詹國敏，肖遙，張弘，趙興國

(江蘇輝倫太陽能科技有限公司，南京 210000)

0 引言

最近5年，光伏發(fā)電技術廣泛應用，裝機容量迅速擴大，特別是在各國政府大力補貼促進下，家庭戶用光伏實現(xiàn)跨越式發(fā)展。但是光伏新能源受天氣影響存在發(fā)電間歇性和不可控性。在沒有儲能功能前，大規(guī)模直接并入電網(wǎng)，帶來了很大的沖擊，影響了電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。同時由于家庭戶用的負載特性和光伏發(fā)電在時間上不一致，造成電網(wǎng)的新能源消納問題。加入儲能環(huán)節(jié)，可以平滑光伏發(fā)電輸出，移峰填谷，大幅提高自發(fā)自用效率［1］。

基于三端口虛擬MPPT的直流耦合儲能變換器，直接串聯(lián)在現(xiàn)有的光伏組件陣列和光伏逆變器之間，將光伏組件輸出能量全部存儲在鋰電池中，然后系統(tǒng)輸出實時跟蹤負載功率，實現(xiàn)零能耗住宅系統(tǒng)［2］。與傳統(tǒng)直流耦合系統(tǒng)相比，成本低，靈活性好，無須改變現(xiàn)有光伏系統(tǒng)設備［3］。與傳統(tǒng)交流耦合系統(tǒng)相比，成本更低，效率更高。用戶白天負載比較少，晚上比較多，白天光伏發(fā)電需要儲存起來晚上再用，光伏組件通過三端口虛擬最大功率點跟蹤太陽能控制器(MPPT)的直流耦合儲能變換器把電儲存到蓄電池，效率可達97%以上。傳統(tǒng)交流耦合系統(tǒng)，光伏先要通過逆變器變成交流電，再通過雙向變流器變成直流電，效率會降到90%左右［4］。同時帶有離網(wǎng)輸出功能的逆變器配合三端口虛擬MPPT的直流耦合儲能變換器，具有持續(xù)穩(wěn)定的不間斷電源(UPS)備電備災功能。

對并網(wǎng)要求苛刻的國家，如日本，可以有效規(guī)避傳統(tǒng)交流耦合系統(tǒng)所需的復雜JET認證，極大地滿足市場需求。

1 三端口虛擬MPPT的直流耦合儲能變換器拓撲結構

基于三端口虛擬MPPT的直流耦合儲能變換器拓撲結構如圖1所示，具有1個MPPT輸入模塊101，輸入電壓端子是PV+，PV－;1個虛擬 MPPT輸出模塊102，輸出端子是INV+，INV－;1個150 V高壓電池端口BAT+，BAT－。MPPT輸入模塊101采用降壓補償(BUCK)電路實現(xiàn)對原有組件陣列的MPPT跟蹤，將能量存儲在150 V高壓鋰電池中。虛擬MPPT輸出模塊102采用升壓(BOOST)電路模擬輸出原有組件陣列電壓，使輸出電壓具有組件的光伏(PV)特性和安伏(IV)特性。

圖1 三端口虛擬MPPT的直流耦合儲能變換器拓撲結構Fig.1 Topology of a DC-coupled energy storage converter based on three-port virtual MPPT

白天光照充沛時，三端口虛擬MPPT的直流耦合儲能變換器前級BUCK電路實現(xiàn)降壓MPPT控制，對鋰電池組充電。后級BOOST電路根據(jù)負載變化實時輸出相應的功率，保證從電網(wǎng)獲取的能量為0，此時鋰電池放電。前后級控制環(huán)路相互對立解耦，極大地降低控制難度。

2 前級MPPT控制策略研究

基于三端口虛擬MPPT的直流耦合儲能變換器的前級是1個BUCK電路，輸入接光伏組件陣列，輸出接鋰電池，鋰電池等效為恒壓源與電阻串聯(lián)結構。開關模型如圖2所示。

