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        光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)中的雙向直流變換器設計應用研究

        2018-02-22 03:18:44李熙蕓亢雅博
        東北電力技術 2018年11期
        關鍵詞:雙向諧波電容

        宋 益,李熙蕓,亢雅博

        (1.廣西大學電氣工程學院,廣西 南寧 530004;2.廣西電網有限責任公司南寧供電局, 廣西 南寧 530000;3.遼寧省送變電工程有限公司,遼寧 沈陽 110021)

        由于對傳統(tǒng)能源枯竭及環(huán)保意識認識的提高,電力系統(tǒng)向分布式發(fā)電方向發(fā)展[1-2]。由于光伏等分布式發(fā)電的隨機性,能源存儲技術被認為是未來的核心研究領域,特別是電池儲能系統(tǒng),像一個特殊的銀行,可以儲存電力,并作為電源。由于電能具有實時性,很難使輸出電壓保持在預定的范圍內。因此,儲能系統(tǒng)發(fā)揮了重要的作用。當分布式發(fā)電系統(tǒng)波動較大時,若有儲能電池及時放電,即可保證系統(tǒng)的安全性和可靠性[3]。

        傳統(tǒng)的太陽能光伏發(fā)電采用直接并網或直供離網負荷的方式運行,但由于電能的實時性,一般情況下,會出現(xiàn)供大于求或供不應求的缺陷。針對這一問題,本文在光伏發(fā)電系統(tǒng)與負荷之間連接一個儲能電池,通過雙向直流變換器來控制電池的充放電,以達到提高能源利用率的目的。

        1 光伏發(fā)電

        1.1 基本電路

        太陽能光伏組的等效電路如圖1所示。

        經分析,等效電路中理想的光伏發(fā)電組模型的輸出電流可以確定為

        I=Iph-ID-Ish

        (1)

        1.2 光伏發(fā)電組參數(shù)

        在光伏發(fā)電組中,主要有4個參數(shù):短路電流Isc,開路電壓Uoc,峰值電流Im,峰值電壓Um。當環(huán)境發(fā)生改變時,光伏發(fā)電組的輸出參數(shù)也隨之

        圖1 太陽能光伏組等效電路

        改變,表示為

        Uoc_new=Uoc(1-c·ΔT)(1+b·ΔS)

        (2)

        (3)

        Um_new=Um(1-c·ΔT)(1+b·ΔS)

        (4)

        (5)

        式中:S為光照強度;Tref為溫度標準值,取25 ℃;Sref為光照強度標準值,取1 000 W/m2;ΔT為溫度的變化值;ΔS為光照強度的變化值;a,b,c分別代表經典值,a=0.002 5 ℃,b=0.5,c=0.002 8 ℃。

        2 最大功率追蹤(MPPT)

        最大功率追蹤是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中一個重要的組成部分,其目的在于使太陽能的利用率達到最大化,減少損耗。最大功率追蹤有很多方法可以實現(xiàn),本文采用擾動觀察(P&O)法。

        2.1 擾動觀察法原理

        擾動觀察法是一個自行尋找最優(yōu)解的最大功率追蹤方法,其實現(xiàn)基于光伏發(fā)電組的P-U輸出關系[4]。其基本原理:讀取一個時刻光伏發(fā)電組的輸出功率,設為P1;下一時刻,再讀取另一輸出功率,設為P2。比較P1和P2的大小,取較大值。再取一時刻的輸出功率,設為P3,與上一較大值比較,取二者中較大值。以此類推,反復比較,某一時刻的輸出功率即最大功率。這一方法的流程如圖2所示。

        圖2 擾動觀察法的主要流程

        2.2 仿真模型

        在Matlab/Simulink中,可以實現(xiàn)擾動觀察法。如圖3所示,步長設為0.001。

        圖3 MPPT模塊的仿真模型

        3 雙向直流變換器

        雙向直流變換器分為隔離型和非隔離型。非隔離型的優(yōu)點在于結構簡單、元器件少、便于控制,本文采用非隔離型Buck/Boost變換器。變換器可運行在升壓或降壓模式下,以達到控制電池充放電目的,如圖4所示。

        圖4 Buck/Boost變換器電路

        3.1 主要參數(shù)設計

        3.1.1 濾波電感Lf

        濾波電感的數(shù)值不能過大或過小,否則引起響應速度慢或諧波過大。濾波電感應保證能夠控制電流諧波范圍不超過輸出電流的10%。在IGBT閉合期間,根據感性特性,電感由式(6)進行確定。

        (6)

        式中:Io為輸出電流;f為開關頻率。

        經過計算,Lf計算為5 mH。

        3.1.2 電池側濾波電容Cf2

        輸出側的濾波電容數(shù)值大小影響輸出電壓和電流的諧波。理論上,這個電容數(shù)值越大越好,但響應速度會隨之變慢[5]。為了能夠選出最優(yōu)的Cf2值,本文使用一種新方法。該方法基于穩(wěn)態(tài)運行情況,只考慮諧波的影響。把諧波看作擁有基波f的電流源,其他高次諧波忽略不計。整個回路的等效電路如圖5所示。

        (7)

        (8)

        a.當電流為常數(shù)時

        (9)

        b.當電壓為常數(shù)時

        (10)

        綜上,可得C2≥6 127 μF。考慮裕量,電池側濾波電容Cf2的取值為6 500 μF。

        3.1.3 輸入側電容Cf1

        通過分析升壓電路的工作原理,可得輸入側電容的計算公式:

        (11)

        經計算,C1=1 190 μF。考慮裕量后,Cf1的取值為2 500 μF。

        3.2 雙向直流變換器的控制方法

        雙閉環(huán)的控制原理如圖6所示,電壓控制為外環(huán),電流控制為內環(huán),最終的控制信號是PWM。Uref是額定運行電壓;Udc直流母線電壓;Ib是電池充放電的電流值。其中,PI控制器為離散型,其系數(shù)分別為kp=2,ki=120。

        圖6 雙向直流變換器的控制原理

        3.3 仿真結果

        仿真結果如圖7所示,a表示電池功率的變化曲線;b表示太陽能光伏發(fā)電組的最大功率;c表示負荷端的可變功率。從初始時間0~0.8 s,太陽能發(fā)電同時向電池端和負載端供能。在這個時間內,負載端的功率為5 kW,小于光伏功率8 kW。0.8 s后,負載突變至14 kW,此時,僅靠光伏已不能滿足需求,所以電池開始自動向負荷端放電直至1.4 s。電池的充電狀態(tài)(SOC)同樣可見:0~0.8 s時,電池充電;0.8~1.4 s時,電池放電。

        圖7 雙向直流變換器仿真結果

        4 結束語

        本文設計了一個雙向直流變換器,應用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)中,控制電池充放電。雙向交流變換器的結構采用非隔離型結構,由于其架構簡單、易于控制,效率很高。仿真結果表明,此變換器可以自動控制電池在充電與放電模式中進行轉換。

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