基于雙控制核心的光伏儲能管理系統(tǒng)

薛家祥，吳 波

（華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640）

得益于國家政策的扶持，我國的可再生能源的利用得以高速的發(fā)展，尤其在光伏發(fā)電領(lǐng)域，已經(jīng)形成相當(dāng)?shù)囊?guī)模[1]。但是在光伏發(fā)電過程中，由于光伏發(fā)電本身的不確定性，存在嚴(yán)重的功率擾動(dòng)問題，直接并網(wǎng)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的諧波污染問題，從而對電網(wǎng)造成較壞的影響。因此，為了解決這個(gè)問題，我們要對光伏功率的波動(dòng)來進(jìn)行抑制。在已有的技術(shù)中，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中引入儲能系統(tǒng)是較為不錯(cuò)的解決方案，因此，在未來光伏發(fā)電的建設(shè)過程中，采用大容量儲能技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)重要保證，會(huì)在我國的能源發(fā)展戰(zhàn)略中占有一席之地。

因此，本文提出了一種光伏儲能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，在傳統(tǒng)的分布式發(fā)電的基礎(chǔ)上，增加了電池充放電電路，實(shí)現(xiàn)了對電網(wǎng)電能質(zhì)量的提高，也對電網(wǎng)的峰谷平衡問題進(jìn)行了調(diào)節(jié)。實(shí)現(xiàn)了光伏儲能管理系統(tǒng)的高效率運(yùn)行[2]。目前，該系統(tǒng)還在試驗(yàn)中。

1 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中，基于芯片外設(shè)數(shù)量有限的實(shí)際，并考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，采用雙控制核心來對系統(tǒng)進(jìn)行控制。光伏發(fā)電和電池充放電分別由不同的控制器控制，兩者之間通過SPI連接通訊，有效地防止部分電路損壞干擾對其他部分的影響，提升了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall frame structure diagram of the system

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)前級采用BOOST拓?fù)潆娐穪韺?shí)現(xiàn)對光伏電池的最大功率跟蹤，實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大輸出。后級電路采用全橋電路，既可以實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)供電的功能；也可以在電池能量充足的情況下，將能量傳輸至電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)功能；最后，在光照強(qiáng)度不足的情況下，全橋可以對電網(wǎng)進(jìn)行整流，給電量不足的電池進(jìn)行充電。電池充放電電路一端接在電池，一端接在母線，給電池充電電路采用移相全橋拓?fù)洌瑢⒛妇€電壓降至電池充電電壓，當(dāng)電池放電時(shí)，采用推挽拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)升壓，給母線提供能量。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 光伏并網(wǎng)電路設(shè)計(jì)

光伏并網(wǎng)電路部分主電路由兩部分組成，其簡化結(jié)構(gòu)如圖2所示，前級由BOOST電路來實(shí)現(xiàn)對光伏板的最大功率跟蹤，來給母線提供能量，后級由全橋雙向變換器組成，負(fù)責(zé)母線與電網(wǎng)或負(fù)載之間能量的雙向傳輸。

圖2 光伏并網(wǎng)電路簡化圖Fig.2 Simplified diagram of photovoltaic grid connected circuit

主電路選用了BOOST電路來對光伏太陽能板進(jìn)行最大功率跟蹤。BOOST電路在開關(guān)管導(dǎo)通過程中，電感儲存能量，在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感釋放能量與電源能量疊加，達(dá)到升壓的目的。在最大功率跟蹤的過程中，不斷計(jì)算每一周期期間的實(shí)時(shí)功率值，并和上一周期進(jìn)行比對，以此為依據(jù)來不斷對占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至達(dá)到最大功率輸出[3]。在最大功率跟蹤的過程中，光伏太陽能板相當(dāng)于一電流源和一電阻并聯(lián)，母線電壓由后級全橋電路穩(wěn)在400 V。

DC/AC雙向變換器選用PWM全橋電路，每個(gè)橋臂由一個(gè)N型IGBT和一個(gè)反并聯(lián)的二極管組成。L為交流側(cè)添加的平衡電感，起到平衡電壓、濾波、支撐無功功率和儲存能量的作用。光伏儲能系統(tǒng)中的全橋要負(fù)責(zé)控制電網(wǎng)和母線之間能量的雙向流動(dòng)，當(dāng)離網(wǎng)工作或者光伏并網(wǎng)時(shí)，母線能量傳輸至負(fù)載端或者電網(wǎng)端，此時(shí)的全橋拓?fù)淦鸬侥孀冸娐返淖饔茫坏钱?dāng)電池能量不足且沒有光伏輸入時(shí)，能量由電網(wǎng)端傳輸?shù)侥妇€，之后經(jīng)由BMS電路給電池充電，這種情況下全橋起到整流電路的作用。

2.2 充放電BMS電路設(shè)計(jì)

電池充放電路的作用是將光伏太陽能板和電網(wǎng)與儲能電池的能量進(jìn)行交換。電池能量不足時(shí)給電池進(jìn)行充電，采用的是移相全橋拓?fù)?，?dāng)電池給負(fù)載端供電時(shí)，采用推挽拓?fù)鋵㈦妷荷龎褐?00 V給母線電壓提供能量。其原理如圖3所示。