選取電感電流iL和電容電壓uC12做狀態(tài)量，得到狀態(tài)方程

圖2 前級BUCK電路開關模型Fig.2 Front-end BUCK circuit switch model

其中

同時 x= ［iL1，uC12］T，u= ［ui，uo］T，

可以得到

考慮系統(tǒng)的擾動，直流量加擾動交流量［6］，即

最終得到

其中，A=D A1+(1 － D)A2，B=D B1+(1 － D)B2。

假定^u=0，進行拉氏變換，于是可以得到

最終得到電感電流和輸出電容電壓的傳遞函數(shù)

BUCK電路輸入電壓Ui=400 V，濾波電感L1=1 mH，濾波電容 C12=820μF×4=3 280μF，鋰電池內阻R=50 mΩ，可以得到傳遞函數(shù)

開環(huán)BODE圖如圖3所示，可見系統(tǒng)是穩(wěn)定的，相位裕度和增益裕量滿足穩(wěn)定要求，不需要補償。

圖3 直流耦合儲能變換器前級BODE圖Fig.3 BODE diagram of the front-end DC-coupled energy storage converter

控制直接執(zhí)行MPPT算法，給定光伏組件輸出電壓，與光伏組件輸出電壓做比較，經過比例積分(PI)算法生成占空比，控制BUCK電路。

3 后級MPPT控制策略研究

基于三端口虛擬MPPT的直流耦合儲能變換器的后級是一個BOOST電路，輸入接鋰電池正負極，輸出接光伏逆變器PV輸入端口，開關模型如圖4所示。

圖4 后級BOOST電路開關模型Fig.4 Back-end BOOST circuit switch model

3.1 鋰電池到虛擬MPPT端口傳遞函數(shù)

選取電感電流iL2和電容電壓uC2做狀態(tài)量，得到狀態(tài)方程

其中

同時 x= ［iL2uC2］，u= ［ubat］。

可以得到

考慮系統(tǒng)的擾動，直流量加擾動交流量［6］，即d(t)=D+d^(t)，u(t)= ［ubat］，x(t)=X+^x(t) ，忽略二階項，最終得到

其中，A=D A1+(1 － D)A2，B=D B1+(1 － D)B2，進行拉氏變換，可以得到

其中

BOOST電路輸入電壓Ubat=150 V，濾波電感L2=1 mH，濾波電容C2=820μF×4=3280μF，輸出功率6 kW，輸出電壓300 V，負載等效阻抗 RL=15Ω，輸出占空比0.5，可以得到傳遞函數(shù)

3.2 補償網(wǎng)絡設計

后級虛擬MMPT控制輸出反饋控制系統(tǒng)如圖5所示，Gvd(s)是占空比d(s)到UC2的傳遞函數(shù)，H(s)是反饋系數(shù)，Gc(s)是補償網(wǎng)絡傳遞函數(shù)，Gm(s)是PWM脈寬調制的傳遞函數(shù)。

圖5 直流耦合儲能變換器后級控制Fig.5 Back-end control of the DC-coupled energy storage converter

H(s) 反饋系數(shù)為1，Gm(s)=1/Vm，Vm是 PWM調制器中的鋸齒波幅值，這里取10。無補償開環(huán)傳遞函數(shù)

直流耦合儲能變換器后級未補償BODE圖如圖6所示。

圖6中，系統(tǒng)的相位裕度為負，增益裕量也不滿足要求，一般要求相位裕度大于45°，增益裕量大于10 dB。因此需要加入補償網(wǎng)絡Gc(s)，提高系統(tǒng)的相位裕度和增益裕量［8］。

選擇超前滯后系統(tǒng)為補償網(wǎng)絡。因為原函數(shù)G0(s)有2個相似的極點，并且極點頻率是，我們將補償網(wǎng)絡的2個零點設計在原始回路極點的0.5倍處［9］，即

原始回路有零點，則

圖6 直流耦合儲能變換器后級未補償BODE圖Fig.6 Back-end uncompensated BODE diagram of the DC-coupled energy storage converter

