周子焱，王娟娟

（大連交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，大連 116021）

伴隨傳統(tǒng)能源的短缺，新能源成為一種新的趨勢(shì)，其中光伏發(fā)電逐漸成為了一種合理利用太陽(yáng)能的重要方式[1-2]。但由于太陽(yáng)能的隨機(jī)間斷性，光伏系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)能量供需平衡[3]，需要采用必要的儲(chǔ)能設(shè)備[4-5]。蓄電池作為一種具有較高效率的能源轉(zhuǎn)換裝置，常常被用來(lái)做光伏系統(tǒng)儲(chǔ)能設(shè)備[6]。從蓄電池的角度看，溫度、過(guò)充電、過(guò)放電、長(zhǎng)期處于低荷電狀態(tài)SOC 等，都對(duì)其使用壽命以及能源利用率有影響[7-8]。因此為減少不必要的損傷，需要采取合適的充放電方式。

文獻(xiàn)[9]為充分利用光能，提出了一種通過(guò)電流調(diào)節(jié)，來(lái)對(duì)蓄電池充電過(guò)程進(jìn)行管控的策略；文獻(xiàn)[10]提出了將MPPT 與階段式充電相結(jié)合，通過(guò)改進(jìn)MPPT 算法來(lái)管控蓄電池充電過(guò)程的策略，在充分利用太陽(yáng)能的同時(shí)考慮對(duì)蓄電池的保護(hù)。雖然文獻(xiàn)[9-10]都考慮了光伏電池最大功率的問(wèn)題，但都未通過(guò)光伏電池MPPT 結(jié)合蓄電池控制的方式，來(lái)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試。

針對(duì)上述存在的問(wèn)題，本文在基于MPPT 的蓄電池模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)滑模控制最大功率追蹤配合雙閉環(huán)控制，在簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)模型下，保證整個(gè)系統(tǒng)的功率穩(wěn)定；通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池系統(tǒng)電壓情況，保護(hù)蓄電池的使用壽命，避免過(guò)充和過(guò)放情況的發(fā)生。

1 光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光伏電池組件、蓄電池、功率變換器、控制器是獨(dú)立光伏系統(tǒng)的主要組成部分，如圖1所示。

圖1 分布式光伏系統(tǒng)組成Fig.1 Distributed photovoltaic system composition

光伏發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)公共連接點(diǎn)并聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)的升壓斬波電路，共同作用于逆變側(cè)直流端，從而實(shí)現(xiàn)直流端輸出電壓的穩(wěn)定。

基于儲(chǔ)能的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要工作原理為：光伏列陣可以通過(guò)進(jìn)行最大功率跟蹤算法來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率輸出，通過(guò)DC/DC 升壓斬波以及DC/AC 逆變來(lái)實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出；儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)過(guò)DC/DC 雙向斬波電路與DC/AC 逆變器公共連接點(diǎn)與光伏發(fā)電系統(tǒng)并聯(lián)。有效控制蓄電池進(jìn)行充電放電，與光伏陣列協(xié)調(diào)工作，使得系統(tǒng)負(fù)載可以穩(wěn)定運(yùn)行。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)

2.1 光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型

光伏電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)為電能，是通過(guò)用P-N 結(jié)的伏特效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

關(guān)于輸出電流I 與輸出電壓V 之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式[11]為

式中：Iph為光生電流；I0為飽和電流；n 為理想因子；k 為波爾茲曼常數(shù)，取值為1.38×10-23J/K；q 為電子電荷量，取值為1.6×10-19C；θ 為電池溫度。

當(dāng)光伏電池短路時(shí)，短路電流Isc=Iph。而當(dāng)其處于開(kāi)路時(shí)，令b=q/（nkθ），式（1）變?yōu)?/p>

式中：Voc為開(kāi)路電壓。

在最大功率點(diǎn)時(shí)，I=Im，V=Vm，由式（1）得：

式中：Im為最大功率電流；V=Vm為最大功率電壓。

因此在參數(shù)Isc，Im，Voc，Vm和b 都在標(biāo)準(zhǔn)情況下（S=1000 W/m2，θ=25 ℃）均為常數(shù)時(shí)，數(shù)學(xué)模型為

2.2 滑塊模型控制器設(shè)計(jì)

光伏電池的輸出功率為

式中：Ppv為實(shí)際輸出功率；Upv為實(shí)際輸出電壓；Ipv為實(shí)際輸出電流。

根據(jù)光伏電池的輸出特性可知，在最大功率點(diǎn)時(shí)：

將式（5）代入式（6）中得：

因此，令：

由于滑?？刂茖?duì)系統(tǒng)的干擾參數(shù)變化具有完全的適應(yīng)性，所以當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入滑模狀態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)，考慮不變性條件：

選取狀態(tài)量：

代入：

得：

結(jié)合上述公式，可得滑模控制器控制率為

式中：ueq為滑模的動(dòng)態(tài)部分；un為基于可達(dá)性條件的非線(xiàn)性部分；D 為Boost 變換電路的穩(wěn)態(tài)占空比；sgn（S）為符號(hào)函數(shù)，確保當(dāng)kssgn（S）<0，能夠保證系統(tǒng)符合可達(dá)性條件[12]。

綜上所述，控制率為

3 蓄電池系統(tǒng)

