独立光伏发电系统能量管理控制策略

第 29 卷 第 21 期 中 国 电 机 工 程 学 报 V ol.29 No.21 Jul. 25, 2009 46 2009 年 7 月 25 日 Proceedings of the CSEE ?2009 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号： 0258-8013 (2009) 21-0046-07 中图分类号： TK 514 文献标志码： A 学科分类号： 470?40 独立光伏发电系统能量管理控制策略廖志凌 1，阮新波 2(1．江苏大学电气信息工程学院，江苏省 镇江市 212013 ；2．南京航空航天大学自动化学院，江苏省 南京市 210016) Energy Management Control Strategy for Stand-alone Photovoltaic Power System LIAO Zhi-ling 1, RUAN Xin-bo 2(1. College of Electronic and Information Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu Province, China; 2. College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics battery; photovoltaic power system; energy management 摘要： 随着能源危机和环境污染问题日益严重， 太阳能光伏发电正成为世界关注的热点。 提出一种新的太阳能独立光伏发电系统能量管理控制策略。系统由太阳能电池、蓄电池、单向 DC-DC 变换器和双向 DC-DC 变换器组成，太阳能电池提供负载稳定工作时所需要的能量， 多余或不足的能量由蓄电池来动态调节。 系统能量管理的核心是根据太阳能电池基金项目： 国家自然科学基金重点项目 (50837003)； 国家自然科学基金青年科学基金项目 (50807024)；江苏省“六大人才高峰”项目计划(07-E-022)；教育部新世纪优秀人才支持计划项目；江苏大学高级专业人才科研启动基金项目 (09JDG010)。Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50837003, 50807024)．和蓄电池的工作状态， 控制单向变换器和双向变换器工作在合适的模式， 从而使太阳能电池和蓄电池协调工作， 确保供电系统高效稳定运行以及快速的动态响应。 通过原理样机验证了所提的系统能量管理控制策略的有效性。关键词： 太阳 能电池；蓄电 池；光伏 发电 系统；能量管理0 引言随着化石能源迅速消耗，以及由此带来的能源危机与环境污染日益加剧，近年来世界各国都在积极寻找和开发新的、清洁的可再生能源。太阳能具有取之不尽、用之不竭等优点，是理想的可再生能源。太阳能光伏发电能缓解能源危机和减少环境污染， 并具有广阔的应用前景 [1-7] 。 太阳能光伏发电系统按是否与公共电网相联接，分为独立运行和并网运行 2 种方式。独立运行的光伏发电系统是目前太阳能光伏发电应用的非常重要的一种方式，其应用非常广泛，可以解决偏远山区和无电网地区的供电问题。由于太阳能电池的输出功率受太阳光强和环境温度的影响变化很大，而且不能储存能量，因此独立运行的光伏发电系统必须配备贮能蓄电池来储存和调节电能 [8-12] 。在传统的独立光伏发电系统中，蓄电池直接与直流母线相连接，其充放电电流不能得到有效的控制，当负载突变时，可能导致蓄电池的充放电电流过大，损坏蓄电池；因此有必要在系统直流母线和蓄电池之间插入一个 DC-DC 变换器以控制蓄电池的充放电 [13-15]。图 1 为本文所构建的一种采用太阳能作为一次能源、蓄电池作为储能单元的太阳能独立光伏发电第 21 期 廖志凌等： 独立光伏发电系统能量管理控制策略 47 系统，由太阳能电池、蓄电池、单向 DC-DC 变换器和双向 DC-DC 变换器组成， 系统具有以下特点：1）系统结构较简单，蓄电池充放电共用一个双向变换器来实现，可减轻系统的重量，同时通过双向变换器还可以控制蓄电池充放电电流，保护蓄电池不受损坏； 2）由于蓄电池的引入，系统过载所需的能量可由蓄电池放电来提供，太阳能电池的功率等级只需按照系统额定功率进行配置，从而降低系统费用； 3）根据系统的不同工作状态，通过选择 2 个变换器的工作模式，有效实现系统能量流动管理 [16] 。