光伏儲能系統(tǒng)并/離網(wǎng)無縫切換技術(shù)研究

楊?柯

信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司

光伏儲能系統(tǒng)并/離網(wǎng)無縫切換技術(shù)研究

楊?柯

信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司

隨著環(huán)境和能源問題在全球范圍內(nèi)成為焦點(diǎn)，新能源技術(shù)得以迅速發(fā)展，以光伏儲能系統(tǒng)為代表的分布式發(fā)電己被廣泛應(yīng)用于微電網(wǎng)組成中。本文在分析光伏儲能系統(tǒng)模型及系統(tǒng)的能量管理與控制策略的基礎(chǔ)上，著重對并網(wǎng)逆變器的并離網(wǎng)無縫切換技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。對并網(wǎng)逆變器分析了并網(wǎng)及離網(wǎng)工況下的基本控制策略，研究了光伏電池的輸出特性和與其相對應(yīng)的Boost電路MPPT的控制方法，介紹了儲能系統(tǒng)Buck-Boost電路原理及其控制策略，對不同結(jié)構(gòu)的光伏儲能系統(tǒng)進(jìn)行了對比分析。

光伏儲能系統(tǒng)；并網(wǎng)及離網(wǎng)；無縫切換

電力系統(tǒng)的發(fā)展是一直朝著大容量集中發(fā)電以及超高壓的遠(yuǎn)距離輸電的方向發(fā)展，然而雖然大規(guī)模電力系統(tǒng)在具備系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定發(fā)輸電效率高等優(yōu)點(diǎn)的同時，也帶來了諸如運(yùn)行成本高、覆蓋區(qū)域局限等種種缺點(diǎn)，近幾年以紐約大停電為代表的世界范圍內(nèi)幾次大規(guī)模停電事故也暴露出電網(wǎng)在運(yùn)行可靠性和安全性方面的弱點(diǎn)。

1 光伏儲能井網(wǎng)系統(tǒng)與控制

1.1 結(jié)構(gòu)

非隔離型結(jié)構(gòu)光儲系統(tǒng)與電網(wǎng)具有電氣連接，實(shí)際的太陽能發(fā)電系統(tǒng)中光伏組件與地之間存在對地寄生電容。潮濕環(huán)境或雨天，該寄生電容可達(dá)200nF/kWp，而當(dāng)眾多光伏組件經(jīng)串并聯(lián)組成大規(guī)模光伏陣列后，寄生電容會達(dá)到更大。此對地寄生電容與光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路和電網(wǎng)形成共?；芈?。逆變器中開關(guān)器件動作引起寄生電容電壓變化，整個共?；芈吩诩纳娙莸墓材ｋ妷杭钕庐a(chǎn)生共模電流。共模回路的對地寄生電容與逆變器中濾波元件和電網(wǎng)阻抗形成諧振回路，當(dāng)共模電流頻率達(dá)到諧振回路的諧振頻率點(diǎn)時，電路中會出現(xiàn)大的漏電流，此共模電流不僅增加了系統(tǒng)損耗，還會影響逆變器正常工作以及注入電網(wǎng)大童諧波，帶來安全問題；另外，由于非隔離型并網(wǎng)逆變器橋臂與電網(wǎng)直接相連，維護(hù)人員碰到光伏側(cè)時，電網(wǎng)電流流過橋臂將威脅人員安全，保證不了光伏側(cè)電氣安全出于上述考慮，電氣隔離在光儲并網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。

1.2 控制策略

下面列舉幾種有代表性的工況進(jìn)行說明：工作模式1中，由于光儲并網(wǎng)運(yùn)行，為充分提高光伏利用率使其工作于MPPT模式，但光伏功率高于負(fù)載且儲能己達(dá)過充電壓，因此將多余電能全部饋送電網(wǎng)：工作模式2中，光儲離網(wǎng)運(yùn)行，儲能已達(dá)過充電壓，若光伏繼續(xù)工作于MPPT模式，則多余的電量無法處理，此時需光伏降功率輸出，由光伏穩(wěn)定高壓側(cè)電壓，不再工作于MPPT模式，而儲能則控制充電電流，以免過充；工作模式5中，并網(wǎng)運(yùn)行光伏依然工作于MPPT模式，但不能滿足負(fù)載所需功率且儲能可充電與放電，因此控制電網(wǎng)的功率輸出可提供負(fù)載電能亦可對儲能充電。

