离网光伏发电控制系统

一、国内外研究现状随着传统能源的日益枯竭 ,新能源发电逐渐得到世界各国的广泛重视 ,其中太阳能光伏发电凭借其多方面的优点得到越来越多的推广。为了充分利用太阳能 ,最大效率的将电池板上的太阳能转化为电能 ,减少充放电次数，使蓄电池优化运行，提高逆变器运行的可靠性、稳定性和安全性 ,必须对最大功率点跟踪、蓄电池控制、逆变器设计的控制策略展开深入的研究。1、最大功率跟踪点算法研究现状光伏电池是太阳能光伏发电系统最基本的环节， 且价格比较昂贵， 它的能量转换效率影响着系统的整体效率和成本， 因此必须使其最大限度地输出功率。 然而， 光伏电池的输出特性具有强烈的非线性， 输出功率很容易随着外界环境温度、 光照强度、 负载状态的变化而变化。 在一定的电池温度和光照强度下光伏电池可以工作在不同的输出电压， 拥有不同的输出功率， 只有在某一电压值下， 输出功率才能达到最大值， 这时光伏电池的工作点称之为最大功率点。也就是说， 在一定光照强度和温度下，太阳能电池有唯一的最大输出功率点。 为了始终能工作在最大功率点， 以达到输出功率最大， 能量利用率最高的目的， 所以必须对光伏电池进行最大功率跟踪点跟踪 (Maximum Power Point Tracking ，简称 MPPT) 。目前提出的 MPPT 方法很多，主要有恒电压法、扰动观察法、增量电导法、间歇扫描法、智能控制法等， 每种方法都有各自的优缺点。 下文将针对比较常见的、 应用最为广泛的恒电压法、扰动观察法、电导增量法进行简要介绍对比。(a)恒电压法忽略电池温度影响时， 在不同的光照强度下， 光伏电池输出曲线的最大功率点近似分布在一条垂直线的附近。 只要保持光伏电池输出电压为常数， 且等于某一光照强度下光伏电池最大功率点的电压， 就能基本保证在该温度下光伏电池工作在最大功率点， 从而实现 MPPT。由此可知，恒电压法实质上是把 MPPT 控制简化为恒电压控制，构成了恒定电压的 MPPT控制。恒定电压法具有控制简单，易于实现，稳定性好，可靠性高等优点， 比较适合于低成本的应用场合或教学实验中， 可以简化控制部分的设计。 但是， 这种方法忽略了电池温度对光伏电池最大功率点的的影响， 当温度变化时， 如果仍采用此法， 光伏电池的输出功率将会偏离最大功率点， 造成能量的浪费， 特别是对于早昼夜和四季温差大的地区， 控制精度就更差，系统损失功率就更多。 因此恒定电压法并不能完全实现真正意义上的最大功率跟踪。 为了克服使用场所冬夏早晚、 阴睛雨雾等环境变化对系统造成的影响， 在恒定电压控制的基础上可以引进温度反馈来修正工作点电压，提高系统的整体效率。(b)扰动观察法扰动观察法 (Perturb & Observe Algorithms) 又称爬山法，主要根据光伏电池的 P-U 特性，通过扰动端电压来寻找最大功率点。 并且不论外界环境如何变化， 它都能够真正实现 MPPT控制，所以是目前 MPPT 应用最广泛的方法之一。其工作原理是在光伏电池正常工作时，周期性的改变负载的大小，以改变电池板的从而不断地给它的输出电压一个很小的扰动 △U，在电压变化的同时，实时采样光伏电池的输出电压和电流，计算当前的输出功率，再与上一采样时刻的功率进行比较， 通过判断输出功率的变化方向来判定下一步的干扰方向。 如果输出功率变大，那么负载继续按照上一周期的方向变动继续 “干扰” 过程， 如果检测到输出功率变小，则改变“干扰”的方向。如此反复的扰动、观察及比较，使电池板最终达到其最大功率点，从而实现最大功率跟踪。扰动观察法的优点是算法结构简单， 被测参数较少， 容易实现。 其缺点是光伏电池达到最大功率点后， 并不停止扰动， 而是在最大功率点附近来回振荡运行， 始终有一定的能量损失。其次，它的扰动步长 (Δ U 值 )不容易确定，步长过小，系统的跟踪速度变慢，光伏电池可能长时间滞留在低功率输出区， 从而影响系统的效率； 步长过大， 又会使系统在最大功率点附近振荡加剧，跟踪精度降低，导致功率损失较大。因此， 扰动观察法的跟踪精度和跟踪速度无法兼顾， 当我们采用此方法时，需要根据自己的需要做一取舍， 选择合适的步长。另外当外部环境突然变化时， 扰动观察法不能判断系统功率变化是由自身扰动还是环境变化造成的，可能会导致扰动方向发生错误，造成误判。