光蓄互補發電系統技術的研究

摘要：通過研究由太陽能電池板、蓄電池、變流器和開關電器組成的光伏發電系統，并根據太陽能電池板和蓄電池特性，以及現場實際情況和系統穩定運行要求，在太陽能電池最大功率點跟蹤(MPPT)控制技術和蓄電池充放電控制等方面提出了獨特的設計方案。對蓄電池電能并、離網兩種工作模式的控制策略進行了深入研究，設計出額定功率為50 kW的光蓄互補發電系統用變流器和光蓄互補實驗平臺。利用該實驗平臺進行MPPT實驗、蓄電池充放電和離、并網實驗。實驗結果驗證了提出的硬件設計和控制策略的正確性和有效性。
關鍵詞：變流器；最大功率點跟蹤；光伏蓄電池

1 引言
由于電力系統的發展和控制技術不斷成熟，太陽能供電技術成為了研究熱點。隨著智能電網和微電網概念的提出，光蓄互補發電系統能否安全穩定地并入電網供電和離網獨立供電成為基本技術要求。這里對光蓄互補發電系統進行深入研究，并設計了光蓄互補發電系統用變流器，搭建了實驗平臺針對相關運行狀態進行實驗。

2 光蓄互補發電系統應用技術
2．1 太陽能電池板MPPT控制
光伏陣列的功率輸出特性為非線性，其輸出電壓電流由負載情況決定，太陽能電池板總會在某個輸出電壓點上提供最大功率，該點即為最大功率點(MPP)。為提高整個系統效率，必須充分利用太陽能組件的功率輸出能力，因此需對太陽能電池板進行MPPT，通過實時跟蹤光伏陣列MPP，使光伏陣列始終工作在MPP附近，從而提高系統效率。所研究系統MPPT采用擾動觀測法，該方法的思想是給太陽能電池板輸出電壓值上加一個擾動量△U，在新建立的電壓U+△U下測量光伏電池板輸出電壓與電流，計算對應功率，與輸出電壓為U時的功率比較，若輸出功率增加，則表示擾動方向正確，繼續朝同一方向增加△U，若擾動后功率值減小，則往反方向擾動。該方法需測量的電量少，實現起來比較容易，只要進行簡單的運算和比較即可，MPPT效果也較好。此處，系統太陽能電池板的MPPT由Boost電路實現，控制系統采用恒頻變占空比控制策略，△U=5 V，單次電壓擾動時間200μs，控制框圖如圖1所示。光伏陣列輸出電壓、電感電流分別為Ui，Ii，作為MPPT控制算法的輸入量，由MPPT控制器按照擾動觀測法調節后計算占空比并給定PWM脈沖信號，經驅動電路后控制開關管導通與關斷。

2．2 蓄電池充放電控制
在光伏發電系統中，蓄電池對系統產生的電能起著儲存和調節作用，在離網工作模式下，蓄電池作為重要供電電源，其可靠性直接影響負載的運行。在此采用鋰離子蓄電池組作為儲能裝置設計的蓄電池管理系統，具有電壓、電流、溫度檢測及保護功能，在充放電過程中，系統中每一個串聯電池模塊電壓均在管理系統監控下，當電壓超過設定電壓范圍時，將向光蓄互補發電系統發出報警，必要時切斷主接觸器，此外管理系統具備剩余電量(SOC)計算等功能，最終通過CAN通訊給系統總控提供電池的監控信息，從而完成鋰電池的充放電及保護。
蓄電池充放電控制技術的實現是結合蓄電池管理系統共同完成的，要求系統能在并網時，與電網共同給負載供電，在電網發生事故或開關發生故障時，能離網獨立運行。在獨立離網運行時，該設計中太陽能電池板和蓄電池組成的供電系統能安全、穩定地給負載供電。充放電由雙向DC／DC電路實現，蓄電池管理系統給系統控制核心提供必要數據，主要有蓄電池組SOC，電池組串總電流、單體電池電壓、溫度等信息，系統控制核心以電池管理系統提供的數據作為依據對電池充放電進行控制，系統將蓄電池SOC分為上限SOC，后備SOC及下限SOC 3種，作為蓄電池在系統不同工作模式下充放電的依據。
系統工作在并網狀態時，啟動后判斷太陽能電池板是否啟動，當太陽能電池板達到系統設定電壓后，通過管理系統提供的SOC數據判斷蓄電池SOC是否達到SOC上限值，若未達到，則控制雙向DC／DC電路給蓄電池充電，充電至所設定的SOC上限值時停止充電；在太陽能電池板小于停止電壓并停止輸出功率時，判斷蓄電池SOC是否大于SOC后備值，若大于SOC后備值，則控制雙向DC／DC電路工作在蓄電池放電工況，直至放電至所設定的SOC后備值時停止放電，若蓄電池SOC小于SOC后備值，此時蓄電池充電，系統控制蓄電池充電電流為0．3 C，放電電流為0．4 C。并網充放電控制框圖如圖2所示。