本文通過(guò)雙向半橋DC/DC 變換器來(lái)控制蓄電池的充放電。具有傳遞能量作用的雙向DC/DC 變流器可以實(shí)現(xiàn)電能的雙向流動(dòng)。通過(guò)電子開(kāi)關(guān)的切換工作，可以對(duì)電流流動(dòng)方向進(jìn)行有效控制，而且，通過(guò)連接逆變器和DC/DC 變流器，儲(chǔ)能設(shè)備可以大幅降低電壓，充放電動(dòng)作的靈活性更高，裝置容量的利用率更高，系統(tǒng)的運(yùn)行成本減少，儲(chǔ)能裝置具有較高的經(jīng)濟(jì)性。雙向DC/DC 變換器的電路如圖2所示。蓄電池與雙向半橋DC/DC 變換器的連接仿真模型如圖3所示。

圖2 雙向變換器的電路Fig.2 Circuit diagram of two-way converter

圖3 蓄電池與雙向半橋DC/DC 變換器鏈接仿真模型Fig.3 Simulation model of battery and bidirectional half-bridge DC/DC converter link

4 充放電控制的建模仿真

通過(guò)仿真來(lái)模擬蓄電池的充放電過(guò)程，蓄電池進(jìn)行放電處理時(shí)，其輸出電流流向負(fù)載；而當(dāng)其進(jìn)行充電處理時(shí)，其電流從負(fù)載流向蓄電池。也就是說(shuō)，負(fù)載要具備負(fù)載特性用來(lái)消耗蓄電池的電能，同時(shí)還具備電源特性用來(lái)給蓄電池充電。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，本文采用受控電壓源和電阻進(jìn)行串聯(lián)，且使用受控電流源的輸入值的正負(fù)代表充電和放電電源，充放電控制如圖4所示。

圖4 充放電控制框圖Fig.4 Control block diagram of charge and discharge

根據(jù)充放電的控制圖，該控制策略采用電壓環(huán)和電流環(huán)控制的雙閉環(huán)控制，且電流環(huán)和電壓環(huán)均采用PI 調(diào)節(jié)器。對(duì)于電壓環(huán)控制而言，其主要作用就是讓實(shí)際電壓實(shí)時(shí)跟蹤參考電壓，即使受到外界擾動(dòng)；電流環(huán)的作用就是讓實(shí)際電流實(shí)時(shí)跟蹤參考電流值，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。雙閉環(huán)控制的仿真模型如圖5所示，并考慮了系統(tǒng)過(guò)充和過(guò)放的能力，當(dāng)蓄電池的SOC 值大于0.95 或者小于0.2 時(shí)，此時(shí)變換器會(huì)停止工作，控制算法會(huì)阻斷PWM 脈沖。綜合起來(lái)系統(tǒng)的整個(gè)仿真模型如圖6所示。

圖5 雙閉環(huán)控制的仿真模型Fig.5 Simulation model of double closed loop control

圖6 整體系統(tǒng)仿真模型Fig.6 Overall system simulation model

5 仿真結(jié)果分析

根據(jù)前文介紹的整個(gè)系統(tǒng)的建模過(guò)程，為了驗(yàn)證所提控制策略的可行性和有效性，仿真中PI 調(diào)節(jié)器的參數(shù)分別設(shè)置為：電壓環(huán)PI 調(diào)節(jié)器的參數(shù)為Kp=0.3，Ki=15；電流環(huán)PI 調(diào)節(jié)器的參數(shù)為Kp=1，Ki=30。通過(guò)使用受控電壓來(lái)進(jìn)行模擬設(shè)置，來(lái)模擬蓄電池的充電放電控制過(guò)程。t=0.4 s 到t=1.2 s 時(shí)負(fù)載特性為消耗蓄電池電能，t=1.2 s 轉(zhuǎn)換為給蓄電池進(jìn)行充電。

直流母線(xiàn)電壓的變化曲線(xiàn)如圖7所示?？梢钥吹剑词关?fù)載發(fā)生變化，也能夠快速恢復(fù)到實(shí)際值，直流母線(xiàn)基本上保持400 V 不變。

圖7 直流母線(xiàn)電壓變化曲線(xiàn)Fig.7 Change curve of DC bus voltage

蓄電池電流的變化曲線(xiàn)如圖8所示，當(dāng)電流大于0 時(shí)表示蓄電池放電；而當(dāng)蓄電池小于0 時(shí)表示給蓄電池充電?？梢钥吹?，采用雙閉環(huán)控制時(shí)，系統(tǒng)能夠根據(jù)外界的變化迅速做出反應(yīng)。

圖8 蓄電池電流變化曲線(xiàn)Fig.8 Change curve of battery current

蓄電池兩端的端電壓的變化曲線(xiàn)如圖9所示。當(dāng)蓄電池端電壓減小時(shí)，此時(shí)蓄電池表示進(jìn)行放電過(guò)程；相反，當(dāng)端電壓逐步增加時(shí)，此時(shí)蓄電池進(jìn)行充電過(guò)程。仿真結(jié)果符合理論分析，證明了仿真結(jié)果的正確性。

圖9 蓄電池端電壓變化曲線(xiàn)Fig.9 Change curve of battery terminal voltage

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)，基于滑?？刂频淖畲蠊β矢欬c(diǎn)，配合雙閉環(huán)控制的策略，在Matlab/Simulink 軟件中進(jìn)行仿真模型試驗(yàn)。根據(jù)理論分析以及仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)充放電模型策略合理，采用雙閉環(huán)控制時(shí)，即使負(fù)載發(fā)生變化，系統(tǒng)能夠根據(jù)外界的變化迅速做出反應(yīng)，減少了蓄電池?fù)p壞的可能性，保證了直流母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定，有利于整個(gè)系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。