+-UPV IPV Q3 C1 C2 D3 L2 i L2 CDAB+-UBus Io RL+-Uo直流母线 100 VDC150~350 VDC 太阳能电池+-UBat 蓄电池48 V/100 A ?h iBat i L1 L1 CL D2Q2 Q1 D1 单向 DC-DC 变换器双向 DC-DC 变换器CH 图 1 太阳能独立光伏发电系统框图Fig. 1 Proposed stand-alone photovoltaic system针对系统中有太阳能电池和蓄电池 2 个能量提供装置的特点，本文提出一种能量管理控制策略，其核心是根据太阳能电池和蓄电池的工作状态，控制单向变换器和双向变换器分别工作在合适的模式， 使得蓄电池和太阳能电池这 2 种电源协调工作，保证供电系统的正常运行。实验结果验证了所提出的系统能量管理控制策略的有效性。1 系统的工作模式与能量流动方式图 1 中， 单向 DC-DC 变换器选用 Buck 变换器，它把太阳能电池组件的宽范围直流输出电压 (本实验系统为 150~350 VDC) 转换为稳定的直流母线电压 (100 VDC) ； 双向 DC-DC 变换器选用 Buck/Boost双向变换器。该系统可以通过 DC-AC 逆变器接交流负载，也可通过 DC-DC 变换器接直流负载；如果直流母线电压与负载所需要的电压相匹配，则可以直接外接直流负载。为简化分析，本系统选择直流母线直接外接直流电阻负载。通过对太阳能电池电压 (UPV)、 蓄电池电压 (U Bat)和蓄电池充放电电流 (IBat)的检测，可以将系统的工作情况划分为 5 种工作模式， 如表 1 所示。 表 1 中，UPV > U PV_min 和 UPV ≤ U PV_min 分别表示太阳能电池有能量输出和没有能量输出的情况，本系统设置UPV_min = 150V； IBat > 0 和 IBat UPV_min蓄电池电压IBat Po， 那么多余的能量通过双向变换器给蓄电池充电 (I Bat >0)。由于双向变换器的功率开关管互补导通，能量可以双向流动，即蓄电池可以在放电与充电状态之间自然切换，两者的区别仅是蓄电池能量流动方向相反。工作模式 II ：在工作模式 I 中，在蓄电池充电电压达到过充电压 (56 V) ，或者充电电流达到最大允许充电电流 (10 A)时， 双向变换器应从 Boost 模式改变为 Buck 模式，控制双向变换器低压侧的电压和电感电流给蓄电池充电；此时，单向变换器也需从 MPPT 模式改变为恒压模式， 控制变换器的输出电压给直流母线提供稳定电压，如图 2(b)所示。工作模式 III ： 如果在晚上或者阴雨天 (UPV_min ≤150 V)， 太阳能电池阵列无能量输出， 即 Ppv = 0 时，单向变换器不工作，而双向变换器工作在 Boost 模式，控制双向变换器高压侧电压和反向电感电流，单独提供能量给负载，如图 2(c)所示。工作模式 IV ：在工作模式 III 中，如果遇到连续阴雨天的时间过长，由于蓄电池连续给负载供电，可能会处于过放状态；那么当蓄电池放电电压达到其过放电压 (44 V) 时，为了保护蓄电池，双向变换器不能继续工作，必须处于关断模式，也即整个系统停止工作，如图 2(d)所示。工作模式 V ：在工作模式 I 的蓄电池放电过程中，一旦在某个时候意外遇到一段长时间的太阳光强连续较弱的天气，蓄电池连续放电达到过放电压而不能继续放电；此时又由于太阳光强较弱，太阳能电池没有足够的能量提供给负载。因此，只能暂时让负载不工作，而将太阳能电池可发出的少量电用于蓄电池充电。 此时与工作模式 II 类似， 唯一不同的是此时负载切出不工作，如图 2(e)所示。2 系统控制电路的实现2.1 系统控制电路框图由以上分析可知，为了实现系统能量管理，有效控制蓄电池充放电过程，根据系统不同的工作状态，系统中 2 个变换器分别对应有 3 种工作模式：单向变换器可以工作在 MPPT 模式、 恒压模式或者关机 (shut-down ， SD)模式； 双向变换器可以工作在Boost 模式、 Buck 模式或 SD 模式。这可通过系统能量管理控制电路实现。