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光伏储能系统控制策略
发布时间:2014-08-25

1 引   言

    由于偏远地区存在无电可用及负荷过大等现象,为了摆脱这种困境,光伏发电应用衍生出光伏储能系统分支,该系统集成了并网功能、离网功能、储能功能,可以适用于不同需求的微网系统,满足人们日常生活需求。


    偏远地区供电可靠性受天气、负荷等因素的影响很大,一般都配备有蓄电池、控制器等储能、能量调配设备。白天光伏储能逆变器发电供应负载,并为蓄电池充电,剩余电能并入电网供其它用户使用;夜间由蓄电池为负载供电。光伏储能逆变器应用十分广泛,主要包括户用光伏系统,独立光伏小电站、光伏水泵系统、光伏照明系统、光伏通信基站等。

文章详细分析光伏工频储能发电系统结构[1-3]、储能逆变器工作原理[4]及控制策略[5-6],分析控制策略的可行性, 设计控制环路,并进行实验验证,实现输入输出功率平衡,满足不同场合功率需求。

2 光伏储能系统

如图1所示,光伏储能系统由太阳能电池板、BUCK充电器、电池组、DSP控制器、逆变器等组成。通过BUCK充电器将PV直流输入转换为蓄电池和逆变器所需的电压;电池组可采用铅酸或锂电池,用来储存太阳能电池所发出的电能并可实时为负载或电网提供能量;DSP控制器用于MPPT跟踪处理、BUCK变换器开关管控制及全桥逆变控制, 实现系统DC-DC前级降压储能及双相逆变功能。

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光伏储能系统结构图

2.1 BUCK充电器控制策略设计

系统采用TMS320F2802作核心控制芯片。芯片完成BUCK降压、双相逆变、最大功率追踪及保护功能,为达到代码的高效率,采用C语言嵌入汇编的形式进行编程。

BUCK充电器将极板输出电压变换为稳定的直流电压Vdc, 并通过MPPT控制BUCK充电器的占空比来实现最大功率跟踪。电池板输入电压范围为50V至150V,当电池板输入电压高于母线电压时,充电器开始工作。

图2为BUCK充电器制框图。图中VPV 为极板电压、IPV为极板电流、VPVref为MPPT给定值、V0sample为输出电压采样值、V0ref为输出给定值、VPVsample为极板电压采样值、IL为电感电流采样值、D+为Q1控制占空比。

工作原理为:通过比较输入功率计算得到最大功率点VPVref给定值,VPVref与极板电压反馈值求误差后经过PI环路计算,与输出电压PI环路相加得出电感电流环路给定值,经过P计算,最终算出Q1调制比,与三角载波比较,输出调制方波,实现输出稳压以及最大功率跟踪功能。

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图2 BUCK充电器制框图 

根据上述设计选择MPPT控制方式[7]。提出双模式MPPT扰动观察法,该方法结合固定电压法和扰动观察法的优点,具有快速跟踪外部环境变化,最大功率点处振荡现象,对光伏极板利用率高的优点。

该MPPT控制原理为当外部环境变化时,光伏极板的开路电压会根据极板特性变化,通过固定电压法利用VMPP≈K*V(K为比例常数)计算出VMPP,然后通过特定步长扰动就能使光伏极板的输出功率快速接近最大功率点。当系统实现固定电压法的控制目标后,通过小步长扰动观察法使光伏极板的工作点继续向最大功率点移动,最后稳定工作在最大功率点附近。

3是双模式MPPT扰动观察法的工作流程图,其具体工作逻辑如下:

(l)对光伏极板输出电压V、输出电流I进行采样,并计算出VMPP、VPV及P;

(2)当工作点不在MPP误差范围内,根据△V的符号判断光伏极板工作在最大功率点左侧还是右侧,然后PI控制算法计算控制量△D,进行MPPT快速扫描。

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3双模式MPPT扰动观察法控制框图

 (3)当工作点在MPP误差范围内,表明系统工作在最大功率点附件处,此时采用小步长扰动观察法进行控制。

上述过程不断重复直到光伏器件输出功率两次采样的误差△P近似等于零。由于扰动步长较小,功率振荡现象基本消除。

2.2逆变器调制方式选择

逆变器选择全桥DC-AC电路,外部硬件电路设计方便,热稳定性好。全桥DC-AC逆变器采用单极性倍频控制方式[6]。上下桥臂驱动信号为四路高频驱动。

单极性倍频调制方式就是使用2个极性相反的参考正弦波与双向三角形载波交截产生功率开关驱动信号.原理如图2所示.该调制方式含有2个基波ug和-ug.ug与三角载波交截产生2个信号:ua和其互补信号。-ug与三角载波交截也产生2个信号:ub和其互补信号。输出电压u0的正半周是由ua和ub逻辑决定。因为在正半周内ua的高电平一直比ub的低电平区宽,所以只存在斜对管导通,从而使得输出电压u0中只包含ud和0两个电平.同理,在负半周输出电压u0由ua和ub两互补信号逻辑决定,它只包含0和-ud两个电平.由于ud在一个载波周期内有2次状态转变,所以其输出频率是开关管的一倍.

