南京國聯(lián)電力工程設(shè)計(jì)有限公司 胡智穎

1 引言

我國新能源產(chǎn)業(yè)在國家政策的扶持下，發(fā)展勢頭日益強(qiáng)勁，尤其在光伏發(fā)電方面，已初具規(guī)模。但是，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，由于其自身的不確定因素，會(huì)給電網(wǎng)帶來較大的干擾[1]。直接并網(wǎng)將產(chǎn)生較大的諧波污染，對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。因此，對(duì)光伏發(fā)電功率的波動(dòng)進(jìn)行有效的控制是非常有必要的。根據(jù)新能源的發(fā)展趨勢，本文對(duì)光伏儲(chǔ)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，與中小規(guī)模的分散式、離網(wǎng)式的光伏發(fā)電系統(tǒng)相比較，是一種新型的電力資源管理方式，在能源管理模式方面有較大發(fā)展，使其智能化水平得到了較大提升。

2 基于新能源發(fā)展趨勢下的光伏儲(chǔ)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在光伏儲(chǔ)能控制系統(tǒng)中，其輸出功率的控制方式是最大功率跟蹤方式，而非功率調(diào)整方式。因此，在光伏儲(chǔ)能控制系統(tǒng)中，光伏發(fā)電既可以平衡發(fā)電的有功，又可以滿足本地電網(wǎng)負(fù)荷的局部無功需求。

2.1 全橋雙向變換器

基于新能源發(fā)展趨勢下的光伏儲(chǔ)能控制系統(tǒng)中，按其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，可以劃分為電壓式和電流式兩種。在一級(jí)電能變換環(huán)節(jié)，電流型轉(zhuǎn)換器的功率比電壓型轉(zhuǎn)換器要小，更適用于配電系統(tǒng)。為此，設(shè)計(jì)了一種全橋雙向變流器。

全橋雙向變流器主要承擔(dān)著兩路總線和電網(wǎng)或負(fù)荷之間能量的雙向傳遞，以及最大功率的追蹤[2]。在開關(guān)開啟的時(shí)候，電感器會(huì)把電能儲(chǔ)存起來。在關(guān)機(jī)狀態(tài)下，感應(yīng)器所放出的電能與供電能量相疊加，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)電壓的提升。在最大功率追蹤階段，對(duì)各循環(huán)的實(shí)時(shí)功率進(jìn)行了連續(xù)的計(jì)算，并與以前的循環(huán)進(jìn)行了對(duì)比。根據(jù)這一點(diǎn)，持續(xù)地調(diào)節(jié)工作循環(huán)，直至達(dá)到最大功率。在最大功率追蹤時(shí)，將光伏電池板等效為一個(gè)電流源和一個(gè)電阻器并聯(lián)的模式，并用后級(jí)全橋電路實(shí)現(xiàn)了總電壓的穩(wěn)定在400V 左右[3]。

DC/AC 交流逆變器采用PWM 全橋結(jié)構(gòu)，各橋臂分別為N 型IGBT 和反向并聯(lián)二極管。通過交流側(cè)添加的平衡電壓，能夠起到濾波、支持無功、存儲(chǔ)平衡電感器的穩(wěn)定工作。在光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中，全橋是對(duì)電網(wǎng)和匯流進(jìn)行雙向控制的。在電網(wǎng)運(yùn)行或光伏并網(wǎng)的情況下，將母線的電能傳輸至負(fù)載和并網(wǎng)。在這種情況下，全橋式結(jié)構(gòu)就像一個(gè)逆變器，但是，在沒有光電輸入的情況下，電能由電網(wǎng)向母線方向輸送，再由BMS 線路給蓄電池充電，這種情況下，全橋雙向變流器起到整流電路的作用。

2.2 濾波器

由于采用SPWM 調(diào)制的全橋雙向轉(zhuǎn)換器，在接近切換頻率時(shí)會(huì)出現(xiàn)特性諧波。在PWM 調(diào)制過程中，需要加入LC 濾波，以濾掉接近切換頻率的高階諧波。在設(shè)計(jì)中，切換頻率是126次標(biāo)稱。LC濾波器必須對(duì)諧波進(jìn)行有效的控制，以確?；绢l率的增益[4]。LC 濾波器電感電容參數(shù)是由下列條件所限制的：一是盡量減少由電感造成的基波電壓損失；二是盡量減少電容中的基波電流；三是由電感、電容構(gòu)成的串聯(lián)共振頻率，要盡可能地遠(yuǎn)離逆變器的低階諧波和接近于切換頻率處的高階諧波。此外，由于LC 濾波器容易發(fā)生振動(dòng)，因此可以采用一種小阻尼電阻器對(duì)其進(jìn)行抑制。

