光蓄互补发电系统技术的研究

摘要：通过研究由太阳能电池板、蓄电池、变流器和开关电器组成的光伏发电系统，并根据太阳能电池板和蓄电池特性，以及现场实际情况和系统稳定运行要求，在太阳能电池最大功率点跟踪(MPPT)控制技术和蓄电池充放电控制等方面提出了独特的设计方案。对蓄电池电能并、离网两种工作模式的控制策略进行了深入研究，设计出额定功率为50 kW的光蓄互补发电系统用变流器和光蓄互补实验平台。利用该实验平台进行MPPT实验、蓄电池充放电和离、并网实验。实验结果验证了提出的硬件设计和控制策略的正确性和有效性。
关键词：变流器；最大功率点跟踪；光伏蓄电池

1 引言
由于电力系统的发展和控制技术不断成熟，太阳能供电技术成为了研究热点。随着智能电网和微电网概念的提出，光蓄互补发电系统能否安全稳定地并入电网供电和离网独立供电成为基本技术要求。这里对光蓄互补发电系统进行深入研究，并设计了光蓄互补发电系统用变流器，搭建了实验平台针对相关运行状态进行实验。

2 光蓄互补发电系统应用技术
2．1 太阳能电池板MPPT控制
光伏阵列的功率输出特性为非线性，其输出电压电流由负载情况决定，太阳能电池板总会在某个输出电压点上提供最大功率，该点即为最大功率点(MPP)。为提高整个系统效率，必须充分利用太阳能组件的功率输出能力，因此需对太阳能电池板进行MPPT，通过实时跟踪光伏阵列MPP，使光伏阵列始终工作在MPP附近，从而提高系统效率。所研究系统MPPT采用扰动观测法，该方法的思想是给太阳能电池板输出电压值上加一个扰动量△U，在新建立的电压U+△U下测量光伏电池板输出电压与电流，计算对应功率，与输出电压为U时的功率比较，若输出功率增加，则表示扰动方向正确，继续朝同一方向增加△U，若扰动后功率值减小，则往反方向扰动。该方法需测量的电量少，实现起来比较容易，只要进行简单的运算和比较即可，MPPT效果也较好。此处，系统太阳能电池板的MPPT由Boost电路实现，控制系统采用恒频变占空比控制策略，△U=5 V，单次电压扰动时间200μs，控制框图如图1所示。光伏阵列输出电压、电感电流分别为Ui，Ii，作为MPPT控制算法的输入量，由MPPT控制器按照扰动观测法调节后计算占空比并给定PWM脉冲信号，经驱动电路后控制开关管导通与关断。

2．2 蓄电池充放电控制
在光伏发电系统中，蓄电池对系统产生的电能起着储存和调节作用，在离网工作模式下，蓄电池作为重要供电电源，其可靠性直接影响负载的运行。在此采用锂离子蓄电池组作为储能装置设计的蓄电池管理系统，具有电压、电流、温度检测及保护功能，在充放电过程中，系统中每一个串联电池模块电压均在管理系统监控下，当电压超过设定电压范围时，将向光蓄互补发电系统发出报警，必要时切断主接触器，此外管理系统具备剩余电量(SOC)计算等功能，最终通过CAN通讯给系统总控提供电池的监控信息，从而完成锂电池的充放电及保护。
蓄电池充放电控制技术的实现是结合蓄电池管理系统共同完成的，要求系统能在并网时，与电网共同给负载供电，在电网发生事故或开关发生故障时，能离网独立运行。在独立离网运行时，该设计中太阳能电池板和蓄电池组成的供电系统能安全、稳定地给负载供电。充放电由双向DC／DC电路实现，蓄电池管理系统给系统控制核心提供必要数据，主要有蓄电池组SOC，电池组串总电流、单体电池电压、温度等信息，系统控制核心以电池管理系统提供的数据作为依据对电池充放电进行控制，系统将蓄电池SOC分为上限SOC，后备SOC及下限SOC 3种，作为蓄电池在系统不同工作模式下充放电的依据。
系统工作在并网状态时，启动后判断太阳能电池板是否启动，当太阳能电池板达到系统设定电压后，通过管理系统提供的SOC数据判断蓄电池SOC是否达到SOC上限值，若未达到，则控制双向DC／DC电路给蓄电池充电，充电至所设定的SOC上限值时停止充电；在太阳能电池板小于停止电压并停止输出功率时，判断蓄电池SOC是否大于SOC后备值，若大于SOC后备值，则控制双向DC／DC电路工作在蓄电池放电工况，直至放电至所设定的SOC后备值时停止放电，若蓄电池SOC小于SOC后备值，此时蓄电池充电，系统控制蓄电池充电电流为0．3 C，放电电流为0．4 C。并网充放电控制框图如图2所示。

