电网功率可控型太阳能电池_电网_蓄电池混合供电不间断逆变电源

电网功率可控型太阳能电池 - 电网 - 蓄电池混合供电不间断逆变电源吴凤江 1， 2， 孙秀冬 1， 孙 力 2， 赵 克 2（ 1. 哈尔滨工业大学 物理系 ， 黑龙江 哈尔滨 150001；2. 哈尔滨工业大学 电气工程系 ， 黑龙江 哈尔滨 150001）收稿日期 2010- 07-23 ； 修回日期 2011- 04- 08基金项目 黑龙江省自然科学基金资助项目 （ E200625）Project supported by the Natural Science Foundation of Hei-longjiang Province of China（ E200625）电 力 自 动 化 设 备Electric PowerAutomation EquipmentVol ．31 No.6Jun.2011第 31 卷第 6 期2011 年 6 月摘要 提出一种基于直流母线互联的电网功率可控型太阳能电池 、 电网以及蓄电池混合供电的不间断逆变电源 。 详细分析了该系统的结构组成及工作机理 ， 建立了系统的功率模型 。 进一步提出考虑电网正常 、 异常等多种情况下的具有太阳能最大利用率的电网功率 、 太阳能电池发电功率 、 蓄电池供 ／ 充电功率协调控制策略 。系统具有效率高 、 网侧电流谐波低 、 直流母线电压波动小等优点 。 仿真和实验结果证明了所提出系统及控制策略的正确性和可行性 。关键词 电力系统 ； 不间断电源 ； 混合供电 ； 电网功率可控 ； 太阳能电池 ； 蓄电池中图分类号 TM 91 文献标识码 A 文章编号 1006 － 6047（ 2011） 06 － 0011－ 050 引言不间断电源是一种在主供电电源失电或异常时能够提供持续电能供应的电源 ， 在实时性很强 、 对电能质量要求较高的用电场合具有重要的实用价值 。但早期的技术方案存在耗能高 、 对电网谐波污染大 、断电后持续工作时间有限等问题 ［ 1-3］ 。 随着可再生能源发电技术的发展 ， 将其与传统电能变换技术相结合 ， 在获得系统优良控制性能的同时 ， 还可以起到显著的节能作用 ［ 4- 5］ 。 太阳能发电在各种可再生能源发电技术中因其优良的清洁特性而具有广泛的发展前景 ［ 4-7 ］ 。 而将太阳能发电与不间断逆变电源相结合的混合式发电技术 ， 不仅能够起到节能作用 ， 还能够延长电网失电后的运行时间 ， 成为当前的研究热点 。 现有混合式供电技术主要有 3 种方案 。a. 方案 1 太阳能电池和蓄电池联合供电 ［ 8］ 。b. 方案 2 太阳能电池为蓄电池充电 ， 再由电网和蓄电池共同为负载供电 ［ 9］ 。c. 方案 3 太阳能电池 、 电网和蓄电池通过交流母线连接后共同为负载供电 ［ 10］ 。方案 1 由于受光照 、 环境等因素的影响 ， 电能的持续输出难以保证 ， 只适合于负载恒定 、 功率较小的场合 。 方案 2 能够长期输出稳定电能 ， 但是没有考虑太阳能的最大化利用问题 ， 在蓄电池充满电后 ， 太阳能电池处于开路或弱发电状态 ， 系统总体效率没有达到最优 。 方案 3 能够保证系统的长期运行 ， 但是由于各个发电源基于交流母线并联 ， 需要增加直流 - 交流逆变器以及相应的同步均流算法 ， 系统复杂 ， 成本较高 ， 同时由于输出电压相角 、 幅值等误差产生的环流使系统效率降低 ， 可靠性下降 。本文将 PWM 整流技术以及太阳能发电技术用于不间断电源 ， 采用共用直流母线实现能量耦合 ， 无需复杂的同步均流并联技术 ； 通过对网侧电能 、 光伏电能以及蓄电池的电能进行协调控制 ， 在实现不间断电源的长期持续运行的同时还可以将多余电能回馈到电网 ， 以达到充分利用太阳能 、 提高系统运行效率的目的 。 网侧输入端采用 PWM 控制技术还可以实现网侧输入电流正弦化运行 ［ 11］ ， 最大限度地降低对电网的谐波污染 。1 逆变电源系统结构及电能协调控制策略所提出的电网功率可控型太阳能电池 - 电网 - 蓄电池混合供电不间断逆变电源的系统结构如图 1 所示 ， 各个模块通过直流母线连接进行电能的传递 。 