光儲互補并離網(wǎng)一體逆變器控制策略

羅瀟，李征

（東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620）

隨著全球能源危機以及環(huán)境問題的日益嚴峻，以清潔、可再生的太陽能作為能源的光伏發(fā)電技術(shù)受到越來越多的關(guān)注[1－3]。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)作為清潔能源對于緩解能源危機以及環(huán)境污染等問題具有重要的意義。對于傳統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)，大都單獨采用光伏并網(wǎng)型或者光伏離網(wǎng)型[4－6]，對于偏遠地區(qū)和非洲貧困地區(qū)都不能有效實現(xiàn)家庭負載的不間斷供電。

本文采取并離網(wǎng)一體光儲互補型逆變器來實現(xiàn)系統(tǒng)的供電，光伏板與鋰電池以及電網(wǎng)都能作為電源為家庭負載提供電能。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文研究的光儲互補并離網(wǎng)一體逆變器系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)是由光伏組件，鋰電池，電網(wǎng)以及開關(guān)器件組成。包含兩個DC/DC變換器，其中光伏側(cè)單向DC/DC變換器（Boost）將太陽能組件提供的電壓（175～450 V）升壓至直流母線所需電壓（本文直流母線電壓為480 V），鋰電池側(cè)雙向DC/DC（Buck－Boost）跨接到直流母線上共同控制直流母線電壓的穩(wěn)定，直流母線接到全橋逆變器上來給負載供電。通過控制開關(guān)S來實現(xiàn)系統(tǒng)進行并網(wǎng)模式和離網(wǎng)模式的切換。

2 運行工況

光伏儲能并離網(wǎng)一體逆變器的核心就是能夠?qū)崿F(xiàn)對負載的不間斷供電，為了使發(fā)電系統(tǒng)能夠穩(wěn)定協(xié)調(diào)的運行，本文將系統(tǒng)的運行情況分四種工況來討論。

工況一：對于光伏組件來說，在白天光照充足時光伏組件能夠獲取足夠的電能來為負載供電，若此時鋰電池還沒有充滿電，則光伏在給負載供電的同時也給鋰電池充電。

工況二：在工況一的前提下，若此時鋰電池已充滿電，則光伏組件在給負載供電的同時也給電網(wǎng)饋電。

工況三：在晚上或者陰雨天時，光伏組件提供的電能不能夠滿足負載的需求，此時若鋰電池能夠提供電能，則由光伏組件與鋰電池共同給負載供電。

工況四：在工況三的前提下，若此時光伏組件與鋰電池同時供電也滿足不了負載的需求，則此時由電網(wǎng)給負載供電同時也給鋰電池充電。

3 變換器控制策略

3.1 光伏側(cè)Boost變換器控制策略

對于光伏側(cè)，Boost變換器可以工作在MPPT模式或者CV模式。圖2給出了光伏側(cè)Boost變換器的控制框圖。其中upv為光伏側(cè)出口電壓，udc為直流母線電壓，iL1為光伏側(cè)Boost變換器的電感電流。當(dāng)變換器工作在CV模式時，其目標(biāo)是控制直流母線電壓穩(wěn)定。采用電感電流內(nèi)環(huán)，電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，電感電流內(nèi)環(huán)可提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，電壓外環(huán)能提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度和抗擾性能。當(dāng)變換器工作在MPPT模式時，其目標(biāo)是最大限度的獲取太陽能。目前，國內(nèi)外對于MPPT控制方法中運用較多的有恒壓法、電導(dǎo)增量法、擾動觀測法等，本文選取擾動觀測法來實現(xiàn)MPPT功能。

3.2 鋰電池側(cè)Buck-Boost變換器控制策略

對于鋰電池側(cè)，Buck-Boost變換器可以工作在Buck模式或者Boost模式。圖3給出了鋰電池側(cè)Buck-Boost變換器的控制框圖。其中ubat為鋰電池出口電壓，iL2為電池側(cè)Buck-Boost變換器的電感電流。