補償傳遞函數(shù)

經過補償后的開環(huán)BODE圖如圖7所示，相位裕度和增益裕量滿足設計要求。

圖7 直流耦合儲能變換器后級補償BODE圖Fig.7 Back-end compensated BODE diagram of the DC-coupled energy storage converter

3.3 參考指令控制

圖8 為控制并網(wǎng)功率為零時P*的計算方法，即采集并網(wǎng)點的電流值，并計算有功功率，通過PI調節(jié)器后輸出作為P*，最終保持并網(wǎng)點功率為零［10］。

采集鋰電池輸出到BOOST電路的電流I2，執(zhí)行電流閉環(huán)控制，其中電流的給定值I2*采用模擬PV算法得到：

圖8 補償參考功率計算流程Fig.8 Reference compensation power calculation process

內置默認的光伏PV，IV曲線如圖9所示。

圖9 內置默認虛擬MPPT曲線Fig.9 Built-in default virtual MPPT curves

4 仿真驗證

利用MATLAB軟件對基于三端口虛擬MPPT的直流耦合儲能變換器運行策略仿真，結果如圖10所示。

圖10中波形分別對應PV組件陣列的輸出功率、鋰電池的充放電電流(充電為負，放電為正)、電網(wǎng)并網(wǎng)電流。負載從0 s時開始投入20Ω電阻，0.6 s時候再投入20Ω電阻。

圖10 直流耦合儲能變換器仿真運行曲線Fig.10 Simulation curves of the DC-coupled energy storage converter

從0 s開始，直流耦合儲能變換器開始執(zhí)行MPPT算法，將PV組件電能存儲到鋰電池中。0.1 s開始補償系統(tǒng)并網(wǎng)電流，補償效果良好，保證不從電網(wǎng)獲取能量。0.4 s時PV組件光照輻照度從1 000 W/m2降低到500 W/m2，組件輸出功率驟降;0.6 s時刻再投入一個20Ω電阻，跟蹤補償負載電流，保證從系統(tǒng)取電能為0。

5 實驗驗證

現(xiàn)場一別墅原配有10 kW的光伏逆變器，將基于三端口虛擬MPPT的直流耦合儲能變換器，直接串聯(lián)在現(xiàn)有的光伏組件陣列和光伏逆變器之間。直流耦合儲能變換器電氣參數(shù)見表1［15］。負載有變頻空調、冰箱、電熱水壺、微波爐、照明等。實際運行效果如圖11所示。

實時補償電網(wǎng)電流，光伏逆變器可以24 h不間斷工作。上方的波形是電網(wǎng)輸入電流波形，下方的波形是負載電流波形。當儲能逆變器夜間投入時候，電網(wǎng)電流補償為0，不從電網(wǎng)獲取能量。

表1 直流耦合儲能變換器電氣參數(shù)Tab.Electric parameters of the DC-coupled energy storage converter

圖11 直流耦合儲能變換器運行波形Fig.11 Waveform of the DC-coupled energy storage converter

6 結論

本文介紹的基于三端口虛擬MPPT的直流耦合儲能變換器，是光伏板和光伏逆變器之間的能量匹配和調節(jié)裝置?；陔娋W(wǎng)的智能化發(fā)展趨勢，加入儲能環(huán)節(jié)，解決了光伏板和現(xiàn)有光伏逆變器之間能量的供需矛盾，有效平衡晝夜發(fā)電和用電差異，最大限度地增大光伏板發(fā)電量，提高光伏板利用率。同時匹配現(xiàn)有光伏逆變器輸入側需求，全天候地滿足光伏逆變器輸出側的用電需求。白天利用光伏板發(fā)電，滿足逆變器能量需求的同時將多余電量存在電池中，夜間電池中的電能給逆變器使用。該機型支持多機并聯(lián)運行，可根據(jù)需求靈活擴容，滿足更大功率等級的用電需求。