输入侧的 PWM 整流器用于控制电网功率 、 输入电流波形以及网侧功率因数 ； 升压电路用于控制太阳能电池的输出功率并具有最大功率跟踪功能 ； 储能电容用于缓冲直流母线的电能 ； 充放电控制模块用于蓄电池的充放电控制 ； 能量管理模块用于整个系统的电能协调管理与控制 。图 1 所提出的不间断逆变电源结构原理图Fig ．1 Schematic diagram of UPS太阳能电池板 升压电路储能电容蓄电池PWM整流器直流 - 交流逆变电器接负载能量管 理模块充放电控制电路交流电网电压输入第 31 卷电 力 自 动 化 设 备电能协调控制策略的流程图如图 2 所示 。 下面对电网正常和电网异常 2 种情况进行分析 。1.1 电网正常电网正常时的稳态功率模型为Ppv Pgrid Pbt Pload （ 1）其中 ， Ppv 为太阳能电池输出功率 ； Pgrid 为电网输出功率 ， 当电网提供电能时大于零 ， 回馈电能时小于零 ；Pbt 为蓄电池输出电能 ， 处于充电模式时大于零 ， 处于放电模式时小于零 ； Pload 为负载消耗的功率 。电网正常时的控制原则是 ， 太阳能电池处于最大功率输出模式 ， PWM 整流器工作于直流电压恒定控制模式 ， 若蓄电池电压低于充电允许值 ， 则充放电控制电路工作于充电模式 ， 充电完成后 ， 停止工作 ， 不输出电能 。下面分析电能流动过程 。光线不足时 ， 即 Ppv 0， 此时电网向系统提供电能 ， 由于 PWM 整流器工作于直流电压恒定控制模式 ， 其输入电流与输入功率成正比 ［ 9］ 。光线充足或轻载运行时 ， 即 Ppv Pbt Pload， 则有Pgrid Pload， 同样由式（ 2） 可知 ， Pbt 0， 即允许对蓄电池进行充电 ， 若蓄电池未充满 ， 则太阳能电池仍然工作于最大功率输出模式 ， 充放电控制电路在对蓄电池进行充电的同时 ， 保持直流母线电压恒定 。 若蓄电池已充满 ， 则充放电控制电路停止工作 ， Pbt 0， 多余电能将存储在储能电容中 ， 此时的动态功率模型为12 CSE［ u2DC（ t） - U2DC］ 乙 （ Ppv- Pload） dt （ 3）其 中 ， CSE 为 储 能 电 容 值 ； UDC 为 直 流 电 压 正 常 工 作值 ； uDC（ t） 为直流电压瞬时值 。由式 （ 3） 可知 ， 直流电压 uDC（ t） 将上升 ， 设定略高于直流电压正常工作值的直流电压限定值 ， 若直流电压达到直流电压限定值 ， 升压电路工作于直流电压限压控制模式 ， 此时太阳能电池的实际输出功率 Ppv1 为Ppv1 Pload （ 4）Ppv1 将小于最大输出功率 。 通过这种方式 ， 可以解决在蓄电池和太阳能电池共同为负载供电时的电能耦合以及蓄电池的投入与退出的控制问题 。2 各模块的控制策略根据上述电能协调控制策略对各个模块的功能要求 ， 各个模块采用了下述相应的控制策略 。 PWM整流器的结构原理图如图 3 所示 。 采用直流电压外环 、 输入电流内环的双闭环控制结构 ［ 12］ 。输入电流内环采用电流前馈解耦电压定向矢量控制 VOC（ Voltage Oriented Control） 策略 ， 控制器的表达式为U*d - KdP KdIs乙 乙 （ i*d- i d） ud ω Lrei qU*q- K qP K qIs乙 乙 （ i*q - i q） uq- ω Lrei乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙d（ 5）其中 ， K dP、 KdI、 KqP、 K qI 分别为 d、 q 轴电流调节器比例 、积分系数 ； U*d、 U*q 为逆变电压 d、 q 轴分量给定值 ； i*d、id、 i *q、 i q为网侧电流 d、 q 轴分量的给定值与实际值 ； ω为电网角频率 。 这样 d、 q 轴电流可以实现解耦独立控制 。直流电压外环用于直流母线电压恒定控制 ， 采用 PI 调节方式 ， 调节器输出作为 q 轴电流给定 ， d 轴图 3 PWM 整流器的 VOC 系统原理图Fig ．