光蓄互補發(fā)電系統(tǒng)技術的研究

摘要：通過研究由太陽能電池板、蓄電池、變流器和開關電器組成的光伏發(fā)電系統(tǒng)，并根據太陽能電池板和蓄電池特性，以及現場實際情況和系統(tǒng)穩(wěn)定運行要求，在太陽能電池最大功率點跟蹤(MPPT)控制技術和蓄電池充放電控制等方面提出了獨特的設計方案。對蓄電池電能并、離網兩種工作模式的控制策略進行了深入研究，設計出額定功率為50 kW的光蓄互補發(fā)電系統(tǒng)用變流器和光蓄互補實驗平臺。利用該實驗平臺進行MPPT實驗、蓄電池充放電和離、并網實驗。實驗結果驗證了提出的硬件設計和控制策略的正確性和有效性。
關鍵詞：變流器；最大功率點跟蹤；光伏蓄電池

1 引言
由于電力系統(tǒng)的發(fā)展和控制技術不斷成熟，太陽能供電技術成為了研究熱點。隨著智能電網和微電網概念的提出，光蓄互補發(fā)電系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定地并入電網供電和離網獨立供電成為基本技術要求。這里對光蓄互補發(fā)電系統(tǒng)進行深入研究，并設計了光蓄互補發(fā)電系統(tǒng)用變流器，搭建了實驗平臺針對相關運行狀態(tài)進行實驗。

2 光蓄互補發(fā)電系統(tǒng)應用技術
2．1 太陽能電池板MPPT控制
光伏陣列的功率輸出特性為非線性，其輸出電壓電流由負載情況決定，太陽能電池板總會在某個輸出電壓點上提供最大功率，該點即為最大功率點(MPP)。為提高整個系統(tǒng)效率，必須充分利用太陽能組件的功率輸出能力，因此需對太陽能電池板進行MPPT，通過實時跟蹤光伏陣列MPP，使光伏陣列始終工作在MPP附近，從而提高系統(tǒng)效率。所研究系統(tǒng)MPPT采用擾動觀測法，該方法的思想是給太陽能電池板輸出電壓值上加一個擾動量△U，在新建立的電壓U+△U下測量光伏電池板輸出電壓與電流，計算對應功率，與輸出電壓為U時的功率比較，若輸出功率增加，則表示擾動方向正確，繼續(xù)朝同一方向增加△U，若擾動后功率值減小，則往反方向擾動。該方法需測量的電量少，實現起來比較容易，只要進行簡單的運算和比較即可，MPPT效果也較好。此處，系統(tǒng)太陽能電池板的MPPT由Boost電路實現，控制系統(tǒng)采用恒頻變占空比控制策略，△U=5 V，單次電壓擾動時間200μs，控制框圖如圖1所示。光伏陣列輸出電壓、電感電流分別為Ui，Ii，作為MPPT控制算法的輸入量，由MPPT控制器按照擾動觀測法調節(jié)后計算占空比并給定PWM脈沖信號，經驅動電路后控制開關管導通與關斷。

2．2 蓄電池充放電控制
在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池對系統(tǒng)產生的電能起著儲存和調節(jié)作用，在離網工作模式下，蓄電池作為重要供電電源，其可靠性直接影響負載的運行。在此采用鋰離子蓄電池組作為儲能裝置設計的蓄電池管理系統(tǒng)，具有電壓、電流、溫度檢測及保護功能，在充放電過程中，系統(tǒng)中每一個串聯電池模塊電壓均在管理系統(tǒng)監(jiān)控下，當電壓超過設定電壓范圍時，將向光蓄互補發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出報警，必要時切斷主接觸器，此外管理系統(tǒng)具備剩余電量(SOC)計算等功能，最終通過CAN通訊給系統(tǒng)總控提供電池的監(jiān)控信息，從而完成鋰電池的充放電及保護。
蓄電池充放電控制技術的實現是結合蓄電池管理系統(tǒng)共同完成的，要求系統(tǒng)能在并網時，與電網共同給負載供電，在電網發(fā)生事故或開關發(fā)生故障時，能離網獨立運行。在獨立離網運行時，該設計中太陽能電池板和蓄電池組成的供電系統(tǒng)能安全、穩(wěn)定地給負載供電。充放電由雙向DC／DC電路實現，蓄電池管理系統(tǒng)給系統(tǒng)控制核心提供必要數據，主要有蓄電池組SOC，電池組串總電流、單體電池電壓、溫度等信息，系統(tǒng)控制核心以電池管理系統(tǒng)提供的數據作為依據對電池充放電進行控制，系統(tǒng)將蓄電池SOC分為上限SOC，后備SOC及下限SOC 3種，作為蓄電池在系統(tǒng)不同工作模式下充放電的依據。
系統(tǒng)工作在并網狀態(tài)時，啟動后判斷太陽能電池板是否啟動，當太陽能電池板達到系統(tǒng)設定電壓后，通過管理系統(tǒng)提供的SOC數據判斷蓄電池SOC是否達到SOC上限值，若未達到，則控制雙向DC／DC電路給蓄電池充電，充電至所設定的SOC上限值時停止充電；在太陽能電池板小于停止電壓并停止輸出功率時，判斷蓄電池SOC是否大于SOC后備值，若大于SOC后備值，則控制雙向DC／DC電路工作在蓄電池放電工況，直至放電至所設定的SOC后備值時停止放電，若蓄電池SOC小于SOC后備值，此時蓄電池充電，系統(tǒng)控制蓄電池充電電流為0．3 C，放電電流為0．4 C。并網充放電控制框圖如圖2所示。