光伏儲能系統控制策略

1 引 言

由於偏遠地區存在無電可用及負荷過大等現象，為了擺脫這種困境，光伏發電應用衍生出光伏儲能系統分支，該系統集成了併網功能、離網功能、儲能功能，可以適用於不同需求的微網系統，滿足人們日常生活需求。

偏遠地區供電可靠性受天氣、負荷等因素的影響很大，一般都配備有蓄電池、控制器等儲能、能量調配設備。白天光伏儲能逆變器發電供應負載，並為蓄電池充電，剩餘電能併入電網供其它用戶使用；夜間由蓄電池為負載供電。光伏儲能逆變器應用十分廣泛，主要包括戶用光伏系統，獨立光伏小電站、光伏水泵系統、光伏照明系統、光伏通信基站等。

文章詳細分析光伏工頻儲能發電系統結構[1-3]、儲能逆變器工作原理[4]及控制策略[5-6]，分析控制策略的可行性, 設計控制環路，並進行實驗驗證，實現輸入輸出功率平衡，滿足不同場合功率需求。

2 光伏儲能系統

如圖1所示,光伏儲能系統由太陽能電池板、BUCK充電器、電池組、DSP控制器、逆變器等組成。通過BUCK充電器將PV直流輸入轉換為蓄電池和逆變器所需的電壓；電池組可採用鉛酸或鋰電池,用來儲存太陽能電池所發出的電能並可實時為負載或電網提供能量；DSP控制器用於MPPT跟蹤處理、BUCK變換器開關管控制及全橋逆變控制, 實現系統DC-DC前級降壓儲能及雙相逆變功能。

圖1 光伏儲能系統結構圖

2.1 BUCK充電器控制策略設計

系統採用TMS320F2802作核心控制晶元。晶元完成BUCK降壓、雙相逆變、最大功率追蹤及保護功能，為達到代碼的高效率，採用C語言嵌入彙編的形式進行編程。

BUCK充電器將極板輸出電壓變換為穩定的直流電壓Vdc, 並通過MPPT控制BUCK充電器的占空比來實現最大功率跟蹤。電池板輸入電壓範圍為50V至150V，當電池板輸入電壓高於母線電壓時，充電器開始工作。

圖2為BUCK充電器制框圖。圖中VPV 為極板電壓、IPV為極板電流、VPVref為MPPT給定值、V0sample為輸出電壓採樣值、V0ref為輸出給定值、VPVsample為極板電壓採樣值、IL為電感電流採樣值、D+為Q1控制占空比。

工作原理為：通過比較輸入功率計算得到最大功率點VPVref給定值，VPVref與極板電壓反饋值求誤差后經過PI環路計算，與輸出電壓PI環路相加得出電感電流環路給定值，經過P計算，最終算出Q1調製比，與三角載波比較，輸出調製方波，實現輸出穩壓以及最大功率跟蹤功能。

圖2 BUCK充電器制框圖

根據上述設計選擇MPPT控制方式[7]。提出雙模式MPPT擾動觀察法，該方法結合固定電壓法和擾動觀察法的優點，具有快速跟蹤外部環境變化，最大功率點處振蕩現象，對光伏極板利用率高的優點。

該MPPT控制原理為當外部環境變化時，光伏極板的開路電壓會根據極板特性變化，通過固定電壓法利用VMPP≈K*V（K為比例常數）計算出VMPP，然後通過特定步長擾動就能使光伏極板的輸出功率快速接近最大功率點。當系統實現固定電壓法的控制目標后，通過小步長擾動觀察法使光伏極板的工作點繼續向最大功率點移動，最後穩定工作在最大功率點附近。

圖3是雙模式MPPT擾動觀察法的工作流程圖，其具體工作邏輯如下:

(l)對光伏極板輸出電壓V、輸出電流I進行採樣，並計算出VMPP、VPV及P;

(2)當工作點不在MPP誤差範圍內，根據△V的符號判斷光伏極板工作在最大功率點左側還是右側，然後PI控制演算法計算控制量△D，進行MPPT快速掃描。

圖3雙模式MPPT擾動觀察法控制框圖

(3)當工作點在MPP誤差範圍內，表明系統工作在最大功率點附件處，此時採用小步長擾動觀察法進行控制。

上述過程不斷重複直到光伏器件輸出功率兩次採樣的誤差△P近似等於零。由於擾動步長較小，功率振蕩現象基本消除。

2.2逆變器調製方式選擇

逆變器選擇全橋DC-AC電路，外部硬體電路設計方便，熱穩定性好。全橋DC-AC逆變器採用單極性倍頻控制方式[6]。上下橋臂驅動信號為四路高頻驅動。

單極性倍頻調製方式就是使用2個極性相反的參考正弦波與雙向三角形載波交截產生功率開關驅動信號．原理如圖2所示．該調製方式含有2個基波ug和-ug．ug與三角載波交截產生2個信號：ua和其互補信號。-ug與三角載波交截也產生2個信號：ub和其互補信號。輸出電壓u0的正半周是由ua和ub邏輯決定。因為在正半周內ua的高電平一直比ub的低電平區寬，所以只存在斜對管導通，從而使得輸出電壓u0中只包含ud和0兩個電平．同理，在負半周輸出電壓u0由ua和ub兩互補信號邏輯決定，它只包含0和-ud兩個電平．由於ud在一個載波周期內有2次狀態轉變，所以其輸出頻率是開關管的一倍．

