基于優(yōu)化MPPT算法的光儲能量管理系統(tǒng)的研究

方 曼，羅冰洋

(武漢理工大學(xué) 自動化學(xué)院，湖北 武漢 430070)

隨著化石能源的日益枯竭，作為可再生的光伏太陽能發(fā)電應(yīng)用越來越廣泛[1-2]。在小電網(wǎng)系統(tǒng)中太陽能發(fā)電量的波動對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定影響巨大，因此加入儲能系統(tǒng)以穩(wěn)定電網(wǎng)系統(tǒng)電壓(簡稱光儲系統(tǒng))?？紤]到負載波動和太陽能發(fā)電量波動對小電網(wǎng)系統(tǒng)的影響都很大，因此在含有光儲系統(tǒng)的小電網(wǎng)系統(tǒng)中，研究在發(fā)電量和負載波動下的能量管理控制策略以維持整個系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定十分必要。作為維持光儲系統(tǒng)母線電壓穩(wěn)定的核心部分，能量管理系統(tǒng)根據(jù)光伏電池發(fā)電與蓄電池工作狀態(tài)，控制光伏發(fā)電與蓄電池的工作模式，從而使供電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定運行并快速響應(yīng)系統(tǒng)的各種狀態(tài)。人們對光儲能量管理系統(tǒng)的研究已有很長的歷史,提出了很多的能量管理控制策略。文獻[3]以LabVIEW為軟件基礎(chǔ)，提出根據(jù)光伏輸出功率、負載功率與儲能電池電壓狀態(tài)以設(shè)定光儲系統(tǒng)工作模式，但是該系統(tǒng)并沒有仿真出光儲系統(tǒng)在各個模式間切換下母線電壓的變化，且負載電流后期震蕩較大。文獻[4]以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，開發(fā)設(shè)計了光儲控制系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)在各個工作模式下的自由切換仿真，但是該仿真不能準確反映系統(tǒng)在模式切換下的狀態(tài)，難以仿真出光儲系統(tǒng)在模式切換情況下的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

筆者根據(jù)獨立光伏系統(tǒng)特性，以 LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，與Starsim電磁暫態(tài)仿真軟件相結(jié)合，開發(fā)設(shè)計了光伏儲能控制系統(tǒng)。通過連續(xù)運行測試，結(jié)果表明系統(tǒng)在各種工作模式下能夠自由切換，證明了所提出的能量管理控制策略的可行性和有效性。

1 光儲能量管理系統(tǒng)整體構(gòu)架

獨立式光儲系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)，包括光伏陣列、蓄電池組、MPPT(maximum power point tracking)控制器、系統(tǒng)模式控制部分、DC/DC變換器和直流負載等[5]，如圖1所示。

圖1 獨立式光伏儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 變擾動步長MPPT算法

為使太陽能電池保持最大能量輸出，MPPT控制是其必不可少且最重要的控制部分。擾動觀察法是光伏儲能系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種MPPT控制算法，它的具體步驟為：對光伏陣列的工作點施加一定的擾動，然后判斷光伏陣列輸出功率的變化。如果輸出功率增大，則擾動方向?qū)⒈３植蛔兝^續(xù)擾動；如果輸出功率減小，則反向擾動[6]。擾動觀察法具有算法簡單，精度高，效應(yīng)快，且容易實現(xiàn)等優(yōu)點，但是在穩(wěn)定工作狀態(tài)下MPPT會導(dǎo)致系統(tǒng)額外能量損耗[7-8]。特別是在定步長情況下，MPPT能量損耗與步長成反比。為降低MPPT導(dǎo)致的額外能量損耗，筆者采用變擾動步長觀察法以降低能量損耗，并兼顧跟蹤速率和穩(wěn)態(tài)震蕩大小。