3 Schematic diagram of VOC system of PWM rectifiera- b - c α - β SVPWMd - qα - βK- Pα - βuα uβi α iβsin θ ecosθ ed - qα - βsin θ ecos θ eU*α U*β电流前馈解耦控制算法U*d U*qU*DC-PIi*qi *d 0idiqua ub uc ia ib i cL re储能电容图 2 电能协调控制策略流程图Fig ．2 Flowchart of coordinated control strategy启动PWM 整流器工作于直流电压闭环控制模式 ， 升压电路工作于最大功率输出控制模式直流电压达到上限值 充放电控制电路停止 输 出 ， 升 压 电 路工 作 于 恒 压 模 式充放电控制电路工作于直流电压闭环控制模式 ， 升压电路工作于最大功率输出模式蓄电池充电启动直流 - 交流逆变模块YNY停机报警YYNNN蓄电池电量不足 蓄电池电压低于保护值 电网正常 吴凤江 ， 等 电网功率可控型太阳能电池 - 电网 - 蓄电池混合供电不间断逆变电源第 6 期电流给定为零 ， 以实现单位功率因数运行 。 在电网输出电能时 ， q 轴电流为正值 ， 而向电网馈入电能时 ， q轴电流为负值 ， 这样在保持直流电压恒定的同时 ， 能够实现电能的自动双向流动 。升压电路原理图如图 4 所示 ， 包括采用电导增量法的最大功率点跟踪 MPPT（ Maximum Power PointTracking） 控制 ［ 13］ 和采用 PI 调节器的直流电压限压控制 2 种模式 ， 直流电压限定值略大于直流电压正常工作值 ， 用于在电网异常且太阳能电池发电功率大于负载功率时保持直流电压稳定 ， 以保证系统可靠运行 。 本文采用 2 路控制器的占空比加和的方式来获得最终的占空比 ， 在直流电压低于限定值时 ， 直流电压环输出值为零 ， 功率器件的占空比等于最大功率点跟踪控制环的输出 ， 在直流电压达到限定值时 ， 占空比的值为 2 个控制环的和 dsum， 由于直流电压控制环的输出占空比值为负值 ， 因此直流电压瞬时变化越高 ， 则 dsum 越小 ， 进而可以实现太阳能电池输出功率的控制 。 该方案与传统设置滞环控制器的方法 ［ 6］ 相比 ， 可以实现 2 种模式的柔性切换 ， 并减小直流电压的波动 。充放电控制电路原理图如图 5 所示 ， 采用双向变换器结构 ， 有升压和降压 2 种工作模式 ， 降压模式用于实现蓄电池的充电控制 ， 采用先恒流后恒压的控制方式 ［ 14］ 。 升压模式用于对蓄电池输出功率进行控制 ，通过采用直流电压恒定控制来实现 。 根据当前直流电压值 、 电网是否正常和蓄电池的电压来决定充放电控制电路的工作模式 。直流 - 交流逆变电路采用三相结构 ， 采用输出电压外环 、 电感电流内环的双闭环电压定向矢量控制策略 ， 以产生对称的三相输出交流电压 ［ 15］ 。能量管理模块接收 PWM 整流器传送的电网状态信号 ， 以及升压电路 、 充放电控制电路和输出侧的直流 - 交流逆变电路的状态 ， 并采用图 2 的协调控制策略 ， 向各个模块发出相应的控制命令 。3 系统性能仿真根据所提出的逆变电源系统及电能协调控制策略 ， 采用 PSIM 仿真软件根据图 1 搭建了仿真模型 ,对其性能进行仿真 。 仿真参数为 系统额定功率 10 kW，电网输入电压为三相 380 V， 直流电压正常工作值600 V， 限定值 620 V， 输出电压为三相 380 V， 频率 50Hz。 为分析方便 ， 系统带动三相额定对称电阻负载 。下面首先分析电网正常时的系统工作情况 。 在初始时刻 ， 太阳能电池输出功率为零 ， 此时完全由电网提供电能 ； 在 0.25 s 将太阳能电池最大可输出功率变为 5 kW ， 此时由电网和太阳能电池共同为负载供电 ； 在 0.3s 将太阳能电池最大可输出功率变为 10 kW ，此时由太阳能电池单独为负载供电 ； 在 0.35 s 将太阳能电池最大可输出功率变为 15 kW ， 此时太阳能电池的发电电能一部分向负载供电 ， 另一部分回馈到 电网 。 