1 引   言

    由于偏遠地區(qū)存在無電可用及負荷過大等現(xiàn)象，為了擺脫這種困境，光伏發(fā)電應(yīng)用衍生出光伏儲能系統(tǒng)分支，該系統(tǒng)集成了并網(wǎng)功能、離網(wǎng)功能、儲能功能，可以適用于不同需求的微網(wǎng)系統(tǒng)，滿足人們?nèi)粘Ｉ钚枨蟆?/span>

    偏遠地區(qū)供電可靠性受天氣、負荷等因素的影響很大，一般都配備有蓄電池、控制器等儲能、能量調(diào)配設(shè)備。白天光伏儲能逆變器發(fā)電供應(yīng)負載，并為蓄電池充電，剩余電能并入電網(wǎng)供其它用戶使用；夜間由蓄電池為負載供電。光伏儲能逆變器應(yīng)用十分廣泛，主要包括戶用光伏系統(tǒng)，獨立光伏小電站、光伏水泵系統(tǒng)、光伏照明系統(tǒng)、光伏通信基站等。

文章詳細分析光伏工頻儲能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[1-3]、儲能逆變器工作原理[4]及控制策略[5-6]，分析控制策略的可行性, 設(shè)計控制環(huán)路，并進行實驗驗證，實現(xiàn)輸入輸出功率平衡，滿足不同場合功率需求。

2 光伏儲能系統(tǒng)

如圖1所示,光伏儲能系統(tǒng)由太陽能電池板、BUCK充電器、電池組、DSP控制器、逆變器等組成。通過BUCK充電器將PV直流輸入轉(zhuǎn)換為蓄電池和逆變器所需的電壓；電池組可采用鉛酸或鋰電池,用來儲存太陽能電池所發(fā)出的電能并可實時為負載或電網(wǎng)提供能量；DSP控制器用于MPPT跟蹤處理、BUCK變換器開關(guān)管控制及全橋逆變控制, 實現(xiàn)系統(tǒng)DC-DC前級降壓儲能及雙相逆變功能。

    

圖1 光伏儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 BUCK充電器控制策略設(shè)計

系統(tǒng)采用TMS320F2802作核心控制芯片。芯片完成BUCK降壓、雙相逆變、最大功率追蹤及保護功能，為達到代碼的高效率，采用C語言嵌入?yún)R編的形式進行編程。

BUCK充電器將極板輸出電壓變換為穩(wěn)定的直流電壓Vdc, 并通過MPPT控制BUCK充電器的占空比來實現(xiàn)最大功率跟蹤。電池板輸入電壓范圍為50V至150V，當(dāng)電池板輸入電壓高于母線電壓時，充電器開始工作。

圖2為BUCK充電器制框圖。圖中VPV 為極板電壓、IPV為極板電流、VPVref為MPPT給定值、V0sample為輸出電壓采樣值、V0ref為輸出給定值、VPVsample為極板電壓采樣值、IL為電感電流采樣值、D+為Q1控制占空比。

工作原理為：通過比較輸入功率計算得到最大功率點VPVref給定值，VPVref與極板電壓反饋值求誤差后經(jīng)過PI環(huán)路計算，與輸出電壓PI環(huán)路相加得出電感電流環(huán)路給定值，經(jīng)過P計算，最終算出Q1調(diào)制比，與三角載波比較，輸出調(diào)制方波，實現(xiàn)輸出穩(wěn)壓以及最大功率跟蹤功能。

 

圖2 BUCK充電器制框圖 

根據(jù)上述設(shè)計選擇MPPT控制方式[7]。提出雙模式MPPT擾動觀察法，該方法結(jié)合固定電壓法和擾動觀察法的優(yōu)點，具有快速跟蹤外部環(huán)境變化，最大功率點處振蕩現(xiàn)象，對光伏極板利用率高的優(yōu)點。

該MPPT控制原理為當(dāng)外部環(huán)境變化時，光伏極板的開路電壓會根據(jù)極板特性變化，通過固定電壓法利用VMPP≈K*V（K為比例常數(shù)）計算出VMPP，然后通過特定步長擾動就能使光伏極板的輸出功率快速接近最大功率點。當(dāng)系統(tǒng)實現(xiàn)固定電壓法的控制目標(biāo)后，通過小步長擾動觀察法使光伏極板的工作點繼續(xù)向最大功率點移動，最后穩(wěn)定工作在最大功率點附近。