變擾動步長MPPT算法流程如圖2所示。Uk、Ik、Pk分別為本次太陽能電池輸出電壓、電流和功率，Uk-1、Pk-1分別為上一次太陽能電池輸出電壓和功率。ΔUk、ΔPk分別為本次擾動電壓和擾動功率，ΔPk-1為上一次擾動功率，并且有ΔUk=Uk-Uk-1，ΔPk=Pk-Pk-1。變步長擾動MPPT算法通過計算k=ΔPk/ΔPk-1來改變下一次擾動的步長。下一次擾動電壓步長設(shè)定為ΔUk+1=k×ΔUk。變擾動步長MPPT算法原理是：在MPPT尋優(yōu)過程中，當ΔP幅值不斷減小時，ΔU也不斷減小，在最大功率跟蹤點附近，ΔU趨近于0，從而達到最大功率點跟蹤的目的。

圖2 變步長擾動觀察算法流程圖

1.2 光儲能量管理控制策略

光儲能量綜合管理控制系統(tǒng)包括太陽能電池、蓄電池、單向DC/DC變換器和雙向DC/DC變換器，如圖3所示。連接光伏電池的單向DC/DC變換器包括MPPT控制和恒壓控制。連接蓄電池的Buck-Boost雙向DC/DC變換器可以根據(jù)實際需要控制能量流動。

圖3 光儲能量綜合管理控制系統(tǒng)

系統(tǒng)針對15 kW的額定負荷功率進行設(shè)計，配置額定功率為30 kW的光伏電池。同時，為使系統(tǒng)能在蓄電池單獨供電的狀況下維持24 h的穩(wěn)定運行，配置蓄電池容量為C=1 875 Ah、192 V。蓄電池正常電壓范圍為160～220 V。根據(jù)蓄電池的荷電量C=1 875 Ah，選取充電電流限幅值為Ilim=0.133×C=250 A，因此充電功率為Pb=Ub×Ilim=192×250=48 kW。

光伏儲能系統(tǒng)有5種工作模式，如表1所示。

表1 系統(tǒng)的工作模式

(1)工作模式Ⅰ。光伏陣列正常工作，若光伏陣列輸出功率大于負荷所需功率時，單向變換器工作在MPPT模式。蓄電池吸收電能，雙向變換器工作在Buck模式，雙向DC/DC變換器能量從母線向蓄電池流動。蓄電池吸收的功率為光伏輸出功率減去負載的多余部分；

(2)工作模式Ⅱ。光伏陣列正常工作，若光伏陣列不足以提供負荷所需能量，單向變換器工作在MPPT模式，雙向變換器工作在Boost模式。雙向變換器控制能量由蓄電池向母線流動，蓄電池放電；

(3)工作模式Ⅲ。光伏陣列處于關(guān)閉狀態(tài)，僅有蓄電池給負載供電，雙向變換器工作在Boost模式，系統(tǒng)負荷功率完全由蓄電池組供給；

(4)工作模式Ⅳ。蓄電池處于過充狀態(tài)(Uhat>220 V)時，雙向DC/DC變換器將會停止工作。母線電壓完全由光伏電池供電，此時單向變換器處于恒壓模式，以維護母線電壓恒定；

(5)工作模式Ⅴ。蓄電池處于過放狀態(tài)(Uhat<160 V)時，為了保護蓄電池，雙向變換器將會停止工作，單向變換器工作在MPPT狀態(tài)，負載完全由光伏電池供電。由于光伏陣列不能完全供給系統(tǒng)負荷，為維持母線電壓穩(wěn)定，系統(tǒng)將切掉非關(guān)鍵負荷以保證關(guān)鍵負荷供電。系統(tǒng)將所有負荷分為3類：一級負荷、二級負荷和三級負荷(各5 kW)。當光伏陣列不能夠完全供給15 kW的負荷時，系統(tǒng)切掉三級負荷；當光伏陣列不能夠完全供給10 kW負荷時，系統(tǒng)切掉二、三級負荷；若光照強度過低，光伏陣列產(chǎn)生電壓不足以維持5 kW的關(guān)鍵負荷時，光伏陣列關(guān)閉，此時整個系統(tǒng)關(guān)閉。