图 3 为整个系统控制电路框图，包括双向变换器的控制电路、单向变换器的控制电路和系统能量管理控制电路 3 部分。2.2 双向 DC-DC 变换器的控制电路双向变换器可以在 Boost、 Buck 或关机模式等3 种工作状态之间自由切换，而这受控于能量管理控制电路产生的选通信号和双向变换器的关断信号。要实现该变换器双向供电，功率管 Q1 和 Q2 需要互补导通；同时需要对双向变换器两端的电压以及电感电流进行控制，使其可以自由地在 2 个方向分别实现稳压或限流工作。因此本文提出了一种新第 21 期 廖志凌等： 独立光伏发电系统能量管理控制策略 49 的双向选通控制电路，如图 3 所示。 要实现双向变换器在 2 个方向分别稳压或限流Buck 工作模式稳压限流PI 调节器 PWM 控制器 1UBatIBatBoost 工作模式稳压限流PI 调节器 PWM 控制器 2- IBatUBat- 1 双向变换器控制电路恒压工作模式稳压限流PI 调节器 PWM 控制器 3UBusMPPT 工作模式太阳能电池MPPT 调节器 PWM 控制器 4UPVIPV单向变换器控制电路PWM1PWM2PWM3PWM4AXBXAYBYCXCYAoBoCoEN模拟选通开关UEUAXUAoUBo UBXUCo UCX0 1真值表Q1-drv Q2-drv Q3-drv 双向变换器驱动电路单向变换器驱动电路系统能量管理控制电路UBi_SD UBuck_SD UEIBatU BatUPV11UAYUBYUCY图 3 系统控制电路框图Fig. 3 Block diagram of system control circuit工作，需要检测变换器两端电压 U Bus、 UBat 以及蓄电池电流 IBat。 Buck 模式的受控电压和电流分别为蓄电池电压 U Bat 和充电电流 IBat， Boost 模式的受控电压和电流分别为母线电压 U Bus 和蓄电池放电电流 (- IBat)。 Buck 模式得到 PWM1 及其互补信号，Boost 模式得到 PWM2 及其互补信号，然后通过模拟选通开关，由来自系统能量管理控制电路的选通信号 U E 选 择相应的脉冲宽度调制 (pulse width modulation ， PWM) 控制信号 (PWM1 或 PWM2) 。 模拟选通开关的真值表如图 3 所示。当 UE = 0 时，模拟选通开关选通 PWM1 及其互补信号，双向变换器工作在 Buck 模式，此时 Q1为主控管， Q2 为被控管，双向变换器通过调节 Q1的占空比来调节输出；当 UE = 1 时，选通 PWM2及其互补信号，双向变换器工作在 Boost 模式，此时 Q2 为主控管， Q1 为被控管，双向变换器通过调节 Q2 的占空比来调节输出。被控管与主控管互补导通，即工作在同步整流状态。实际电路是采用 2个 PWM 控制器 SG3525 构成具体的控制电路。Buck 工作模式与 Boost 工作模式下双向变换器小信号模型不同，对应的 PI 调节器需要不同的控制参数， 因此， 本控制方案分别利用 2 套独立的电压调节器和电流调节器来实现 2 个不同方向的稳压或限流控制， 有利于控制电路设计和控制参数调节。2.3 单向 DC-DC 变换器的控制电路单向 DC-DC 变换器的两端分别连接高压端太阳能电池和低压端直流母线，其选通控制电路如图 3 所示，图中， U PV 和 U Bus 分别代表太阳能电池电压和直流母线电压， IPV 为太阳能电池输出电流。根据系统不同的工作状态，单向变换器的控制电路要确保其可以自由地在 MPPT 工作模式、 恒压工作模式或关机模式 3 种状态之间自由切换，而这同样受控于能量管理控制电路所产生的选通信号 U E 和单向变换器的关断信号 UBuck_SD 。当来自系统能量管理控制电路的选通信号为低电平，即 UE = 0 时，模拟选通开关选通 PWM3信号，单向变换器工作在恒压工作模式，给直流母线提供稳定电压；当 U E = 1 时，模拟选通开关选通PWM4 信号，单向变换器工作在 MPPT 工作模式，使太阳能电池输出最大功率。最终得到加于开关管Q3 的驱动信号 Q3-drv 。