當(dāng)變換器工作在Buck模式時，其目標(biāo)是對鋰電池進行充電。采用電感電流環(huán)的控制方式對鋰電池進行恒流充電，直到鋰電池SOC達到95%為止。此時開關(guān)管S3始終斷開，控制器只給開關(guān)管S2發(fā)脈沖。

圖1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of power generation system

圖2 Boost變換器控制框圖Fig.2 Control diagram of the Boost converter

當(dāng)變換器工作在Boost模式時，其目標(biāo)是控制直流母線電壓穩(wěn)定。采用電感電流內(nèi)環(huán)，電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制方式。此時開關(guān)管S2始終斷開，控制器只給開關(guān)管S3發(fā)脈沖。

3.3 全橋逆變器控制策略

對于負載側(cè)，全橋逆變器可工作在獨立逆變模式與并網(wǎng)模式。工作在獨立逆變模式時，系統(tǒng)給負載供電。工作在并網(wǎng)模式時，太陽能把輸出富余的能量饋給電網(wǎng)。

圖3 Buck-Boost變換器控制框圖Fig.3 Control diagram of the Buck-Boost converter

獨立逆變模式時的控制框圖如圖4所示。采用三環(huán)的控制方式，內(nèi)環(huán)為電感電流環(huán)，來提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。中環(huán)為瞬時電壓環(huán)，使輸出電壓波形穩(wěn)定。外環(huán)為電壓有效值環(huán)，提高電壓有效值精度。把電壓有效值220 V作為參考值與采樣回來經(jīng)過計算得到的有效值相比較，誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后的值作為瞬時電壓的參考值，再與采樣得到的電壓值相比較，誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后的值作為電感電流的參考值，與采樣得到的電感電流相比較，誤差經(jīng)過P調(diào)節(jié)器之后進行PWM調(diào)制來驅(qū)動開關(guān)管的動作。

圖4 獨立逆變控制框圖Fig.4 Control diagram of the full-bridge inverter in stand-alonemode

并網(wǎng)模式時的控制框圖如圖5所示。采用雙閉環(huán)的控制方式，內(nèi)環(huán)為電感電流環(huán)，外環(huán)為直流母線電壓環(huán)。把直流母線電壓給定值480 V作為參考值，與采樣回來的直流母線電壓進行比較，誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后的值作為電網(wǎng)電流的參考值，與采樣回來的電網(wǎng)電流進行比較，誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后與電網(wǎng)電壓進行疊加之后進行PWM調(diào)制來驅(qū)動開關(guān)管的動作。

圖5 并網(wǎng)模式控制框圖Fig.5 Control diagram of the full-bridge inverter in grid-connected mode

4 系統(tǒng)離網(wǎng)運行與并網(wǎng)運行

由以上分析可知，本文既可以工作在離網(wǎng)模式，也可以工作在并網(wǎng)模式。下面以工況一與工況二為例分析系統(tǒng)工作在離網(wǎng)模式與并網(wǎng)模式下的控制方式。如圖6所示為系統(tǒng)運行在工況一下各個變換器的控制框圖。此時，光伏側(cè)Boost變換器工作在CV模式來維持直流母線電壓穩(wěn)定。鋰電池側(cè)Buck-Boost變換器工作在Buck模式，用來給鋰電池充電。全橋逆變器工作在獨立逆變模式，全橋逆變器采用三閉環(huán)的控制方式，內(nèi)環(huán)為電感電流環(huán)，中環(huán)為瞬時電壓環(huán)，外環(huán)為電壓有效值環(huán)。在此工況下，系統(tǒng)的能量平衡關(guān)系式為：Ppv=Pbat+Pload。