2 LABVIEW仿真模型建立及結(jié)果分析

根據(jù)所采用的光儲能量管理系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，搭建仿真電路模型。在仿真中為簡化分析，將本地負荷均用電阻負載代替。仿真系統(tǒng)中的其他參數(shù)如表2所示。其中MPPT初始擾動步長為0.3 V，擾動間隔時間為0.05 s。

表2 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真參數(shù)

2.1 變擾動步長MPPT控制LabVIEW模型及仿真結(jié)果

為驗證筆者所提出變擾動步長MPPT控制的有效性，將用兩組定擾動步長的MPPT控制做對比實驗。采用擾動觀察法進行驗證時，兩組定擾動步長MPPT算法的步長分別選定為0.3和0.03，光照強度為1 000 W/m2，其仿真結(jié)果如圖4所示。仿真結(jié)果表明步長為0.3和0.03的情況下，系統(tǒng)穩(wěn)定時間均約為0.1 s，而步長為0.3時的穩(wěn)定時間要稍短于步長為0.03的穩(wěn)定時間。而步長為0.3時功率跟蹤時震蕩幅度更大。筆者所提出的變擾動步長MPPT算法仿真波形如圖5所示(光照強度為1 000 W/m2)。仿真結(jié)果表明，變擾動步長MPPT算法能夠快速追蹤光伏電池的輸出功率，穩(wěn)定時間約為0.02 s，大大低于定擾動步長MPPT算法。而且變擾動步長的MPPT算法跟蹤的震動幅度小，遠低于定擾動步長MPPT算法的震蕩幅值。

圖4 定擾動步長的功率輸出波形

圖5 變擾動步長的功率輸出波形

采用步長為0.3，仿真時間為0.5 s，擾動間隔0.05 s。仿真中光伏陣列模塊在0.3 s左右由太陽輻照度為1 000 W/m2后突變?yōu)?00 W/m2，仿真結(jié)果如圖6(b)所示，圖6(a)為傳統(tǒng)擾動觀察法下，相同仿真條件得到的功率輸出波形。從圖6中不難看出，通過對擾動觀察法的改進使得初始步長較大時啟動時的功率波動明顯減弱，當外部條件變化時有效保證了動態(tài)跟蹤性能，系統(tǒng)響應(yīng)速率保持在0.015 s左右，并且減少了穩(wěn)態(tài)損耗，當光伏工作點跟蹤到MPPT工作點時，MPPT附近的功率波動減弱，提高了系統(tǒng)效率。因此，采用本文的改進算法，在步長較大時，依然可以保證其原有的跟蹤速率，并且能有效減小穩(wěn)態(tài)震蕩。通過仿真數(shù)據(jù)表明，改進的擾動觀察法具有以下優(yōu)點：①降低系統(tǒng)啟動時的功率波動；②在外部條件變化時保證動態(tài)跟蹤性能；③減小MPPT點附近的功率波動，提高系統(tǒng)效率。

圖6 功率輸出波形

2.2 基于LabVIEW光儲能量管理系統(tǒng)建模

Starsim光儲系統(tǒng)主電路如圖7所示。從左到右依次為光伏電池、單向DC/DC變換器、直流負載(一級負荷、二級負荷、三級負荷、加載負荷)、雙向DC/DC變換器和儲能電池。

3 能量管理系統(tǒng)仿真分析

3.1 模式內(nèi)切換仿真

3.1.1 蓄電池組處于充電工作模式

圖8給出了蓄電池組處于充電狀態(tài)(模式I)下蓄電池的仿真波形。在t=2 s時，光照強度由標準光照強度1 000 W/m2變?yōu)?00 W/m2，在t=4 s時光照強度又變?yōu)? 00 W/m2。在t=6 s時，負載由15 kW變?yōu)?0 kW。

從圖8可以看出，此時光伏陣列處于MPPT模式，蓄電池組電流為負，蓄電池組處于充電狀態(tài)。當光照強度發(fā)生變化時，直流母線電壓一直保持在系統(tǒng)母線正常電壓范圍內(nèi)，直流母線電壓穩(wěn)定。當系統(tǒng)光照強度減弱時，此時光伏輸出功率降低，負荷功率幾乎不變，蓄電池組充電功率下降，蓄電池組充電功率等于光伏陣列輸出功率與負荷功率之差。蓄電池組的端電壓隨著充電電流的降低而下降。當系統(tǒng)加載時，充電功率降低以維持母線電壓。此時系統(tǒng)在負載或光照發(fā)生變化時，通過增大或者減小對蓄電池組的充電電流來維持整個直流母線的電壓穩(wěn)定在400 V，保持整個系統(tǒng)內(nèi)的能量平衡。

