光蓄互補發(fā)電系統技術(shù)的研究

摘要：通過(guò)研究由太陽(yáng)能電池板、蓄電池、變流器和開(kāi)關(guān)電器組成的光伏發(fā)電系統，并根據太陽(yáng)能電池板和蓄電池特性，以及現場(chǎng)實(shí)際情況和系統穩定運行要求，在太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制技術(shù)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(wǎng)兩種工作模式的控制策略進(jìn)行了深入研究，設計出額定功率為50 kW的光蓄互補發(fā)電系統用變流器和光蓄互補實(shí)驗平臺。利用該實(shí)驗平臺進(jìn)行MPPT實(shí)驗、蓄電池充放電和離、并網(wǎng)實(shí)驗。實(shí)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(guān)鍵詞：變流器；最大功率點(diǎn)跟蹤；光伏蓄電池

1 引言
由于電力系統的發(fā)展和控制技術(shù)不斷成熟，太陽(yáng)能供電技術(shù)成為了研究熱點(diǎn)。隨著(zhù)智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)概念的提出，光蓄互補發(fā)電系統能否安全穩定地并入電網(wǎng)供電和離網(wǎng)獨立供電成為基本技術(shù)要求。這里對光蓄互補發(fā)電系統進(jìn)行深入研究，并設計了光蓄互補發(fā)電系統用變流器，搭建了實(shí)驗平臺針對相關(guān)運行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)驗。

2 光蓄互補發(fā)電系統應用技術(shù)
2．1 太陽(yáng)能電池板MPPT控制
光伏陣列的功率輸出特性為非線(xiàn)性，其輸出電壓電流由負載情況決定，太陽(yáng)能電池板總會(huì )在某個(gè)輸出電壓點(diǎn)上提供最大功率，該點(diǎn)即為最大功率點(diǎn)(MPP)。為提高整個(gè)系統效率，必須充分利用太陽(yáng)能組件的功率輸出能力，因此需對太陽(yáng)能電池板進(jìn)行MPPT，通過(guò)實(shí)時(shí)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(dòng)觀(guān)測法，該方法的思想是給太陽(yáng)能電池板輸出電壓值上加一個(gè)擾動(dòng)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(shí)的功率比較，若輸出功率增加，則表示擾動(dòng)方向正確，繼續朝同一方向增加△U，若擾動(dòng)后功率值減小，則往反方向擾動(dòng)。該方法需測量的電量少，實(shí)現起來(lái)比較容易，只要進(jìn)行簡(jiǎn)單的運算和比較即可，MPPT效果也較好。此處，系統太陽(yáng)能電池板的MPPT由Boost電路實(shí)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(dòng)時(shí)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(dòng)觀(guān)測法調節后計算占空比并給定PWM脈沖信號，經(jīng)驅動(dòng)電路后控制開(kāi)關(guān)管導通與關(guān)斷。

2．2 蓄電池充放電控制
在光伏發(fā)電系統中，蓄電池對系統產(chǎn)生的電能起著(zhù)儲存和調節作用，在離網(wǎng)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(guò)程中，系統中每一個(gè)串聯(lián)電池模塊電壓均在管理系統監控下，當電壓超過(guò)設定電壓范圍時(shí)，將向光蓄互補發(fā)電系統發(fā)出報警，必要時(shí)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(guò)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(shù)的實(shí)現是結合蓄電池管理系統共同完成的，要求系統能在并網(wǎng)時(shí)，與電網(wǎng)共同給負載供電，在電網(wǎng)發(fā)生事故或開(kāi)關(guān)發(fā)生故障時(shí)，能離網(wǎng)獨立運行。在獨立離網(wǎng)運行時(shí)，該設計中太陽(yáng)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(shí)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(jìn)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(wǎng)狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)后判斷太陽(yáng)能電池板是否啟動(dòng)，當太陽(yáng)能電池板達到系統設定電壓后，通過(guò)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(shí)停止充電；在太陽(yáng)能電池板小于停止電壓并停止輸出功率時(shí)，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(shí)停止放電，若蓄電池SOC小于SOC后備值，此時(shí)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(wǎng)充放電控制框圖如圖2所示。