光蓄互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)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(guān)電器組成的光伏發(fā)電系統(tǒng)，并根據(jù)太陽能電池板和蓄電池特性，以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行要求，在太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制技術(shù)和蓄電池充放電控制等方面提出了獨(dú)特的設(shè)計(jì)方案。對(duì)蓄電池電能并、離網(wǎng)兩種工作模式的控制策略進(jìn)行了深入研究，設(shè)計(jì)出額定功率為50 kW的光蓄互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)用變流器和光蓄互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。利用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行MPPT實(shí)驗(yàn)、蓄電池充放電和離、并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了提出的硬件設(shè)計(jì)和控制策略的正確性和有效性。
關(guān)鍵詞：變流器；最大功率點(diǎn)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(shù)不斷成熟，太陽能供電技術(shù)成為了研究熱點(diǎn)。隨著智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)概念的提出，光蓄互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定地并入電網(wǎng)供電和離網(wǎng)獨(dú)立供電成為基本技術(shù)要求。這里對(duì)光蓄互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，并設(shè)計(jì)了光蓄互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)用變流器，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)針對(duì)相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2 光蓄互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)
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(fù)載情況決定，太陽能電池板總會(huì)在某個(gè)輸出電壓點(diǎn)上提供最大功率，該點(diǎn)即為最大功率點(diǎn)(MPP)。為提高整個(gè)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(duì)太陽能電池板進(jìn)行MPPT，通過實(shí)時(shí)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(dòng)觀測(cè)法，該方法的思想是給太陽能電池板輸出電壓值上加一個(gè)擾動(dòng)量△U，在新建立的電壓U+△U下測(cè)量光伏電池板輸出電壓與電流，計(jì)算對(duì)應(yīng)功率，與輸出電壓為U時(shí)的功率比較，若輸出功率增加，則表示擾動(dòng)方向正確，繼續(xù)朝同一方向增加△U，若擾動(dòng)后功率值減小，則往反方向擾動(dòng)。該方法需測(cè)量的電量少，實(shí)現(xiàn)起來比較容易，只要進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)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(shí)現(xiàn)，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(dòng)時(shí)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(dòng)觀測(cè)法調(diào)節(jié)后計(jì)算占空比并給定PWM脈沖信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后控制開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)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(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的電能起著儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)作用，在離網(wǎng)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(fù)載的運(yùn)行。在此采用鋰離子蓄電池組作為儲(chǔ)能裝置設(shè)計(jì)的蓄電池管理系統(tǒng)，具有電壓、電流、溫度檢測(cè)及保護(hù)功能，在充放電過程中，系統(tǒng)中每一個(gè)串聯(lián)電池模塊電壓均在管理系統(tǒng)監(jiān)控下，當(dāng)電壓超過設(shè)定電壓范圍時(shí)，將向光蓄互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，必要時(shí)切斷主接觸器，此外管理系統(tǒng)具備剩余電量(SOC)計(jì)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(hù)。
蓄電池充放電控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是結(jié)合蓄電池管理系統(tǒng)共同完成的，要求系統(tǒng)能在并網(wǎng)時(shí)，與電網(wǎng)共同給負(fù)載供電，在電網(wǎng)發(fā)生事故或開關(guān)發(fā)生故障時(shí)，能離網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行。在獨(dú)立離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，該設(shè)計(jì)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(fù)載供電。充放電由雙向DC／DC電路實(shí)現(xiàn)，蓄電池管理系統(tǒng)給系統(tǒng)控制核心提供必要數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)作為依據(jù)對(duì)電池充放電進(jìn)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(jù)。
系統(tǒng)工作在并網(wǎng)狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)后判斷太陽能電池板是否啟動(dòng)，當(dāng)太陽能電池板達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定電壓后，通過管理系統(tǒng)提供的SOC數(shù)據(jù)判斷蓄電池SOC是否達(dá)到SOC上限值，若未達(dá)到，則控制雙向DC／DC電路給蓄電池充電，充電至所設(shè)定的SOC上限值時(shí)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(shí)，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(shè)定的SOC后備值時(shí)停止放電，若蓄電池SOC小于SOC后備值，此時(shí)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(wǎng)充放電控制框圖如圖2所示。