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        光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)中的雙向直流變換器設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

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

        宋 益,李熙蕓,亢雅博

        (1.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院,廣西 南寧 530004;2.廣西電網(wǎng)有限責(zé)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(duì)傳統(tǒng)能源枯竭及環(huán)保意識(shí)認(rèn)識(shí)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(jī)性,能源存儲(chǔ)技術(shù)被認(rèn)為是未來的核心研究領(lǐng)域,特別是電池儲(chǔ)能系統(tǒng),像一個(gè)特殊的銀行,可以儲(chǔ)存電力,并作為電源。由于電能具有實(shí)時(shí)性,很難使輸出電壓保持在預(yù)定的范圍內(nèi)。因此,儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)揮了重要的作用。當(dāng)分布式發(fā)電系統(tǒng)波動(dòng)較大時(shí),若有儲(chǔ)能電池及時(shí)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(wǎng)或直供離網(wǎng)負(fù)荷的方式運(yùn)行,但由于電能的實(shí)時(shí)性,一般情況下,會(huì)出現(xiàn)供大于求或供不應(yīng)求的缺陷。針對(duì)這一問題,本文在光伏發(fā)電系統(tǒng)與負(fù)荷之間連接一個(gè)儲(chǔ)能電池,通過雙向直流變換器來控制電池的充放電,以達(dá)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(jīng)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(gè)參數(shù):短路電流Isc,開路電壓Uoc,峰值電流Im,峰值電壓Um。當(dāng)環(huán)境發(fā)生改變時(shí),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(qiáng)度;Tref為溫度標(biāo)準(zhǔn)值,取25 ℃;Sref為光照強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,取1 000 W/m2;ΔT為溫度的變化值;ΔS為光照強(qiáng)度的變化值;a,b,c分別代表經(jīng)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(gè)重要的組成部分,其目的在于使太陽能的利用率達(dá)到最大化,減少損耗。最大功率追蹤有很多方法可以實(shí)現(xiàn),本文采用擾動(dòng)觀察(P&O)法。

        2.1 擾動(dòng)觀察法原理

        擾動(dòng)觀察法是一個(gè)自行尋找最優(yōu)解的最大功率追蹤方法,其實(shí)現(xiàn)基于光伏發(fā)電組的P-U輸出關(guān)系[4]。其基本原理:讀取一個(gè)時(shí)刻光伏發(fā)電組的輸出功率,設(shè)為P1;下一時(shí)刻,再讀取另一輸出功率,設(shè)為P2。比較P1和P2的大小,取較大值。再取一時(shí)刻的輸出功率,設(shè)為P3,與上一較大值比較,取二者中較大值。以此類推,反復(fù)比較,某一時(shí)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(dòng)觀察法的主要流程

        2.2 仿真模型

        在Matlab/Simulink中,可以實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)觀察法。如圖3所示,步長設(shè)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(diǎn)在于結(jié)構(gòu)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(yùn)行在升壓或降壓模式下,以達(dá)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(shè)計(jì)

        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(yīng)速度慢或諧波過大。濾波電感應(yīng)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(jù)感性特性,電感由式(6)進(jìn)行確定。

        (6)

        式中:Io為輸出電流;f為開關(guān)頻率。

        經(jīng)過計(jì)算,Lf計(jì)算為5 mH。

        3.1.2 電池側(cè)濾波電容Cf2

        輸出側(cè)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(gè)電容數(shù)值越大越好,但響應(yīng)速度會(huì)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(yùn)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(jì)。整個(gè)回路的等效電路如圖5所示。

        (7)

        (8)

        a.當(dāng)電流為常數(shù)時(shí)

        (9)

        b.當(dāng)電壓為常數(shù)時(shí)

        (10)

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

        3.1.3 輸入側(cè)電容Cf1

        通過分析升壓電路的工作原理,可得輸入側(cè)電容的計(jì)算公式:

        (11)

        經(jīng)計(jì)算,C1=1 190 μF??紤]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(nèi)環(huán),最終的控制信號(hào)是PWM。Uref是額定運(yùn)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(jié)果

        仿真結(jié)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(fù)荷端的可變功率。從初始時(shí)間0~0.8 s,太陽能發(fā)電同時(shí)向電池端和負(fù)載端供能。在這個(gè)時(shí)間內(nèi),負(fù)載端的功率為5 kW,小于光伏功率8 kW。0.8 s后,負(fù)載突變至14 kW,此時(shí),僅靠光伏已不能滿足需求,所以電池開始自動(dòng)向負(fù)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(shí),電池充電;0.8~1.4 s時(shí),電池放電。

        圖7 雙向直流變換器仿真結(jié)果

        4 結(jié)束語

        本文設(shè)計(jì)了一個(gè)雙向直流變換器,應(yīng)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(jié)構(gòu)采用非隔離型結(jié)構(gòu),由于其架構(gòu)簡單、易于控制,效率很高。仿真結(jié)果表明,此變換器可以自動(dòng)控制電池在充電與放電模式中進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

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