仿真结果如图 6 所示 ， 由图可见 ， 网侧输入电流为正弦波形 ， 谐波含量较低 ， 其幅值随着供电功率的变化而变化 ， 各个模块的输出功率随着太阳能电池的变化而变化 ， 在 0.35 s 之后 ， 网侧电流相位与电网电压相位相反 ， 电能回馈到电网 。 在整个变化过程中 ，直流电压处于给定值 ， 其误差小于 0.25 。 在整个过程中 ， 输出电压 、 电流为正弦波形 ， 幅值保持恒定 。下面分析蓄电池和太阳能电池共同为负载供电时的控制性能 ， 以模拟电网异常的情况 。 直流电压正常工作给定值为 600 V， 限定值给定为 620 V。 在初始时刻太阳能电池不输出电能 ， 负载由蓄电池单独供电 ； 在 0.25 s 将太阳能电池最大可输出功率变为5 kW ， 此时由蓄电池和太阳能电池共同为负载供电 ；在 0.3 s 将太阳能电池最大可输出功率变为 10 kW ，此时由太阳能电池单独为负载供电 ； 在 0.35 s 将太阳能电池最大可输出功率变为 15 kW ， 此时升压电路工作于限压控制模式 ， 太阳能电池发出一部分电能 。 仿真结果如图 7 所示 ， 由图可见 ， 各个模块很好地跟随功率的变化 ， 直流电压保持平稳 ， 在 0.35 s 之后 ， 升压电路工作于限压模式 ， 直流电压维持在限定值 。4 实验验证搭建了小功率实验平台 ， 参数如下 三相交流输入相电压 50 V， 直流母线电压 150 V， 三相输出相电压 48 V， 频率 50 Hz。 带动三相对称阻性负载 ， 阻值为 15 Ω ， 太阳能电池采用可调直流电压源串联电阻的方式模拟 。 图 8 为电网和太阳能电池共同供电时的稳态实验波形 ， 由图可知 ， 输入电流为正弦波形 ，输出电压幅值恒定 ， 具有较好的正弦性 。图 5 充放电控制电路原理图Fig ．5 Schematicdiagram of charge／ dischargecontrol circuit蓄电池滤波器V TB2电压检测电流检测充电控制算法限幅器PIPWM 信号产生及驱动U*DCuDC -储能电容模式切换V TB1V TB2 VTB1 直流电压检测图 4 升压电路原理图Fig ．4 Schematicdiagram of Boost circuit太阳能电池滤波器VT1电压检测电流检测MPPT 算法PIu*pv-upv限幅器 1 限幅器 2PI直流电压检测PWM 信号产生及驱动dsumd1 d2 U*DCLuDC -储能电容V D1图 8 稳态实验波形Fig ．8 Static experimental waveformsi a2A／divt 5 ms／ div（ a） 网侧输入电压 、 电流波形ua50V／div uai ai A5A／divt 20 ms／ div（ b） 输出电压 、 电流波形uA50V／divuAi A图 9 给出了突变太阳能电池输出功率时的直流电压和网侧输入电流波形 ， 由图可知 ， 在太阳能电池功率突增时 ， 直流电压上升 ， 网侧电流下降 ， 电网输出功率下降 ； 太阳能电池功率突减时 ， 直流电压下降 ，网侧电流上升 ， 电网输出功率上升 。 2 种情况下均最终使直流电压保持平稳 。5 结论所提出的不间断电源及其电能协调控制策略在实现最大利用太阳能的同时 ， 输出电压控制性能较好 ， 网侧输入电流正弦性好 ， 系统以单位功率因数运行 ， 在光线充足时 ， 能够使系统长期稳定运行 ， 使系统具有节能 、 低谐波污染 、 高功率因数 、 可实现长期不间断运行等优良特性 ， 进而扩展了系统的控制性能 ， 进一步提高了可再生能源的利用效率 。参考文献 ［ 1 ］ 王林兵 ， 何湘宁 . 三相不间断电源的新进展 ［ J］ . 电源技术应用 ，2005， 8（ 11 ） 59-64.WANG Linbing ， HE Xiangning. 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Direct repetitive control20151050-5P／kW0.20 0.25 0.30 0.35 0.40t ／ s（ a） 各模块输出功率PpvrPbtPpv1Pload图 7 电网失电时系统仿真波形Fig ．