2.3 蓄電池

用不同的控制器來控制太陽能和蓄電池的充電和放電，這些設(shè)備采用SPI 接口進(jìn)行通訊，能夠有效地避免某些線路的破壞和干擾，從而提高系統(tǒng)的反應(yīng)能力。在此系統(tǒng)中，前端采用了升壓結(jié)構(gòu)，以達(dá)到最大功率追蹤和最大功率輸出。后期采用全橋線路，可實(shí)現(xiàn)脫網(wǎng)供電；電池充滿電時(shí)，可向電網(wǎng)傳輸電能，達(dá)到并網(wǎng)的目的；最后，在光照強(qiáng)度不足時(shí)，全橋可對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行整流，在電量不足時(shí)為蓄電池充電。蓄電池充電/放電電路一頭與蓄電池相連，而另一頭則與母線相連，蓄電池充電電路采用了移相全橋結(jié)構(gòu)，使蓄電池的電壓降低到蓄電池的充電電壓，在蓄電池放電的時(shí)候，采用推挽型結(jié)構(gòu)來提升電壓，給母線提供能量。

2.4 主控模塊

系統(tǒng)的主控電路采用了“瑞薩+DSP”的雙重控制模式，瑞薩微單片機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)電池的充電和放電進(jìn)行控制，DSP 芯片則對(duì)光伏儲(chǔ)能電池的最大功耗進(jìn)行跟蹤，并對(duì)直流/交流轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制。主控模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 主控模塊結(jié)構(gòu)

由圖1可知，系統(tǒng)的主要功能是對(duì)來自母線電壓、母線電流、負(fù)載電壓、負(fù)載電流等信息進(jìn)行處理和收集。采樣電路采用精確的電阻分壓，并進(jìn)行運(yùn)算放大器放大，通過采集數(shù)據(jù)來決定電流工作方式，并對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行控制。該主控電路除了對(duì)采集電路、驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行保護(hù)之外，還提供過溫、過電壓、過電流等保護(hù)功能。

3 基于新能源發(fā)展趨勢下的光伏儲(chǔ)能控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 光伏儲(chǔ)能工作模式選擇

光伏儲(chǔ)能控制系統(tǒng)的主要作用是采集變換主電路中的各重要環(huán)節(jié)的電壓、電流，并向DSP、瑞薩等信號(hào)進(jìn)行反饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)主控制回路的控制，達(dá)到相應(yīng)的性能指標(biāo)。對(duì)于光伏儲(chǔ)能工作模式選擇，首先對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括前端最大功率控制模塊的設(shè)計(jì)、全橋并網(wǎng)算法的設(shè)計(jì)以及充放電的軟件設(shè)計(jì)。

在光伏儲(chǔ)能控制系統(tǒng)中，運(yùn)行方式的調(diào)整與轉(zhuǎn)換是整個(gè)系統(tǒng)的核心問題。光伏儲(chǔ)能控制系統(tǒng)的工作模式主要取決于外部連接器的不同，可分為兩個(gè)步驟：第一個(gè)步驟是判斷控制中心有沒有探測到電網(wǎng)。在發(fā)現(xiàn)有電網(wǎng)接入的情況下，系統(tǒng)將進(jìn)入并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，反之則處于脫網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)；第二個(gè)步驟是根據(jù)光伏輸入、電池和電網(wǎng)負(fù)荷的不同，選取工作模式。

3.2 基于新能源發(fā)展趨勢下的光伏儲(chǔ)能控制策略

在正常運(yùn)行時(shí)，由于光伏發(fā)電受有功、電流等因素的影響，使電網(wǎng)中的負(fù)載節(jié)點(diǎn)電壓出現(xiàn)了一定的波動(dòng)，這與電力系統(tǒng)的運(yùn)行要求不一致。另外，在電網(wǎng)出現(xiàn)暫態(tài)接地或投切時(shí)，會(huì)引起短期電壓的驟降，從而影響到使用者的工作與生活，這兩種情況都要求對(duì)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓波動(dòng)和電壓降低進(jìn)行改善。

3.2.1 外環(huán)控制

為了適應(yīng)本地負(fù)載的要求，必須利用光伏儲(chǔ)能裝置的輸出功率，以平衡光伏發(fā)電系統(tǒng)的波動(dòng)和局部負(fù)載之間的差異。在光伏儲(chǔ)能控制過程中，由于電力系統(tǒng)的功率因素控制，局部負(fù)荷也存在著一定的隨機(jī)性和波動(dòng)。無論在何種條件下，只要發(fā)電設(shè)備的有功、無功均能達(dá)到電力均衡，那么所輸出的電力就可以滿足負(fù)荷要求，使系統(tǒng)的電力始終處于均衡狀態(tài)，并使節(jié)點(diǎn)電壓不變。

3.2.2 內(nèi)環(huán)控制

為了適應(yīng)電力系統(tǒng)的局部負(fù)載需求，需要采用光伏儲(chǔ)能控制電池的輸出功率，以達(dá)到平衡系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化的目的。根據(jù)變流器的具體工作模式，產(chǎn)生了開關(guān)器件的脈沖信號(hào)，使變流器的交流側(cè)電流幅值和跟蹤目標(biāo)值，達(dá)到內(nèi)環(huán)控制的要求，即在象限內(nèi)達(dá)到調(diào)節(jié)有功和無功功率的目的。內(nèi)環(huán)控制策略如圖2所示。