圖3是雙模式MPPT擾動觀察法的工作流程圖，其具體工作邏輯如下:

(l)對光伏極板輸出電壓V、輸出電流I進行采樣，并計算出VMPP、VPV及P;

(2)當(dāng)工作點不在MPP誤差范圍內(nèi)，根據(jù)△V的符號判斷光伏極板工作在最大功率點左側(cè)還是右側(cè)，然后PI控制算法計算控制量△D，進行MPPT快速掃描。

 

圖3雙模式MPPT擾動觀察法控制框圖

 (3)當(dāng)工作點在MPP誤差范圍內(nèi)，表明系統(tǒng)工作在最大功率點附件處，此時采用小步長擾動觀察法進行控制。

上述過程不斷重復(fù)直到光伏器件輸出功率兩次采樣的誤差△P近似等于零。由于擾動步長較小，功率振蕩現(xiàn)象基本消除。

2.2逆變器調(diào)制方式選擇

逆變器選擇全橋DC-AC電路，外部硬件電路設(shè)計方便，熱穩(wěn)定性好。全橋DC-AC逆變器采用單極性倍頻控制方式[6]。上下橋臂驅(qū)動信號為四路高頻驅(qū)動。

單極性倍頻調(diào)制方式就是使用2個極性相反的參考正弦波與雙向三角形載波交截產(chǎn)生功率開關(guān)驅(qū)動信號．原理如圖2所示．該調(diào)制方式含有2個基波ug和-ug．ug與三角載波交截產(chǎn)生2個信號：ua和其互補信號。-ug與三角載波交截也產(chǎn)生2個信號：ub和其互補信號。輸出電壓u0的正半周是由ua和ub邏輯決定。因為在正半周內(nèi)ua的高電平一直比ub的低電平區(qū)寬，所以只存在斜對管導(dǎo)通，從而使得輸出電壓u0中只包含ud和0兩個電平．同理，在負半周輸出電壓u0由ua和ub兩互補信號邏輯決定，它只包含0和-ud兩個電平．由于ud在一個載波周期內(nèi)有2次狀態(tài)轉(zhuǎn)變，所以其輸出頻率是開關(guān)管的一倍．

 

圖4 單極性倍頻調(diào)制方式

2.3 逆變器控制策略設(shè)計

圖5為逆變器控制策略圖。圖中Vbus 為母線電壓、Iref為給定電流、Isample為輸出電流采樣值、Vbus sample為母線電壓采樣值、Ugrid為輸出電壓采樣值、D為SPWM控制占空比。

并網(wǎng)情況下DC-AC逆變器主要完成控制母線電壓Vbus維持恒定，實現(xiàn)前后兩級功率平衡。控制框圖如圖5所示，母線電壓外環(huán)經(jīng)過PI計算得出電流給定值，再經(jīng)電流內(nèi)環(huán)計算，加上電網(wǎng)電壓前饋值，算出輸出調(diào)節(jié)量，與DSP給定的三角波信號比較來輸出脈寬變化的SPWM波，從而實現(xiàn)系統(tǒng)充放電功能。

 圖5 并網(wǎng)下逆變器控制策略

圖6為逆變器控制策略圖。圖中Vrms為輸出電壓有效值、Vref為瞬時電壓給定值、V sample為輸出電壓采樣值、Iref為給定電流、Isample為輸出電流采樣值、U0為輸出電壓采樣值。

無電網(wǎng)孤島系統(tǒng)情況下DC-AC逆變器主要完成單逆變功能，作為負載的電壓源?？刂瓶驁D如圖6所示，根據(jù)設(shè)定輸出電壓有效值計算出對應(yīng)角度電壓給定值，經(jīng)過PI環(huán)路求出電流環(huán)路給定，經(jīng)過誤差計算與輸出電壓前饋相加，得出調(diào)制占空比，作載波比較后控制開關(guān)管。通過該控制方式可以有效的控制逆變輸出電流，穩(wěn)定輸出。

