光伏逆變系統(tǒng)直流側(cè)光電池MPPT及蓄電池充放電管理研究

王艷婷，張文杰，魏 喬，阮 靜，李 靜

光伏逆變系統(tǒng)直流側(cè)光電池MPPT及蓄電池充放電管理研究

王艷婷，張文杰，魏 喬，阮 靜，李 靜

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064）

隨著電力電子的迅猛發(fā)展，光伏發(fā)電也由補(bǔ)充能源向替代能源逐步邁進(jìn)。本文首先對光伏電池各種控制方法進(jìn)行了比較，指出了其優(yōu)缺點(diǎn)，并指出了蓄電池充放電管理的關(guān)鍵問題；在分析設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上分別對光電池特性進(jìn)行研究和數(shù)學(xué)建模。設(shè)計(jì)了最大功率點(diǎn)跟蹤(簡稱MPPT)方案，以及蓄電池充放電管理策略，實(shí)現(xiàn)了直流側(cè)光電池MPPT的控制。并用多種工況下的仿真結(jié)果加以驗(yàn)證。

光伏電池建模 最大功率點(diǎn)跟蹤 蓄電池充放電管理

0 引言

關(guān)于光伏發(fā)電系統(tǒng)，不少學(xué)者做與其相關(guān)并且深入的研究。獨(dú)立光伏系統(tǒng)是由光伏電池、蓄電池、充放電電路、逆變及升壓電路、濾波電路和負(fù)載組成。相關(guān)的研究都是圍繞上述組成部分分別進(jìn)行展開。

針對光伏電池，國內(nèi)外已有諸多相關(guān)研究。如基于模糊邏輯的雙環(huán)控制[1]，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[2]控制法，恒定電壓控制法，增量電導(dǎo)法，干擾觀測法[3]等。常用的增量電導(dǎo)法，干擾觀測法雖然實(shí)現(xiàn)簡單，利用的是光電池曲線特性，即最大功率點(diǎn)左側(cè)曲線斜率為正，右側(cè)為負(fù)，但是當(dāng)光照較低時(shí)，曲線較為平坦，此時(shí)采用這兩種方法性能較差。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種新型信息處理技術(shù)，具體的層數(shù)以及神經(jīng)元的數(shù)量由問題的復(fù)雜程度決定，常用結(jié)構(gòu)為三層神經(jīng)元：輸入層，隱含層，輸出層。應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中時(shí)，輸入量可以是光電池參數(shù)以及環(huán)境參數(shù)，輸出變量可以是輸出電氣量或是電子開關(guān)的占空比等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中各層各節(jié)點(diǎn)間選取一個(gè)合適權(quán)重增益，可以將任意輸入轉(zhuǎn)換為期望的輸出，從而實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）。而權(quán)重的獲得需要大量的輸入輸出數(shù)據(jù)，各光電池等設(shè)備參數(shù)大多不同，因此需要較長的時(shí)間才能獲得，這是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的一個(gè)缺陷[2]。基于以上諸多MPPT方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)在MPPT發(fā)展方向是將多種控制方法相結(jié)合，進(jìn)行互補(bǔ)。例如，可以將擾動(dòng)觀察法與開路電壓系數(shù)法相結(jié)合，就能較好的解決上述單獨(dú)采用擾動(dòng)觀察法所帶來的問題[4]。

針對蓄電池，目前主要是研究如何對蓄電池進(jìn)行更好的充放電管理，例如明確蓄電池剩余容量與電壓的關(guān)系[5]，根據(jù)充電電流，蓄電池電壓，SOC之間關(guān)系確定充電電流限制[6]。常用的充電方法有以下幾種：恒流充電，恒壓限流充電，分段法充電。放電控制，則是控制放電電流，并檢測蓄電池荷電狀態(tài)以及終止電壓。對荷電狀態(tài)的檢測常用安時(shí)計(jì)量法。蓄電池管理的核心是通過變換器控制蓄電池能量流動(dòng)，使其工作在BUCK，BOOST，TURN-OFF三種工作模式，并進(jìn)而控制其充放電電流[7]。

1 光伏逆變系統(tǒng)直流側(cè)分析與設(shè)計(jì)

1.1 光伏電池建模

太陽能光伏電池等效電路圖[7]如圖1所示。I為光生電流，I為暗涌電流，V為開路電壓，R為負(fù)載電阻，R為雜散電阻，R為并聯(lián)電阻。針對此原理圖，有如下公式：

圖1 光伏電池等效電路圖

1）R很大，所以可以忽略（+RI）/R項(xiàng)；

2）R遠(yuǎn)小于二極管正向?qū)娮瑁醇僭O(shè)I=I。

基于以上假設(shè)， (1)式可簡化為：

處于最大功率點(diǎn)時(shí)有：

基于上式可以利用廠商所給數(shù)據(jù)對光伏電池進(jìn)行仿真建模。

本文研究采用的太陽能電池參數(shù)如下：500W額定功率，為125 W的4個(gè)光伏電池2串2并，單塊電池開路電壓為43.8 V，短路電流為4 A。處于最大功率點(diǎn)時(shí)，單塊電池電壓V、電流I分別為34.4 V、3.6 A?；跇?biāo)準(zhǔn)環(huán)境下建模，利用以上參數(shù)可得光電池具體I-V關(guān)系為：