圖2 內(nèi)環(huán)控制策略

由圖2可知，光伏儲(chǔ)能控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：一是通過外環(huán)輸入的有功功率、無功功率，通過超導(dǎo)線圈交流側(cè)的電壓幅度、電流值，求出調(diào)制交流側(cè)的相位角；二是通過變頻電源的AC 端電壓相位，生成正弦調(diào)制波形和觸發(fā)型信號(hào)；三是通過正弦調(diào)制和三角波載波信號(hào)，生成已調(diào)制的脈沖，該調(diào)制脈沖信號(hào)是從觸發(fā)模式信號(hào)中確定的。

3.2.3 輸出控制

綜合考慮系統(tǒng)的控制誤差，提出了一種以功率命令為基礎(chǔ)的輸出控制方法。利用常規(guī)的升壓電路對(duì)光伏控制器進(jìn)行功率控制，利用微機(jī)的電壓與電流偵測光電組件，采用電壓干擾來決定最佳的方向，并確定基準(zhǔn)電壓，由此控制最大的光伏儲(chǔ)能控制系統(tǒng)所能消耗的最大電量。當(dāng)蓄能電池接近滿負(fù)荷且光伏發(fā)電功率超過負(fù)載要求時(shí)，對(duì)其輸入進(jìn)行限制，發(fā)現(xiàn)在光伏輸出特性曲線上的指令來確定電壓區(qū)間。然后，減小步長縮小區(qū)間范圍，在有限的反復(fù)迭代后，當(dāng)步長低于一定的閾值時(shí)，就可以確定功率點(diǎn)的位置。

通過各個(gè)光電單元輸出級(jí)的協(xié)同工作，可以實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的功能：一是確保母線電壓在某一特定的范圍內(nèi)，達(dá)到負(fù)荷要求；二是實(shí)現(xiàn)組串間的下垂控制；三是按照指令，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)各PBU 間的出力控制；四是利用載波偏移來降低電感紋波。

并聯(lián)組串下垂控制。在光伏儲(chǔ)能控制系統(tǒng)中，為了達(dá)到對(duì)系統(tǒng)輸出功率的控制，必須采取相應(yīng)的控制策略。在此基礎(chǔ)上，本文提出一種并聯(lián)組串的下垂控制方法，引入了串聯(lián)輸出指數(shù)的概念，并給出了一種具有可控功率分布的下垂控制方案。當(dāng)負(fù)荷增大時(shí)，母線的電壓會(huì)發(fā)生下降，并與虛阻抗呈線性關(guān)系。因此，要保證系統(tǒng)的壓降不超出容許范圍，就必須滿足變流器的最大輸出功率、輸出端電壓下降不超出其容許極限時(shí)的虛阻抗選擇。

組串各個(gè)單元的功率控制。光伏儲(chǔ)能控制器通過調(diào)整各PBU 的工作循環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各PBU 的串行輸出功率的分配。蓄電池的電壓波動(dòng)較小，與頻率控制時(shí)的電壓基本相同。通過對(duì)各信道的工作循環(huán)進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)脈沖寬度的調(diào)制。在上位機(jī)調(diào)度系統(tǒng)中，根據(jù)各個(gè)串口的總能量均衡，產(chǎn)生各個(gè)串口的輸出指令，而在電池組中，各個(gè)PBU 的輸出指令則是針對(duì)電池組的能量均衡而產(chǎn)生的。

該系統(tǒng)根據(jù)輸出電流生成相關(guān)指令，調(diào)整串行的輸出電壓，從而達(dá)到組串間功率的分配。采用雙閉環(huán)實(shí)現(xiàn)組串的電壓控制，將電壓外環(huán)與實(shí)際值相比較，調(diào)整串電壓指令值，從而獲得目前的出力指令。經(jīng)PI調(diào)整，將其與實(shí)測值進(jìn)行對(duì)比，得出了調(diào)制電壓。通過對(duì)各個(gè)分配單元輸出命令的調(diào)整，計(jì)算出各個(gè)信道的工作時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)分配單元的輸出控制。

4 結(jié)語

根據(jù)新能源發(fā)展的需要，本文提出了一種光伏儲(chǔ)能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有模塊式組合、模塊化控制的特點(diǎn)，能夠在任意光照情況下最大限度地發(fā)揮其優(yōu)勢，并對(duì)其工作原理及控制策略進(jìn)行了分析。針對(duì)光伏儲(chǔ)能控制系統(tǒng)的工作特點(diǎn)及輸出特點(diǎn)，建立了光伏儲(chǔ)能控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，并對(duì)其相應(yīng)的控制方式進(jìn)行了詳細(xì)研究。該系統(tǒng)具有較高的充放電效率和較快的響應(yīng)速度，有效地解決了由于外界因素、不能調(diào)整、不能滿足負(fù)載要求等問題。同時(shí)，光伏儲(chǔ)能控制系統(tǒng)能夠有效地降低母線的電壓波動(dòng)，使其在多種干擾條件下能夠正常工作。