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系统运行在离网状态时，光伏阵列可提供的功率Ppv与用电负载容量PL的关系决定蓄电池是否投入供电，当电池板可提供的功率可满足负载要求并有多余功率输出能力时，判断蓄电池SOC是否达到上限，若未达到，太阳能电池板输出的额外电能用来给蓄电池充电，若电池板可提供的功率不能满足当前用电负载的要求，控制蓄电池放电，蓄电池与太阳能电池板共同给负载供电，在满足负载要求的同时，应避免蓄电池深度放电对设备造成损害，设定SOC下限值并限制放电电流，当蓄电池管理系统检测到SOC小于下限值时，蓄电池不再放电，控制流程如图3所示。

3 实验
研制了额定功率50 kW的光蓄互补发电系统用变流器，利用该变流器组成光蓄互补发电实验系统。变流器主电路拓扑采用两级结构，第1级为DC／DC变换器，选用基本Boost，Buck电路；第2级为三相PWM逆变器，变流器具备蓄电池输入、光伏输入和交流输出环节，图4为系统接线图。

3．1 最大功率跟踪
光伏模拟电源采用直流可编程电源，利用软件对模拟电源进行编程，使其输出特性模拟实际太阳能电池板特性，由于模拟电源设备功率等级的限制，实验给定I-U曲线理论MPP为：Pmax=4．4 kW，Umpp=530 V，Impp=8．3 A。启动变流器和模拟电源后，等系统跟踪到MPP时记录模拟电源输出直流电压Udc、电流Idc出波形，如图5所示。Idc，Udc有效值为8．17 A，518 V，模拟电源输出功率为4．23 kW，与理论MPP有0．17 kW的偏差，这部分微功率损失是由扰动观测法原理造成，系统稳态时，不断的扰动使系统在MPP附近振荡运行。

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3．2 蓄电池充放电
将模拟电源断开，再将变流器交流侧断路器闭合，进行蓄电池充放电实验。蓄电池侧DC／DC变换器采用电流控制方式，给定中间直流母线电压指令，与反馈值做差后经PI调节器、限幅环节及电流方向判断后得到蓄电池电流指令信号，经做差及PI调节器得到占空比，通过PWM脉冲控制IGBT动作，从而控制双向DC／DC电路的充放电电流。图6为充放电实验波形，i*为充放电电流。蓄电池容量96 Ah，蓄电池充电指令30 A，放电指令40A。充电时三相PWM整流器工作在整流状态，直流侧充电电流稳定在30A；放电时工作在逆变状态，直流侧放电电流稳定在40A。

3．3 并、离网
并网实验在太阳能电池板阵列峰值功率为55 kWp的应用现场完成，白天某时刻由功率分析仪测量三相并网电压、电流，表1为电气性能数据。总输出功率P=40．379 kW，满足功率因数接近1并网的要求，且电流畸变率被控制为较小值。

表2示出一天中测试的4组数据，交流侧输出功率为系统输出功率Po，太阳能电池板侧输出功率为系统输入功率Pin，效率η=Po／Pin。

断开交流配电柜中交流断路器，使电网与变流器断开联系，系统启动后工作在离网模式下，变流器呈现三相交流电压源特性，三相交流输出电压相角为0°，120．7°，-119．64°，频率均为49．995 Hz，输出电压可由软件给定以满足当地负载要求，三相电压总谐波畸变率为1．23％，1．29％，0．96％。

4 结论
设计的系统按要求能在并网时与电网共同为负载供电，在电网发生事故或开关发生故障时离网独立运行。在独立离网运行时，太阳能电池板和蓄电池组成的供电系统能为负载安全、稳定地供电。实验结果验证了其正确性和有效性。整个系统还需完善，如并、离网模式互相切换，理想状态为无缝切换；最大功率点跟踪方法需进一步完备，扰动观测法在特定条件下，如太阳能电池板遮挡，温度光强变化剧烈时可能导致扰动方向判断失误。