圖7 Starsim光儲系統(tǒng)主電路

圖8 蓄電池處于充電模式仿真波形

3.1.2 蓄電池組和光伏陣列同時供電

圖9給出了獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)處于光伏陣列和蓄電池組共同供電(模式Ⅱ)時的仿真波形。在t=2 s時，光照強度由500 W/m2變?yōu)?00 W/m2，在t=4 s時，光照強度變?yōu)?00 W/m2，在t=6 s時，負載由15 kW變?yōu)?0 kW。

圖9 蓄電池組和光伏陣列同時供電仿真波形

從圖9可以看出，在該工作條件下，蓄電池組的電流為正，此時蓄電池組處于放電狀態(tài)，蓄電池組的端電壓隨著蓄電池組的放電而略有下降。此時光伏陣列一直處于MPPT狀態(tài)。在光照或者負載發(fā)生變化時通過調(diào)整蓄電池組的放電電流以調(diào)節(jié)放電功率來維持直流母線電壓穩(wěn)定在400 V左右，保持整個系統(tǒng)內(nèi)的能量平衡。

3.1.3 蓄電池組單獨供電工作模式

圖10給出了蓄電池組單獨給負載充電狀態(tài)(模式Ⅲ)下的仿真波形。光照強度為0 W/m2。在t=4 s時，負載由15 kW變?yōu)?0 kW。蓄電池組電流為正，蓄電池組處于放電狀態(tài)。蓄電池組的端電壓隨著充電電流的增加而緩慢下降。

圖10 蓄電池組處于單獨供電工作模式仿真波形圖

如圖10所示，雖然當負荷變化較大時直流母線電壓的初始波動較大，但是系統(tǒng)在負載發(fā)生變化時通過調(diào)整蓄電池組的放電電流以調(diào)節(jié)放電功率仍能最終維持直流母線電壓穩(wěn)定在400 V左右。

3.1.4 光伏陣列單獨供電(恒壓)工作模式

當蓄電池組過充時系統(tǒng)處于光伏陣列恒壓工作模式(模式IV)時，光伏陣列P-V特性曲線有兩個點與負載功率相對應(yīng)，圖11為光伏陣列恒壓輸出時的仿真圖。在t=2 s時負載由15 kW變?yōu)?0 kW，在t=4 s時光照強度由1 000 W/m2變?yōu)?00 W/m2，在t=6 s時光照強度由800 W/m2變?yōu)?00 W/m2。

從圖11中可以看出，在光照或負載發(fā)生變化時，光伏陣列可以使直流母線電壓穩(wěn)定在400 V左右，維持整個系統(tǒng)的能量平衡。

圖11 光伏陣列單獨供電(恒壓)工作模式仿真波形

3.1.5 光伏陣列單獨供電(MPPT)工作模式

圖12給出了蓄電池組在過放的情況下光伏陣列在MPPT模式下獨立給負載充電狀態(tài)(模式V)下的仿真波形。此時光伏陣列輸出功率不足以供給負載，因此系統(tǒng)只保留一級負荷與二級負荷的供電。假設(shè)一級負荷與二級負荷分別為5 kW。在t=2 s時光照強度由500 W/m2變?yōu)?00 W/m2，在t=4 s時光照強度變?yōu)?00 W/m2，在t=6 s時光照強度變?yōu)?00 W/m2。