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图4 单极性倍频调制方式

2.3 逆变器控制策略设计

图5为逆变器控制策略图。图中Vbus 为母线电压、Iref为给定电流、Isample为输出电流采样值、Vbus sample为母线电压采样值、Ugrid为输出电压采样值、D为SPWM控制占空比。

并网情况下DC-AC逆变器主要完成控制母线电压Vbus维持恒定,实现前后两级功率平衡。控制框图如图5所示,母线电压外环经过PI计算得出电流给定值,再经电流内环计算,加上电网电压前馈值,算出输出调节量,与DSP给定的三角波信号比较来输出脉宽变化的SPWM波,从而实现系统充放电功能。

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 图5 并网下逆变器控制策略

图6为逆变器控制策略图。图中Vrms为输出电压有效值、Vref为瞬时电压给定值、V sample为输出电压采样值、Iref为给定电流、Isample为输出电流采样值、U0为输出电压采样值。

无电网孤岛系统情况下DC-AC逆变器主要完成单逆变功能,作为负载的电压源。控制框图如图6所示,根据设定输出电压有效值计算出对应角度电压给定值,经过PI环路求出电流环路给定,经过误差计算与输出电压前馈相加,得出调制占空比,作载波比较后控制开关管。通过该控制方式可以有效的控制逆变输出电流,稳定输出。

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图6 离网下逆变器控制策略

3 系统功能设计

系统主程序流程如图7所示,辅助电源建立后,满足PV工作条件进入PV充电模式,然后进入等待开机模式,当按键按下或判断为有电网开机时,进入外部环境检测自检模式,检测逆变器输入输出环境是否满足要求,满足逆变器工作条件,进入离网模式,为负载提供电压源;当有电网时,进入并网模式,并选择设置模式,储能或供电,正常并网工作;当运行中出现故障时,进入故障模式,等待故障消失后,再次启动。

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主程序流程图

3.1 保护功能设计

由于光伏储能系统拥有离网、储能、供电等功能,故保护功能需要涵盖现有光伏极板、电池、电网等源的检测及保护。

故障保护模块包括:PV输入过压及过流保护、电池过压及过流保护、电网过欠压保护、电网过欠频保护、电网过流保护、主动孤岛保护、各功率模块温度保护、电池温度保护等模块。

3.2 显示功能模块设计

  显示功能模块主要完成数据通讯设置功能,由于储能系统所处环境不同,故可根据不同的环境设置各种工作模式及输入输出设定量;储能及供电模式就是通过LCD设置,实现功能切换,或默认设置为一种自动工作模式,自启动运行。

4 实验结果与结论分析

   为了验证光伏储能系统可行性,搭建光伏储能系统平台,使用PV极板给电池充电,同时工作在离网带负载或并网模式。PV扫描曲线开路电压为140V , 最大功率点电压为116V,输入最大功率1500W,输出电压为55V , 48V 100AH铅酸电池,充电电流最大30A,带负载或并网储能供电1000W

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8

8显示波形依次是:PV极板电压、电池电压、极板输入电流,电池充电电流。

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9

9显示波形依次是:电池电压、负载电流、输出电压。

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10a

10a显示波形依次是:电池电压、并网供电电流、电网电压。

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10b

10 b显示波形依次是:电池电压、并网充电电流、电网电压。

 

8实验波形是MPPT140V至最大功率点116V的扫描过程,通过双模式MPPT扰动观察法可以在短时间内找到最大功率点,实现输出电压恒定在55V,并稳定输入输出电流。

9实验波形是无电网孤岛系统下,逆变输出230V,带负载1000W,输出电流波形。

10a实验波形是有电网并网,逆变并入230V电网,根据设置模式向电网侧供电1000W,输出电流波形。

10b实验波形是有电网并网,逆变并入230V电网,根据设置模式给电池储能充电1000W,电网侧电流波形。

  通过分析光伏储能系统的工作原理, 研究各模块功能,经过实际平台试验,验证了该光伏储能系统可行性;并得出以下优点:

  (1)MPPT扫描方法,在扫描过程更稳定,最大功率点跟踪精度更高,MPPT工作效率达到最大99%。

  (2)直流电压输入范围宽,储能功能可选择光伏极板、电网或混合充电。

  (3)有无电网逆变器都可以工作,合理利用能源,满足用户需求,对电网影响小,额定功率时电流谐波<3%。

 

参考文献

[1] 李琮袁 杨志坚. 基于DSP 的单级式光伏并网逆变器研究[J].电力电子技术,2011,45(1):36-38.

[2] 赵清林,郭小强,邬伟扬.单相逆变器并网控制技术研究[J].中国电机工程学报,2007,27(16):61-64. 

[3] 曹太强,许建平,祁强等.单相光伏并网逆变器控制技术[J].电力系统自动化,2012,32(5):133-136.

[4] 孙效峰. 高效率并网太阳能技术研究[J]. 电力电子技术, 2003, 37 ( 2): 49- 52.

[5] 刘鸿鹏,王卫,吴辉.光伏逆变器的调制方式分析与直流分量抑制[J] . 中 国 电 机 工 程 学 报,2010, 30( 9): 27- 32.

[6] 王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2005.

[7] 张超. 光伏并网发电系统MPPT及孤岛检测新技术的研究[D].浙江:浙江大学,2006.