2.4 系统能量管理控制电路根据表 1 中的系统 5 种工作模式，可以得出一种系统能量管理控制电路，其功能如图 3 中的下方框图所示， 其具体电路如图 4 所示， 图中 I Bat 和 UBat分别是蓄电池的电流和电压， U PV 是太阳能电池的电压， UE 是单向变换器和双向变换器工作模式选通信号， UBuck_SD 和 UBi_SD 分别为单向变换器和双向变换器的关断信号 (设置高电平有效 )。50 中 国 电 机 工 程 学 报 第 29 卷IBat UBat UPV IBat_max UBat_max UBat_min UPV_min 比较器 1 +-比较器 2 +-比较器 3 +-比较器 4 +-UBuck_SDUEUBi_SD≥ 11 1 1 1 1 1 & & 滞环比较电路 产生选通和关断信号的逻辑电路图 4 系统能量管理控制电路Fig. 4 Energy management control circuit1）当 I Bat U PV_min 时， 输出选通信号 U E = 1、 UBuck_SD = 0、UBi_SD = 0，此时系统处于工作模式 I。2）当 I Bat ≥ IBat_max 或 UBat ≥ UBat_max，且 U PV >UPV_min 时，输出选通信号 UE = 0、 U Buck_SD = 0、UBi_SD = 0，此时系统处于工作模式 II 。3） 当 I Bat UBat_min 且 U PV ≤ UPV_min 时，输出选通信号 UE = 1、 UBuck_SD = 1、 UBi_SD = 0， 此时系统处于工作模式 III 。4） 当 I Bat UPV_min 时，输出选通信号 UE = 0、 U Buck_SD = 0、UBi_SD = 0，此时系统处于工作模式 V。为避免系统在切换点高、低电平之间来回切换，实际电路中采用了滞环比较器。3 实验验证为了验证本文提出的系统能量管理控制策略的正确性和有效性， 制作一台负载功率 500 W 的原理样机， 表 2 给出了实验系统各个组成部分的参数。工作模式 I 下从半载突加到满载，以及从满载突减到半载时 io、 i Bat、 uPV 和 uBus 的实验波形如图 5所示： (a)对应太阳能电池的能量不足以提供负载所需能量， 蓄电池放电时的实验结果； (b)对应太阳能电池的能量大于负载所需能量，蓄电池充电时的实验结果； (c)对应蓄电池由充电到放电，以及由放电到充电自然切换时的实验结果。可见，由于双向变换器的功率管互补导通，能量可以在双向变换器中自由地双向流动，即蓄电池可以在放电与充电状态表 2 太阳能独立光伏发电系统各组成部分参数Tab. 2 Parameters for the photovoltaic power system 组成部分 物理量 参数峰值功率 1240 W 太阳能电池阵列输出电压 150~350 VDC 额定容量 100 A ?h 额定电压 48 VDC 过放电压 44 VDC 过充电压 56 VDC 蓄电池组均充电流 10 A 输入电压 150~350 VDC 单向变换器输出电压稳定值 100 VDC Boost 模式稳压值 100 VDC Boost 模式限流值 12 A Buck 模式稳压值 56 VDC 双向变换器Buck 模式限流值 10 A 额定功率 500 W 负载额定电压 100 V 半载 半载满载t(20 ms/格 ) (a) 蓄电池放电时i o(5A/格)i Bat(5A/格)uPV(100V/格)uBus(20V/格)i oiBatuPVuBus00250100t(20 ms/格 ) (b) 蓄电池充电时半载 半载满载i oiBatuPVuBusi o(5A/格)i Bat(5A/格)uPV(100V/格)uBus(20V/格)00100250t(20 ms/格 ) (c) 蓄电池充电与放电自然切换时半载 半载满载i oiBatuPVuBusi o(5A/格)i Bat(5A/格)uPV(100V/格)uBus(20V/格)10000250图 5 工作模式 I 的系统实验波形Fig. 5 System waveforms of mode I第 21 期 廖志凌等： 独立光伏发电系统能量管理控制策略 51 之间自然切换，系统保持正常工作。图 6 给出了工作模式 II 下从半载突加到满载，以及从满载突减到半载时 io、 uPV、 uBat 和 uBus 的实验波形。从图中可看出，单向变换器一直处于恒压模式， U Bus 保持恒定；双向变换器一直处于 Buck模式给蓄电池充电，系统正常工作。