光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)中的雙向直流變換器設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

宋 益，李熙蕓，亢雅博

(1.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司南寧供電局， 廣西 南寧 530000；3.遼寧省送變電工程有限公司，遼寧 沈陽 110021)

由于對傳統(tǒng)能源枯竭及環(huán)保意識認(rèn)識的提高，電力系統(tǒng)向分布式發(fā)電方向發(fā)展[1-2]。由于光伏等分布式發(fā)電的隨機(jī)性，能源存儲(chǔ)技術(shù)被認(rèn)為是未來的核心研究領(lǐng)域，特別是電池儲(chǔ)能系統(tǒng),像一個(gè)特殊的銀行，可以儲(chǔ)存電力，并作為電源。由于電能具有實(shí)時(shí)性，很難使輸出電壓保持在預(yù)定的范圍內(nèi)。因此，儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)揮了重要的作用。當(dāng)分布式發(fā)電系統(tǒng)波動(dòng)較大時(shí)，若有儲(chǔ)能電池及時(shí)放電，即可保證系統(tǒng)的安全性和可靠性[3]。

傳統(tǒng)的太陽能光伏發(fā)電采用直接并網(wǎng)或直供離網(wǎng)負(fù)荷的方式運(yùn)行，但由于電能的實(shí)時(shí)性，一般情況下，會(huì)出現(xiàn)供大于求或供不應(yīng)求的缺陷。針對這一問題，本文在光伏發(fā)電系統(tǒng)與負(fù)荷之間連接一個(gè)儲(chǔ)能電池，通過雙向直流變換器來控制電池的充放電，以達(dá)到提高能源利用率的目的。

1 光伏發(fā)電

1.1 基本電路

太陽能光伏組的等效電路如圖1所示。

經(jīng)分析，等效電路中理想的光伏發(fā)電組模型的輸出電流可以確定為

I=Iph-ID-Ish

(1)

1.2 光伏發(fā)電組參數(shù)

在光伏發(fā)電組中，主要有4個(gè)參數(shù)：短路電流Isc，開路電壓Uoc，峰值電流Im，峰值電壓Um。當(dāng)環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，光伏發(fā)電組的輸出參數(shù)也隨之

圖1 太陽能光伏組等效電路

改變，表示為

Uoc_new=Uoc(1-c·ΔT)(1+b·ΔS)

(2)

(3)

Um_new=Um(1-c·ΔT)(1+b·ΔS)

(4)

(5)

式中：S為光照強(qiáng)度；Tref為溫度標(biāo)準(zhǔn)值，取25 ℃；Sref為光照強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，取1 000 W/m2；ΔT為溫度的變化值；ΔS為光照強(qiáng)度的變化值；a，b，c分別代表經(jīng)典值，a=0.002 5 ℃，b=0.5，c=0.002 8 ℃。

2 最大功率追蹤(MPPT)

最大功率追蹤是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中一個(gè)重要的組成部分，其目的在于使太陽能的利用率達(dá)到最大化，減少損耗。最大功率追蹤有很多方法可以實(shí)現(xiàn)，本文采用擾動(dòng)觀察(P&O)法。

2.1 擾動(dòng)觀察法原理

擾動(dòng)觀察法是一個(gè)自行尋找最優(yōu)解的最大功率追蹤方法，其實(shí)現(xiàn)基于光伏發(fā)電組的P-U輸出關(guān)系[4]。其基本原理：讀取一個(gè)時(shí)刻光伏發(fā)電組的輸出功率，設(shè)為P1；下一時(shí)刻，再讀取另一輸出功率，設(shè)為P2。比較P1和P2的大小，取較大值。再取一時(shí)刻的輸出功率，設(shè)為P3，與上一較大值比較，取二者中較大值。以此類推，反復(fù)比較，某一時(shí)刻的輸出功率即最大功率。這一方法的流程如圖2所示。

圖2 擾動(dòng)觀察法的主要流程

2.2 仿真模型

在Matlab/Simulink中，可以實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)觀察法。如圖3所示，步長設(shè)為0.001。

圖3 MPPT模塊的仿真模型

3 雙向直流變換器

雙向直流變換器分為隔離型和非隔離型。非隔離型的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單、元器件少、便于控制，本文采用非隔離型Buck/Boost變換器。變換器可運(yùn)行在升壓或降壓模式下，以達(dá)到控制電池充放電目的，如圖4所示。

圖4 Buck/Boost變換器電路

3.1 主要參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1.1 濾波電感Lf

濾波電感的數(shù)值不能過大或過小，否則引起響應(yīng)速度慢或諧波過大。濾波電感應(yīng)保證能夠控制電流諧波范圍不超過輸出電流的10%。在IGBT閉合期間，根據(jù)感性特性，電感由式(6)進(jìn)行確定。

(6)

式中：Io為輸出電流；f為開關(guān)頻率。

經(jīng)過計(jì)算，Lf計(jì)算為5 mH。

3.1.2 電池側(cè)濾波電容Cf2

輸出側(cè)的濾波電容數(shù)值大小影響輸出電壓和電流的諧波。理論上，這個(gè)電容數(shù)值越大越好，但響應(yīng)速度會(huì)隨之變慢[5]。為了能夠選出最優(yōu)的Cf2值，本文使用一種新方法。該方法基于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況，只考慮諧波的影響。把諧波看作擁有基波f的電流源，其他高次諧波忽略不計(jì)。整個(gè)回路的等效電路如圖5所示。

(7)

(8)

a.當(dāng)電流為常數(shù)時(shí)

(9)

b.當(dāng)電壓為常數(shù)時(shí)

(10)

綜上，可得C2≥6 127 μF?？紤]裕量，電池側(cè)濾波電容Cf2的取值為6 500 μF。

3.1.3 輸入側(cè)電容Cf1

通過分析升壓電路的工作原理，可得輸入側(cè)電容的計(jì)算公式：

(11)

經(jīng)計(jì)算，C1=1 190 μF?？紤]裕量后，Cf1的取值為2 500 μF。

3.2 雙向直流變換器的控制方法

雙閉環(huán)的控制原理如圖6所示，電壓控制為外環(huán)，電流控制為內(nèi)環(huán)，最終的控制信號是PWM。Uref是額定運(yùn)行電壓；Udc直流母線電壓；Ib是電池充放電的電流值。其中，PI控制器為離散型，其系數(shù)分別為kp=2，ki=120。

圖6 雙向直流變換器的控制原理

3.3 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖7所示，a表示電池功率的變化曲線;b表示太陽能光伏發(fā)電組的最大功率;c表示負(fù)荷端的可變功率。從初始時(shí)間0～0.8 s，太陽能發(fā)電同時(shí)向電池端和負(fù)載端供能。在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，負(fù)載端的功率為5 kW，小于光伏功率8 kW。0.8 s后，負(fù)載突變至14 kW，此時(shí)，僅靠光伏已不能滿足需求，所以電池開始自動(dòng)向負(fù)荷端放電直至1.4 s。電池的充電狀態(tài)(SOC)同樣可見：0～0.8 s時(shí)，電池充電；0.8～1.4 s時(shí)，電池放電。

圖7 雙向直流變換器仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)雙向直流變換器，應(yīng)用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，控制電池充放電。雙向交流變換器的結(jié)構(gòu)采用非隔離型結(jié)構(gòu)，由于其架構(gòu)簡單、易于控制，效率很高。仿真結(jié)果表明，此變換器可以自動(dòng)控制電池在充電與放電模式中進(jìn)行轉(zhuǎn)換。