1.2 光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤

MPPT的根本原理是基于阻抗匹配，即光電池伏安特性上不同的工作點(diǎn)對應(yīng)不同的負(fù)載阻抗，而BUCK等變換電路起到阻抗變換的作用，通過調(diào)節(jié)占空比可以使負(fù)載阻抗變換到直流側(cè)的阻抗等于光電池最大功率點(diǎn)對應(yīng)阻抗，從而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。

這里采用基于光伏電池端電壓的最大功率跟蹤，使光伏電池端電壓等于V。

具體控制方法則是使電壓指令值V為V，對光電池端電壓V進(jìn)行PI控制，從而實(shí)現(xiàn)精確MPPT。

基于以上分析，可進(jìn)行PI參數(shù)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的PI控制器傳遞函數(shù)如下

1.3 蓄電池充放電管理

對蓄電池進(jìn)行建模，可以利用MATLAB軟件里的Battery模塊。設(shè)P、P及P分別為光伏電池功率、光電池最大功率及負(fù)載功率；前文已經(jīng)提及，V、V、V分別為蓄電池端電壓、放電終止電壓和過充電壓。

1）充電管理

蓄電池可接受的最大充電電流I工程上取/10，為蓄電池容量，本文中采用蓄電池容量為150 Ah，故I=15 A。最大充電功率為V?I，此處取V為終止放電電壓，即21.6 V，有最大充電功率為324 W。

蓄電池充電普遍采用的是三階段充電控制，第一階段恒流充電，第二階段恒壓充電，第三階段浮充充電。

2）放電管理

①當(dāng)V<21.6 V，蓄電池停止放電，只進(jìn)行充電，如P>P，則可封鎖逆變器脈沖，斷開負(fù)載。

②當(dāng)PV>21.6 V時(shí)，蓄電池放電。

③當(dāng)P≥PL，且V≥28.8 V時(shí)，蓄電池應(yīng)不充不放，即使P=P。

2 仿真分析

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置為：系統(tǒng)額定功率為1 kW，太陽能電池額定功率是500 W，為4個(gè)125 W額定功率的光電池兩串兩并所組成。單塊電池標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下開路電壓為43.8 V，短路電流為4 A，其處于最大功率點(diǎn)時(shí)，單塊光電池電壓為34.4 V，電流為3.6 A。用最大功率點(diǎn)處光電池電壓電流計(jì)算得最大功率為34.4×3.6×4=495.36 W。儲能電池額定容量為150 Ah，額定電壓為24 V，過放電壓為21.6 V，過充電壓為28.8 V。

2.1 仿真模型的搭建及說明

相關(guān)電路及控制器如圖2所示。

2.1.1 關(guān)于電路的說明：

1）圖2左側(cè)PV battery為光伏電池，中部為BUCK電路，BUCK電路下面為PV control模塊，控制光電池輸出功率。右側(cè)PWM generate模塊根據(jù)占空比D產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波。

2）測量參數(shù)已標(biāo)注于圖2上。V、I、P分別為光電池電壓、電流、功率。I、P分別為負(fù)載電流、功率。U、I、SOC分別為蓄電池電壓、電流、荷電狀態(tài)。為光電池端電壓應(yīng)達(dá)到的數(shù)值。1為假設(shè)光電池功率等于負(fù)載功率時(shí)，其端電壓的數(shù)值。

3）由于蓄電池模型的問題，在充放電初期其電流不穩(wěn)定，但后期穩(wěn)定，故采用平均值，利用其后期穩(wěn)定值來反映其充/放電功率。

3.1.2 關(guān)于控制環(huán)節(jié)的說明：

PV control模塊（設(shè)光電池最大功率為P），實(shí)現(xiàn)光電池功率輸出控制（MPPT及非MPPT）和蓄電池充放電管理。

1）P>P。光電池MPPT輸出，P=P。

2）P<P，并且蓄電池已充滿時(shí)，光電池輸出功率與負(fù)載功率平衡，即P=P。

3）P<P，且PP≥/10×21.6（/10=150/10=15），即假如光電池MPPT輸出時(shí)充電電流超過蓄電池承受能力，此時(shí)令P-P=/10×21.6。直至蓄電池充滿，進(jìn)入上述2）工況，即P=P。

4）P<P，且P-PP=P。

2.2 仿真結(jié)果及分析

1）P>P，蓄電池SOC=50%

P=1 kW，在50%SOC下蓄電池電壓為23.81 V，計(jì)算得負(fù)載為0.569 Ω。

預(yù)期結(jié)果：光電池按MPPT輸出，蓄電池放電，且蓄電池放電功率與光電池最大功率之和為負(fù)載功率，即光電池功率為490 W左右，蓄電池放電功率為功率為1000-490=510 W左右。