当负载从半载突加到满载时，太阳能电池阵列的电压下降，而当负载从满载突减到半载时，太阳能电池阵列的电压升高。t (20 ms/格 ) 半载 半载满载iouPVuBatuBusi o(5A/格)uBat(40V/格)uBus(20V/格)uPV(100V/格)25001000图 6 工作模式 II 的系统实验波形Fig. 6 System waveforms of mode II图 7 给出了工作模式 III 下负载从半载突加到满载和从满载突减到半载时 io、 iBat、 uBat 和 uBus 的实验波形。从图中可以看出，当负载突变时，双向变换器一直处于 Boost 工作模式，直流母线电压UBus 保持恒定，系统正常工作。t (20 ms/格 ) 半载 半载满载ioiBatuBatuBusi o(5A/格)uBat(40V/格)uBus(20V/格)i Bat(5A/格)01000- 10图 7 工作模式 III 的系统实验波形Fig. 7 System waveforms of mode III工作模式 V 的实验波形与工作模式 II 的实验波形类似，唯一不同的是工作模式 V 下负载不工作，此处不再赘述。从以上实验结果可以看出，系统在各种情况下均可正常工作，蓄电池的能量流向方向通过双向变换器可以自由切换，实现了整个系统的能量管理，验证了系统能量管理策略的正确性和有效性。4 结论本文提出了一种新的独立光伏发电系统能量管理控制策略，其核心是根据太阳能电池和蓄电池的工作状态，通过能量管理控制电路，给 2 个变换器发出合适的选通和关断信号，确保 2 个变换器协同工作；从而实现系统能量管理，使太阳能电池和蓄电池这 2 种电源协调工作，确保供电系统高效稳定运行以及快速的动态响应。最后通过原理样机验证了该系统能量管理控制策略的有效性。参考文献[1] Xiao Weidong， Ozog N ， Dunford W G ． Topology study of photovoltaic interface for maximum power point tracking[J] ． IEEE Trans. on Industrial Electronics， 2007， 54(3)： 1696-1704．[2] 刘邦银，梁超辉，段善旭．直流模块式建筑集成光伏系统的拓扑研究 [J]．中国电机工程学报， 2008， 28(20)： 99-104．Liu Bangyin ， Liang Chaohui ， Duan 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Hidaka 、中国电机工程学会学术工作委员会副主任委员梁曦东教授、韩国电气学会当选会长 Jong-Keun Park、香港工程师学会前任会长 Ching Chuen Chan、阿海珐公司首席科学家 David Sun 分别作了题为 “关于 1 100kV 特高压技术的国际标准化” 、 “中国输电设施的挑战” 、 “韩国的需求反映计划” 、 “电动汽车和混合动力汽车的技术路线与产业化路线” 、 “迈向安全，可靠，可持续，智能化的电力系统”的主旨发言。会议共设 3 个专题研讨会，其主题分别为智能电网、可再生能源发电和分布式发电。此外，会议还组织了 19 组论文分组会议 (共 155 篇 )及 3 组论文张贴 (共 154 篇 )。 出版了 2009 电机工程国际会议光盘， 其中中国电力科学研究院科技工作者发表论文 19 篇。会议期间举办了留英电机工程学者聚会，该聚会由清华大学— AREV A研究中心主任薄志谦教授主持，陆延昌理事长，李若梅秘书长，沈阳市副市长邹大挺， 清华大学校长助理、 中国电机工程学会副理事长宋永华， 《中国电机工程学报》 编辑委员会委员吴青华博士， 《中国电机工程学报》 编辑部主任陈树勇博士等 100 余人参加，薄志谦教授出色的主持使聚会现场气氛热烈、轻松活泼。聚会期间，专家学者分别就各自的工作领域进行了充分的沟通与交流，拓宽视野的同时增进了彼此间的合作，使得国内外广大学者对祖国的电力事业更加信心百倍。 陈树勇教授做了即兴发言， 进一步拉近了广大专家学者与杂志社的距离，促进了国内外电力科研前沿的专家学者与杂志社间的文化交流，有利于今后加强合作。