圖12 光伏陣列單獨供電(MPPT)工作模式仿真波形

當蓄電池組由于過放而無法放電時，光儲能量管理系統(tǒng)為保證直流母線電壓穩(wěn)定，關(guān)鍵負荷能夠正常工作；當光伏陣列輸出功率不足以維持母線電壓的供電時，系統(tǒng)將會自動切掉非關(guān)鍵負荷以維持流母線電壓穩(wěn)定在400 V，從而維持整個系統(tǒng)的能量平衡。當光照強度為500 W/m2時，蓄電池為充電狀態(tài)，系統(tǒng)無需切負荷，系統(tǒng)負荷為15 kW；當光照強度為400 W/m2時，此時光伏陣列不能夠完全供給15 kW的負荷，系統(tǒng)切掉三級負荷，此時系統(tǒng)負荷為10 kW；當光照強度為300 W/m2時，此時光伏陣列不能夠完全供給10 kW的負荷，系統(tǒng)切掉二級負荷，此時系統(tǒng)負荷為5 kW；若光照強度過低，光伏陣列產(chǎn)生電壓不足以維持5 kW的負荷時，光伏陣列處于關(guān)閉模式，此時整個系統(tǒng)關(guān)閉。

3.2 模式間切換仿真

當獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的外部條件發(fā)生較大變化時，或者蓄電池端電壓達到蓄電池組的過充或者過放電壓，使得系統(tǒng)要在不同的工作模式間切換來保護蓄電池組和維護系統(tǒng)能量平衡的目的。圖13為系統(tǒng)中光照強度發(fā)生變化時，系統(tǒng)在不同模式之間切換的仿真波形。其中在t=2 s時光照強度由1 000 W/m2跳變到0 W/m2，在t=4 s時光照強度跳變到300 W/m2，在t=6 s時蓄電池組過放光伏陣列轉(zhuǎn)入MPPT工作模式。圖13展示了系統(tǒng)由工作模式Ⅱ切換到工作模式Ⅰ切換到工作模式Ⅲ再切換到工作模式Ⅴ的波形圖。

圖13 光伏系統(tǒng)模式切換(MPPT)時的仿真波形

從圖13可以看出，在負載或者外界環(huán)境發(fā)生變化時，系統(tǒng)能夠在各個模式間進行切換，且此時直流母線電壓在外界環(huán)境或者蓄電池組狀態(tài)發(fā)生變化時，經(jīng)過一定波動后能夠穩(wěn)定在400 V左右，維持整個系統(tǒng)內(nèi)的能量平衡。

當獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的外部條件發(fā)生較大變化時，或者蓄電池端電壓達到蓄電池組的過充或者過放電壓，使得系統(tǒng)要在不同的工作模式間切換來保護蓄電池組和維護系統(tǒng)能量平衡的目的。圖14為系統(tǒng)中光照強度發(fā)生變化時，系統(tǒng)在不同模式之間切換的仿真波形。其中在t=2 s時光照強度由1 000 W/m2跳變到0 W/m2，在t=4 s時光照強度跳變到300 W/m2，在t=6 s時蓄電池組過放光伏陣列轉(zhuǎn)入恒壓工作模式。圖14展示了系統(tǒng)由工作模式Ⅱ切換到工作模式Ⅰ切換到工作模式Ⅲ再切換到工作模式Ⅳ的波形圖。

從圖14可以看出，在負載或者外界環(huán)境發(fā)生變化時，系統(tǒng)能夠在各個模式間進行切換，且此時直流母線電壓在外界環(huán)境或者蓄電池組狀態(tài)發(fā)生變化時，經(jīng)過一定波動后能夠穩(wěn)定在400 V左右，維持整個系統(tǒng)內(nèi)的能量平衡。

圖14 光伏系統(tǒng)模式切換(恒壓)時的仿真波形

4 結(jié)論

筆者基于LabVIEW軟件對光伏電池模型的建立和MPPT算法進行研究，針對MPPT算法中擾動觀測法的缺點，研究了一種變步長擾動觀測法，有效減小了光伏陣列的功率波動。并在此基礎(chǔ)上研究了一種獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)的集中式能量管理控制策略。仿真結(jié)果表明：該光儲能量管理系統(tǒng)可以在5種工作模式內(nèi)與工作模式間自由切換，驗證了光儲能量管理控制策略的可行性和有效性。