圖6 工況一控制框圖Fig.6 Control diagram of system mode 1

如圖7所示為系統(tǒng)運行在工況二下各個變換器的控制框圖，此時BOOST變換器工作在CV模式來維持直流母線電壓穩(wěn)定。鋰電池側(cè)BUCK-BOOST變換器不工作，開關(guān)管S2、S3始終關(guān)閉。全橋逆變器工作在并網(wǎng)模式，全橋逆變器采用雙閉環(huán)的控制方式，內(nèi)環(huán)為電感電流環(huán)，外環(huán)為直流母線電壓環(huán)。在此工況下，系統(tǒng)的能量平衡關(guān)系式為Ppv=Pgrid+Piand。

圖7 工況二控制框圖Fig.7 Control diagram of system mode 2

5 實驗結(jié)果

為驗證以上理論的可行性，搭建了光儲互補并離網(wǎng)一體逆變器的5 kW實驗樣機。其中，光伏組件輸出電壓范圍為175～450 V，鋰電池輸出電壓范圍為 180～240 V，直流母線電壓為480 V，電網(wǎng)電壓為220 V/50 Hz。

圖8給出了逆變器工作在不同狀態(tài)下的實驗波形。其中Udc為直流母線電壓，Uo為逆變器輸出電壓，Ugrid為電網(wǎng)電壓，ipv為光伏電流，ibat_a為電池放電電流，ibat_b為電池充電電流。圖8（a）給出了光伏側(cè)給負載供電，同時給電池充電的實驗波形。直流母線電壓Udc穩(wěn)定在480 V，負載側(cè)電壓Uo輸出為220 V/50 Hz交流電。圖8（b）給出了電池單獨給負載供電的實驗波形。直流母線電壓穩(wěn)定為480 V，負載側(cè)電壓為220 V/50 Hz。圖8（c）給出了光伏側(cè)給負載供電，同時給電網(wǎng)饋能的實驗波形。直流母線電壓穩(wěn)定為480 V，負載側(cè)電壓為220 V/50 Hz。圖8（d）給出了從光伏與電池共同給負載供電到光伏給負載供電同時給電池充電的切換波形圖。可以看到，在切換過程中直流母線電壓與電池側(cè)電感電流有一定的波動，但逐漸趨于穩(wěn)定，負載側(cè)電壓在切換過程中很穩(wěn)定。

圖8 電壓電流波形圖Fig.8 Waveforms of voltage and current

6 結(jié) 論

本文針對光儲互補并離網(wǎng)一體逆變器系統(tǒng)，研究了其拓撲結(jié)構(gòu)中各個變換器的控制策略。搭建了5KW實驗樣機，系統(tǒng)能穩(wěn)定運行，并能實現(xiàn)工況間的切換。實驗結(jié)果驗證了本文提出的控制策略的可行性。

[1]張興，曹仁賢.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制[M].機械工業(yè)出版社，2011.

[2]Liu B，Duan S，Cai T.Photovoltaic DC-building-modulebased BIPV system-concept and design considerations[J].Power Electronics， IEEE Transactions on，2011，26 （5）:1418-1429.

[3]Bragard M，Soltau N，Thomas S，et al.The balance of renewable sources and user demands in grids:Power electronics for modular battery energy storage systems[J].Power Electronics， IEEE Transactions on，2010，25（12）:3049-3056.

[4]廖志凌，阮新波.一種獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)雙向變換器的控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報，2008，23（1）:97-103.LIAO Zhi-ling，RUAN Xin-bo．Control strategy for bi-directional DC/DC converter of Anovel stand-alone photovoltaic power system[J]．Transactions of China Electrotechnical Society，2008，23（1）:97-103．

[5]Kjaer S B，Pedersen J K，Blaabjerg F.Areview of singlephase grid-connected inverters for photovoltaic modules[J].Industry Applications， IEEE Transactions on，2005，41（5）:1292-1306.

[6]Serban E，Serban H.Acontrol strategy for Adistributed power generation microgrid application with voltage-and current-controlled source converter[J].Power Electronics，IEEE Transactions on，2010，25（12）:2981-2992