圖4 單極性倍頻調製方式

2.3 逆變器控制策略設計

圖5為逆變器控制策略圖。圖中Vbus 為母線電壓、Iref為給定電流、Isample為輸出電流採樣值、Vbus sample為母線電壓採樣值、Ugrid為輸出電壓採樣值、D為SPWM控制占空比。

併網情況下DC-AC逆變器主要完成控制母線電壓Vbus維持恆定，實現前後兩級功率平衡。控制框圖如圖5所示，母線電壓外環經過PI計算得出電流給定值，再經電流內環計算，加上電網電壓前饋值，算出輸出調節量，與DSP給定的三角波信號比較來輸出脈寬變化的SPWM波，從而實現系統充放電功能。

圖5 併網下逆變器控制策略

圖6為逆變器控制策略圖。圖中Vrms為輸出電壓有效值、Vref為瞬時電壓給定值、V sample為輸出電壓採樣值、Iref為給定電流、Isample為輸出電流採樣值、U0為輸出電壓採樣值。

無電網孤島系統情況下DC-AC逆變器主要完成單逆變功能，作為負載的電壓源。控制框圖如圖6所示，根據設定輸出電壓有效值計算出對應角度電壓給定值，經過PI環路求出電流環路給定，經過誤差計算與輸出電壓前饋相加，得出調製占空比，作載波比較后控制開關管。通過該控制方式可以有效的控制逆變輸出電流，穩定輸出。

圖6 離網下逆變器控制策略

3 系統功能設計

系統主程序流程如圖7所示，輔助電源建立后，滿足PV工作條件進入PV充電模式，然後進入等待開機模式，當按鍵按下或判斷為有電網開機時，進入外部環境檢測自檢模式，檢測逆變器輸入輸出環境是否滿足要求，滿足逆變器工作條件，進入離網模式，為負載提供電壓源；當有電網時，進入併網模式，並選擇設置模式，儲能或供電，正常併網工作；當運行中出現故障時，進入故障模式，等待故障消失后，再次啟動。

圖7 主程序流程圖

3.1 保護功能設計

由於光伏儲能系統擁有離網、儲能、供電等功能，故保護功能需要涵蓋現有光伏極板、電池、電網等源的檢測及保護。

故障保護模塊包括：PV輸入過壓及過流保護、電池過壓及過流保護、電網過欠壓保護、電網過欠頻保護、電網過流保護、主動孤島保護、各功率模塊溫度保護、電池溫度保護等模塊。

3.2 顯示功能模塊設計

顯示功能模塊主要完成數據通訊設置功能，由於儲能系統所處環境不同，故可根據不同的環境設置各種工作模式及輸入輸出設定量；儲能及供電模式就是通過LCD設置，實現功能切換，或默認設置為一種自動工作模式，自啟動運行。

4 實驗結果與結論分析

為了驗證光伏儲能系統可行性，搭建光伏儲能系統平台，使用PV極板給電池充電，同時工作在離網帶負載或併網模式。PV掃描曲線開路電壓為140V , 最大功率點電壓為116V，輸入最大功率1500W，輸出電壓為55V , 48V 100AH鉛酸電池，充電電流最大30A，帶負載或併網儲能供電1000W。

圖8

圖8顯示波形依次是：PV極板電壓、電池電壓、極板輸入電流，電池充電電流。

圖9

圖9顯示波形依次是：電池電壓、負載電流、輸出電壓。

圖10a

圖10a顯示波形依次是：電池電壓、併網供電電流、電網電壓。

圖10b

圖10 b顯示波形依次是：電池電壓、併網充電電流、電網電壓。

圖8實驗波形是MPPT從140V至最大功率點116V的掃描過程，通過雙模式MPPT擾動觀察法可以在短時間內找到最大功率點，實現輸出電壓恆定在55V，並穩定輸入輸出電流。

圖9實驗波形是無電網孤島系統下，逆變輸出230V，帶負載1000W，輸出電流波形。

圖10a實驗波形是有電網併網，逆變併入230V電網，根據設置模式向電網側供電1000W，輸出電流波形。

圖10b實驗波形是有電網併網，逆變併入230V電網，根據設置模式給電池儲能充電1000W，電網側電流波形。

通過分析光伏儲能系統的工作原理, 研究各模塊功能,經過實際平台試驗，驗證了該光伏儲能系統可行性；並得出以下優點:

(1)MPPT掃描方法，在掃描過程更穩定，最大功率點跟蹤精度更高，MPPT工作效率達到最大99%。

(2)直流電壓輸入範圍寬，儲能功能可選擇光伏極板、電網或混合充電。

(3)有無電網逆變器都可以工作，合理利用能源，滿足用戶需求，對電網影響小，額定功率時電流諧波<3%。

作者：謝締

參考文獻

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