7 Simulative waveformsduring grid blackout625610595UDC／V0.20 0.25 0.30 0.35 0.40t ／ s（ b） 直流母线电压图 6 电网正常时系统仿真波形Fig ．6 Simulative waveformswhen grid is normal4000- 400uA，B，C／V，i A，B，C／A0.20 0.25 0.30 0.35 0.40t ／ s（ a） 三相输出电压 、 电流 （ 电流放大 5 倍 ）uC uB uAi A i C i B4000- 400uGA，GB，GC／V，i GA，GB，GC／A0.20 0.25 0.30 0.35 0.40t ／ s（ b） 三相输出电网电压 、 电流 （ 电流放大 5 倍 ）uGA uGB uGCi GC iGA i GB20100-10P／kW0.20 0.25 0.30 0.35 0.40t ／ s（ c） 各模块输出功率 （ Ppvr 为太阳能电池最大可输出功率 ）PpvrPgridPpv1Pload601.5600.0598.5UDC／V0.20 0.25 0.30 0.35 0.40t ／ s（ d） 直流母线电压电 力 自 动 化 设 备 第 31 卷i a2A／divt 50 ms ／ div（ a） 突增太阳能电池发电功率uDC100V／divuDCia图 9 直流电压 、 网侧输入电流暂态实验波形Fig ．9 Dynamic experimental waveformsof DClink voltagesand grid-side input currentsi a2A／divt 50 ms ／ div（ b） 突减太阳能电池发电功率uDC100V／div iauDCGrid -power-controllable UPS powered by photovoltaic cell， grid and batteryWU Fengjiang1， 2， SUN Xiudong1， SUN Li 2， ZHAO Ke2（ 1. Department of Physics， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China；（ 2. Department of Electrical Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China）Abstract A DC-link -based grid-power-controllable UPS system is proposed， which is powered by photovoltaiccell ， grid and battery. Its structure and principle are presented and its power model is derived. Thecoordinated control strategy is proposed to achieve the maximum utilization of solar energy under both normaland abnormal conditions of power grid. The system has high efficiency， low grid-side current harmonics andsmall DC voltage fluctuation. Its validity and feasibility is proved by the simulative and experimental results.Key words electric power systems； uninterrupted power source； hybrid -powered； grid power controllable ；photovoltaic cells； batteryof SPWM inverter for UPS purpose［ J］ . 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