推挽電路與移相全橋電路共同組成BMS電路，對電池能量進(jìn)行管理。當(dāng)電池放電時(shí)，由推挽電路升壓給母線供電，兩開關(guān)管有相同的驅(qū)動(dòng)波形，但是兩者相位差為180°；當(dāng)電池能量不足時(shí)，由移相全橋電路將能量由母線傳遞給蓄電池，對充電電流大小進(jìn)行控制，同時(shí)根據(jù)蓄電池的電荷量來對其進(jìn)行分段充電[4-5]。

圖3 BMS電路簡化圖Fig.3 Simplified diagram of BMS circuit

2.3 主控電路設(shè)計(jì)

主控電路采用“瑞薩+DSP”雙控模式，瑞薩單片機(jī)負(fù)責(zé)對充放電電路的控制，而DSP電路負(fù)責(zé)對于太陽能最大功率跟蹤的實(shí)現(xiàn)以及對DC/AC變換器的控制。主控核心對信號采樣電路反饋的信號進(jìn)行處理收集，主要包括光伏輸入的電壓電流、母線電壓、負(fù)載電壓電流、電網(wǎng)電壓電流以及電池端電壓電流。采樣電路主要采用精密電阻分壓以及運(yùn)放放大運(yùn)放的方式，根據(jù)采樣信息來確定當(dāng)下的工作模式，并控制給出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號。除了采樣電路和和驅(qū)動(dòng)信號外，主控電路還負(fù)責(zé)對系統(tǒng)運(yùn)行中的安全性負(fù)責(zé)，有提供過溫、過欠壓以及過流保護(hù)的功能。其主控核心及外設(shè)分配如圖4所示。

圖4 主控電路及相應(yīng)外設(shè)Fig.4 Main control circuit and corresponding peripherals

3 光伏儲能系統(tǒng)工作模式分析

如上節(jié)所講，控制核心的主要功能是對主電路關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電壓電流進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換，把信息反饋至DSP和瑞薩來對主控電路進(jìn)行相應(yīng)的控制，使其滿足相應(yīng)的性能要求。首先對各功能模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，具體分為前級MPPT控制模塊設(shè)計(jì)，全橋并網(wǎng)算法設(shè)計(jì)以及充放電軟件設(shè)計(jì)。

同時(shí)，在光伏儲能系統(tǒng)中，工作模式的調(diào)試和切換是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。根據(jù)外部接件的不同，光伏儲能系統(tǒng)處于不同的工作模式。具體步驟分為兩部分，第一步是判定是由控制核心對電網(wǎng)進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測到接入電網(wǎng)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入并網(wǎng)工作模式，否則系統(tǒng)進(jìn)入離網(wǎng)工作模式。進(jìn)入第二步之后則根據(jù)光伏輸入、蓄電池以及電網(wǎng)負(fù)載間的能量多少來進(jìn)行工作模式選擇。如圖5為離網(wǎng)、并網(wǎng)模式下子模式的選擇。

圖5 工作模式選擇Fig.5 Selection of work pattern

4 實(shí)驗(yàn)測試分析

在搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)來對系統(tǒng)的性能進(jìn)行驗(yàn)證分析。在試驗(yàn)過程中用光伏模擬器來模擬太陽能發(fā)電，充電試驗(yàn)采用的蓄電池是48 V/100 Ah鈦酸鋰電池組。

4.1 光伏MPPT并網(wǎng)效率測試

對光伏并網(wǎng)主電路進(jìn)行測試，用光伏模擬器來模擬光伏板發(fā)電，不斷改變光伏曲線，逐漸增加光伏輸入的最大功率值，和最終并網(wǎng)功率值進(jìn)行比對，并分別計(jì)算在光伏500 W、1000 W、1500 W、2000 W、2500 W、3000 W時(shí)的光伏并網(wǎng)效率，其測試值如表1所示。系統(tǒng)的光伏輸入功率與并網(wǎng)轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系如圖6所示，光伏并網(wǎng)效率在0.9～0.94之間，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。從圖6可以看出，當(dāng)隨著光伏輸入功率的增加，并網(wǎng)效率也在不斷提高，當(dāng)光伏輸入達(dá)到1.5 kW時(shí)，轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定在93%左右。

表1 光伏并網(wǎng)效率測試Tab.1 Photovoltaic grid efficiency test

圖6 光伏并網(wǎng)效率-功率變化曲線Fig.6 PV grid efficiency-power change curve

4.2 離網(wǎng)輸出測試

為了測試蓄電池放電時(shí)，主電路拓?fù)涞墓ぷ餍?，將機(jī)器在離網(wǎng)模式下進(jìn)行測試，電池給負(fù)載端提供電能，測試了在8個(gè)工作功率點(diǎn)下的工作效率，輸入輸出參數(shù)如表2所示，并繪制了效率變化曲線圖，如圖7所示。發(fā)現(xiàn)隨著輸出功率的增加，逆變器的效率也在提升，當(dāng)在2000 W左右時(shí)，其工作效率達(dá)到90%，滿足逆變器的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種光伏儲能管理系統(tǒng)，詳細(xì)分了主電路硬件設(shè)計(jì)，并對工作模式進(jìn)行了分析，最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試分析，證明了系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)驗(yàn)證分析后具有良好的能量轉(zhuǎn)換效率和性能。證明了基于雙控制核心的光伏儲能方案是可行的。

表2 離網(wǎng)模式輸入輸出數(shù)據(jù)表Tab.2 Out of network mode input and output data

圖7 電池離網(wǎng)輸出效率-功率變化曲線Fig.7 Efficiency-power change curve of battery off-net output