圖6 離網(wǎng)下逆變器控制策略

3 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)主程序流程如圖7所示，輔助電源建立后，滿足PV工作條件進入PV充電模式，然后進入等待開機模式，當(dāng)按鍵按下或判斷為有電網(wǎng)開機時，進入外部環(huán)境檢測自檢模式，檢測逆變器輸入輸出環(huán)境是否滿足要求，滿足逆變器工作條件，進入離網(wǎng)模式，為負載提供電壓源；當(dāng)有電網(wǎng)時，進入并網(wǎng)模式，并選擇設(shè)置模式，儲能或供電，正常并網(wǎng)工作；當(dāng)運行中出現(xiàn)故障時，進入故障模式，等待故障消失后，再次啟動。

圖7 主程序流程圖

3.1 保護功能設(shè)計

由于光伏儲能系統(tǒng)擁有離網(wǎng)、儲能、供電等功能，故保護功能需要涵蓋現(xiàn)有光伏極板、電池、電網(wǎng)等源的檢測及保護。

故障保護模塊包括：PV輸入過壓及過流保護、電池過壓及過流保護、電網(wǎng)過欠壓保護、電網(wǎng)過欠頻保護、電網(wǎng)過流保護、主動孤島保護、各功率模塊溫度保護、電池溫度保護等模塊。

3.2 顯示功能模塊設(shè)計

  顯示功能模塊主要完成數(shù)據(jù)通訊設(shè)置功能，由于儲能系統(tǒng)所處環(huán)境不同，故可根據(jù)不同的環(huán)境設(shè)置各種工作模式及輸入輸出設(shè)定量；儲能及供電模式就是通過LCD設(shè)置，實現(xiàn)功能切換，或默認設(shè)置為一種自動工作模式，自啟動運行。

4 實驗結(jié)果與結(jié)論分析

   為了驗證光伏儲能系統(tǒng)可行性，搭建光伏儲能系統(tǒng)平臺，使用PV極板給電池充電，同時工作在離網(wǎng)帶負載或并網(wǎng)模式。PV掃描曲線開路電壓為140V , 最大功率點電壓為116V，輸入最大功率1500W，輸出電壓為55V , 48V 100AH鉛酸電池，充電電流最大30A，帶負載或并網(wǎng)儲能供電1000W。

 

圖8

圖8顯示波形依次是：PV極板電壓、電池電壓、極板輸入電流，電池充電電流。

 

圖9

圖9顯示波形依次是：電池電壓、負載電流、輸出電壓。

 

圖10a

圖10a顯示波形依次是：電池電壓、并網(wǎng)供電電流、電網(wǎng)電壓。

 

圖10b

圖10 b顯示波形依次是：電池電壓、并網(wǎng)充電電流、電網(wǎng)電壓。

 

圖8實驗波形是MPPT從140V至最大功率點116V的掃描過程，通過雙模式MPPT擾動觀察法可以在短時間內(nèi)找到最大功率點，實現(xiàn)輸出電壓恒定在55V，并穩(wěn)定輸入輸出電流。

圖9實驗波形是無電網(wǎng)孤島系統(tǒng)下，逆變輸出230V，帶負載1000W，輸出電流波形。

圖10a實驗波形是有電網(wǎng)并網(wǎng)，逆變并入230V電網(wǎng)，根據(jù)設(shè)置模式向電網(wǎng)側(cè)供電1000W，輸出電流波形。

圖10b實驗波形是有電網(wǎng)并網(wǎng)，逆變并入230V電網(wǎng)，根據(jù)設(shè)置模式給電池儲能充電1000W，電網(wǎng)側(cè)電流波形。

  通過分析光伏儲能系統(tǒng)的工作原理, 研究各模塊功能,經(jīng)過實際平臺試驗，驗證了該光伏儲能系統(tǒng)可行性；并得出以下優(yōu)點:

  (1)MPPT掃描方法，在掃描過程更穩(wěn)定，最大功率點跟蹤精度更高，MPPT工作效率達到最大99%。

  (2)直流電壓輸入范圍寬，儲能功能可選擇光伏極板、電網(wǎng)或混合充電。

  (3)有無電網(wǎng)逆變器都可以工作，合理利用能源，滿足用戶需求，對電網(wǎng)影響小，額定功率時電流諧波<3%。

 

作者：謝締

參考文獻

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