2 并離網(wǎng)無縫切換控制策略

當(dāng)所屬微網(wǎng)功率需要調(diào)整，閉環(huán)控制需一定的動態(tài)響應(yīng)時間，如果下垂系數(shù)較小則微源出力不能及時改變，此時微網(wǎng)電壓的幅值與頻率會出現(xiàn)較大波動，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后微源出力滿足不了微網(wǎng)中的功率波動；若采用的下垂系數(shù)較大，微源出力會出現(xiàn)過調(diào)節(jié)現(xiàn)象，微源出力會出現(xiàn)波動，微網(wǎng)將發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。假如微網(wǎng)系統(tǒng)需進(jìn)行功率調(diào)整的短時間內(nèi)取較大下垂系數(shù)，隨著微源出力的改變不斷減小下垂系數(shù)，則將兼顧二者優(yōu)點(diǎn)，既能及時調(diào)整微源出力有效抑制微網(wǎng)電壓頻率與幅值較大幅度的波動，較高精度的滿足功率變動，又能使系統(tǒng)最終趨于穩(wěn)定。一般雙模式并離網(wǎng)切換所存在的問題采用了下垂控制的單模式并離網(wǎng)切換方法，由于采用單模式的切換方法切換前后控制策略未發(fā)生改變，只是并網(wǎng)開關(guān)進(jìn)行了導(dǎo)通與關(guān)斷的變化，避免了雙模式切換的種種問題。同時指出傳統(tǒng)下垂曲線控制并網(wǎng)時存在功率輸出不穩(wěn)現(xiàn)象，以及其控制并離網(wǎng)切換時存在的問題，進(jìn)而加以改進(jìn)，采用了非線性下垂曲線控制。采用改進(jìn)非線性下垂曲線控制后，逆變器并網(wǎng)運(yùn)行時其輸出功率受網(wǎng)壓波動的影響減小，更加穩(wěn)定，同時也改善了傳統(tǒng)下垂曲線并離網(wǎng)切換的效果，實(shí)現(xiàn)了平滑無縫切換。

3 系統(tǒng)分析

3.1 采樣調(diào)理電路設(shè)計(jì)

變換器主電路中對電壓、電流進(jìn)行控制時，需要將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進(jìn)行處理，在此過程中，電壓、電流信號經(jīng)霍爾傳感器隔離采樣，將高壓大電流的強(qiáng)電信號轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪盒‰娏鞯娜蹼娦盘?，再通過模擬調(diào)理電路的處理，輸入到數(shù)字信號處理器中，對其進(jìn)行控制。此系統(tǒng)中，需要對逆變器輸出電壓、電流、網(wǎng)壓等進(jìn)行采集進(jìn)行監(jiān)測與控制，調(diào)理電路需將這些控制t轉(zhuǎn)化為符合DSP輸入要求的信號，并帶有一定保護(hù)功能。

3.2 故障保護(hù)電路設(shè)計(jì)

故障保護(hù)分為兩種，一種是從驅(qū)動芯片返回的故障信號，將其輸入DSP的TZ端，通過軟件封鎖脈沖進(jìn)行保護(hù)。IPM有精良的內(nèi)置保護(hù)電路以避免因系統(tǒng)失靈或過應(yīng)力而使功率器件損壞。保護(hù)包括驅(qū)動電源欠壓保護(hù)，及過熱、過流、短路保護(hù)。故障信號，經(jīng)光耦輸出到HD74HC32P芯片，此芯片能夠?qū)⒍鄠€IGBT故障集合成一個故障信號，即任意一個IGBT故障都將輸出故障信號fault7，然后經(jīng)A32L翻轉(zhuǎn)輸入到DSP的TZ管腳，進(jìn)行軟件封鎖脈沖，對電路進(jìn)行保護(hù)。

3.3485，CAN通信電路設(shè)計(jì)

觸摸屏與DSP、以及DSP之間采用的是485通信，將DSP的SCI串口通信引腳外接RSM3485通信模塊，此模塊集成了電源隔離、電氣隔離、高速RS-485接口器件和總線保護(hù)功能于一身，性能穩(wěn)定，將DSP發(fā)出信號轉(zhuǎn)換為差分信號后進(jìn)行傳輸，提高了抗干擾性。儲能系統(tǒng)的BMS與DSP之間采用CAN通信協(xié)議，同樣應(yīng)用了CTM8251外接DSP的CAN通信引腳，將邏輯電平轉(zhuǎn)換為了CAN總線的差分電平，提高了數(shù)據(jù)傳輸過程中的抗干擾性。

綜上所述，本文對光伏儲能并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，并在此基礎(chǔ)上對目前普遍存在的分布式電源在并網(wǎng)及離網(wǎng)兩種運(yùn)行工況之間進(jìn)行切換易產(chǎn)生電壓電流沖擊的角度進(jìn)行了并離網(wǎng)無縫切換的?研究。

[1]羅瀟.光儲互補(bǔ)并離網(wǎng)一體逆變器的研究[D].東華大學(xué)，2015.

[2]謝締.兩級式光伏儲能并離網(wǎng)控制技術(shù)研究[D].西南交通大學(xué)，2016.