AC装置工作在逆变模式，从蓄电池取电逆变为交流电，并入电网或者供给交流负载；或设定DC／DC装置工作在升压模式，将蓄电池电压抬升后并入直流电网，或供给直流负载。
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3 系统控制原理
3．1 DC／DC工作原理
以下对DC／DC的控制分析以其工作在基于Buck原理的降压模式为主，实现对蓄电池组的三阶段充电。
图3a中，由IGBT模块的VT1，VD2及电感、电容等构成Buck电路，采用DSP2808作为控制核心，对电流、电压采样信号进行处理、计算后，生成PWM信号PWM1，控制VT1的通断，调节输出电压和电流，从而实现对蓄电池组的充电。典型的VRLA单体电池为2 V／块，以6节单体电池串联构成的电池模块为例，设计三阶段充电模式，包括恒流充电、恒压充电及涓流充电(浮充电)。
根据系统实际配置容量，确定充电缺省参数，实时监测蓄电池状态，实现充电阶段的自动切换。恒流充电时采用1／4倍率制，针对12 V／100 Ah电池组，充电电流为25PA(P为并联组数)；恒压充电过充限压值为14．4S V(S为串联单体电池数)，浮充电压为13．65S V。控制程序采用电压、电流闭环控制方式，将给定值与采样反馈值进行比较，通过PI调节器得到相应占空比，与三角载波比较后生成PWM信号，程序可自动选择充电阶段，并将其他充电阶段的PI值置零，控制原理如图4所示。

当DC／DC装置工作在Boost模式时，从蓄电池组取电，并将直流电压抬升至500 V，可实现稳定逆变器的输入电压，保证逆变并网环节的稳定运行。
3．2 DC／AC控制策略与实现
DC／AC装置作为交直流系统的转换环节，可在交流电网亏电时，将蓄电池的直流电能逆变为交流电并入电网；当蓄电池亏电时，使DC ／AC装置工作在整流状态，同样采用恒流、恒压、涓流的三阶段方式进行充电。采用基于电网电压定向的矢量控制策略，控制原理如图5所示。

相角检测环节中，锁相采用过零点检测技术。由于实际的电网电压并非理想的正弦波电压。使得电压检测值中除基波分量外还包含大量的谐波分量，这样就使得基波电压定向出现偏差，从而降低了系统有功、无功的控制性能。可通过软件对采样电压信号进行滤波，而后再检测其过零点，并针对所使用的低通滤波器参数给予相应的相位补偿。对网侧电压、电流实时采样，在电压定向基础上，通过对输出电流的控制，实现并网逆变器输出有功、无功功率的控制。
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4 实验结果
DC／AC装置的主要参数：PN=20 kW，UN=380 V，滤波电感L=1 mH，隔离变压器变比为100：380，Y／△连接，开关频率fs=9 kHz；DC／ DC装置的主要参数：PN=10 kW，UN=500 V，L=5 mH，C1=C2=800μF，fs=10 kHz。设定DC／DC工作在Boost模式，将蓄电池能量并入500 V直流母线，并利用接在其上的一台10 kW逆变器作为负载验证系统工作特性，实验结果如图6所示。可见，当逆变器并网功率发生变化时，500 V直流母线维持稳定，保证了系统及其向负载供电的稳定性。

设定DC／DC工作在Buck模式，对蓄电池进行三阶段充电，实验结果如图7所示。

充电过程中，根据蓄电池端压及充电电流的大小进行实时判断，并进行三阶段的智能切换，实现蓄电池组的快速充电。
设定DC／AC工作在整流模式，DC／DC工作在Buck模式，两个系统同时向蓄电池充电，测试当光板被阴影遮挡时，交流整流系统自动调整充电电流，维持蓄电池组正常充电。实验结果如图8a所示。其中，Udc为蓄电池充电电压，Idc为总充电电流，I1为整流充电电流，I2为Buck充电电流。

由图可知，光板未被遮挡时，直流母线能量充足，DC／AC和DC／DC各承担一半，即25 A的充电电流；当光板被遮挡，直流母线能量减少，DC／DC充电电流降至10 A，DC／AC检测到后，自动抬升充电电流至40 A，维持总充电电流为50 A。
设定DC／AC工作在逆变模式，DC／DC工作在Buck模式，由蓄电池和悬挂在直流母线上的光伏阵列同时经DC／AC逆变并网，输出定功率6 kW，测试当光板被阴影遮挡时，蓄电池组自动调整功率输出，维持整套系统的并网功率。实验结果如图8b所示。其中，Udc，Idc分别为逆变器输入端直流电压、电流，I1为蓄电池输出电流，I2为DC／DC输出电流，ia，ib为并网电流。由图可知，光板未被遮挡时，直流母线与蓄电池分别向电网反馈3 kW功率，当光板被遮挡时，直流母线能量下降至1 kW，其余5 kW则由蓄电池补充。

5 结论
光储联合并网发电系统是对光伏发电系统最合理的利用模式，蓄电池储能系统的引入，弥补了独立光伏系统发电分时断续，稳定性低的缺陷。同时，蓄电池较稳定的端压具有良好的箝位作用，辅助稳定系统直流母线电压，有利于逆变环节运转在最佳工况。储能装置的选择及其充、放电控制策略，及放电过程中的功率协调都是实际应用中需要研究和有待改进的方面。