圖2 仿真模型

圖3 光伏電池P-t曲線

圖4 蓄電池放電電流Ibat-t曲線

仿真結(jié)果及分析：圖3中可見光電池功率P在0.01 s后基本穩(wěn)定，又有P為487.7 W，驗(yàn)證光電池已最大功率輸出。蓄電池放電電流由于模型原因，在電路工作初期不穩(wěn)定，圖4中可見，在0.02 s后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值測得為22.53 A。圖5反映了盡管負(fù)載為額定功率，放電電流較大，蓄電池端電壓在仿真期間（0.07 s）內(nèi)能保持恒定。測得為23.81 V，計(jì)算可得蓄電池放電功率為23.81×22.53=536.4393 W，與理論值相近。

圖5 蓄電池端電壓Vbat-t曲線

2）P<P，且蓄電池SOC=100%

此處令負(fù)載功率為250 W，由于蓄電池滿電電壓為26.1 V，計(jì)算得電阻為2.725 Ω。

圖6 光伏電池P-t曲線

預(yù)期結(jié)果：P=P=250 W，即光電池輸出功率與負(fù)載功率平衡；蓄電池應(yīng)不充不放，即蓄電池電流應(yīng)接近0。

仿真結(jié)果及分析：圖6顯示，光電池功率在0.01 s以后在250 W上下波動(dòng)，與負(fù)載功率250 W相匹配。圖7顯示，蓄電池電流在0.028 s以后穩(wěn)定在一個(gè)較小的電流值，即蓄電池處于不充不放狀態(tài)。

圖7 蓄電池放電電流Ibat-t曲線

3）P<P，蓄電池SOC=50%，且P-P≥/10×21.6

設(shè)蓄電池初始SOC為50%，電壓對應(yīng)為23.8 V。令負(fù)載功率為100 W，滿足上述條件。計(jì)算得電阻為5.664 Ω。

預(yù)期結(jié)果：光電池應(yīng)以蓄電池最大可接受充電功率充電，即PP=C/10×21.6，P=424 W；蓄電池充電電流為C/10×21.6/23.8=13.6 A（即放電電流為-13.6 A）。

圖8 光伏電池P-t曲線

圖9 蓄電池放電電流Ibat-t曲線

仿真結(jié)果及分析：圖8可見光電池功率在0.01 s以后在430.4 W附近波動(dòng)，與預(yù)期輸出功率424 W接近。圖9可得蓄電池放電電流在0.025以后穩(wěn)定，為-12.42 A，與預(yù)期電流值-13.6 A接近。

4）P<P，蓄電池SOC=50%，且P-P

設(shè)置蓄電池初始SOC為50%，其電壓同上，為23.8 V，令負(fù)載功率為324 W，負(fù)載電阻為1.75 Ω。

預(yù)期結(jié)果：此時(shí)光電池應(yīng)MPPT輸出，即P=P=490 W；蓄電池充電電流應(yīng)為（490-324）/23.8=7 A，即放電電流-7 A。

圖10 光伏電池P-t曲線

圖11 蓄電池放電電流Ibat-t曲線

仿真結(jié)果及分析：圖10可見光電池輸出功率在0.01 s后穩(wěn)定，穩(wěn)定值為490 W，實(shí)現(xiàn)最大功率輸出。蓄電池電流在0.025 s后穩(wěn)定，從圖11可讀出為-5.8 A，與預(yù)期值-7 A接近。

2.3 仿真總結(jié)

以上四種工況涵蓋了各種情形，上述結(jié)果分析表明，仿真結(jié)果與理論分析的預(yù)期結(jié)果相符，證明了對光電池輸出功率控制以及蓄電池充放電管理的有效性。

3 結(jié)論

本文首先對光電池這一核心器件進(jìn)行了相關(guān)分析，論述了其實(shí)用數(shù)學(xué)模型并以此為基礎(chǔ)搭建了仿真模型。對于MPPT方法，提出了采用基于光電池修正方程的指定電壓PI控制來實(shí)現(xiàn)MPPT。對于蓄電池，則采用simulink中自帶的模型，基于其可接受的最大充電電流以及過充電壓，給出了其充放電管理策略。在理論分析與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，采用MATLAB進(jìn)行仿真，并給出了相關(guān)仿真結(jié)果，符合預(yù)期設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了直流側(cè)光電池MPPT的控制以及蓄電池充放電的有效管理。

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Research on Photocells MPPT and Battery Charge and Discharge Management of Photovoltaic Inverter DC-side

Wang Yanting, Zhang Wenjie, Wei Qiao, Ruan Jing, Li Jing

（Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China）

TM464; TP273.2

A

1003-4862（2019）12-0016-05

2019-04-17

王艷婷(1986-)，女，工程師。研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。E-mail: wangyanting2007@163.com