c)电导增量法电导增量法 (Incremental Conductance Method ， ICD) 是 1995 年 KH.Hussein 提出的， 是通过比较某一时刻光伏电池瞬时电导和瞬时电导变化率的关系来改变扰动的方向， 从而实现MPPT。由光伏电池的输出特性可知，光伏阵列的 P-V 曲线是一个单峰曲线，在最大功率点处，其斜率 (即功率对电压的导数 )为零。因此，只要在斜率大于零的区域增加电压，在斜率小于零的区域减小电压， 在斜率等于零或非常接近于零的时候， 电压保持不变， 就可以寻找到最大功率点。当判断出光伏系统工作在最大功率点处，就不再对工作点进行调整。电导增量法的优点是在光照强度不变时， 光伏电池输出可以稳定在最大功率点处； 而当光照强度发生变化时， 光伏电池输出电压能以平稳的方式追随环境的变化， 且电压扰动的范围也较扰动观察法小。 而且这种控制方法的准确性较高， 响应速度较快， 能够适应光照强度和环境温度的快速变化。 缺点是光伏电池可能存在一个局部的最大功率点， 此方法可能导致系统稳定在一个局部的最大功率点。 其次，它的步长是固定的，步长过小， 光伏电池可能长时间滞留在低功率输出区；步长过大，又会使系统振荡加剧。同时，当光照强度突变时，如果不能快速及时的调整输出电压， 就会导致系统输出电压出现崩溃现象。 在实际的光伏系统中，电导增量法需要的计算量较大，对系统的性能要求也较高。2、蓄电池的充放电控制铅酸蓄电池由于其制造成本低 ,容量大 ,价格低廉而得到了广泛的使用。蓄电池作为一种大容量储能装置 ,具有电压稳定、供电可靠等优点。由于铅酸蓄电池的固有特性 ,充放电控制技术及装置的性能直接影响着蓄电池的运行状态和使用寿命。 离网小型发电系统通过控制器控制蓄电池的充电状态能提高系统的运行效率。为了提高充电效率、 延长蓄电池的使用寿命， 必须对不同的充放电控制控制算法进行了解， 从而根据系统自身的特点设计合适的蓄电池充放电控制算法。 目前常见的蓄电池充电控制算法主要有恒流充电、恒压充电、恒压限流充电、阶段充电、快速充电和智能充电等，而放电控制算法主要有放电电压控制法、 放电电流控制法和放电深度控制法等。 下面对恒流充电、恒压充电、阶段充电做介绍对比。a）恒流充电恒流充电是指以一个恒定的电流对蓄电池进行充电。 由于在充电过程中蓄电池端电压会升高， 而且蓄电池内阻也会变化， 所以需要利用控制算法对充电电流进行控制， 从而保证充电电流恒定。 这种方法特别适用对由多个蓄电池串联所组成的蓄电池组进行充电， 它能使落后的蓄电池的容量容易得到恢复， 用小电流长时间的模式 （例如维护充电中的涓流充电） 对蓄电池进行充电效果较好。恒流充电的优点主要是控制算法简单、 恒流充电器成本较低； 使用固定的、 易测量的电流和时间作为输入量， 可实现快速调节的可控充电。 但恒流充电控制也有其不足， 它的不足之处主要是一般蓄电池在开始充电时可以承受大电流充电， 但开始时所设置的恒定电流值往往相对于充电后期 （蓄电池接近充电完毕） 蓄电池所能承受的充电电流相对偏大。 后期充电电流偏大会导致蓄电池析气较多，而且对极板的冲击较大、能耗高、充电效率低于 65% b）恒压充电恒压充电是指以一个恒定电压对蓄电池进行充电。由于充电初期蓄电池开路端电压较低， 所设置的恒压充电的电压值往往会导致充电电流很大， 直到充电完成。 在蓄电池充电后期，随着蓄电池电能的逐渐储存完毕，充电电流也会逐渐减小，所以相对恒流充电，该算法使得蓄电池析气量较小、充电时间短，能耗低，且充电效率可达 80%。但此法也有自身的缺点： （ 1）在充电初期，假如蓄电池上次放电深度过深，初始充电电流将会很大，此大电流会对充电控制器的硬件设计提出了很高的要求， 同时过流容易造成充电控制器的损坏， 蓄电池也可能因为过流充电而受到损伤； （ 2） 如果为了避免充电初期大充电电流的出现而将恒压设置值减小，会导致蓄电池后期充电电流较小，从而使充电时间增加（ 3）该算法很难补偿蓄电池端电压的变化，也很难达到对落后电池的完全充电。c）阶段充电阶段充电法是为克服恒流和恒压充电的缺点而产生的一种充电控制方法。 两阶段充电法是先以恒定电流对蓄电池充电至预先设定的电压值， 然后改为恒定电压完成剩余的充电。 该充电控制方法可以有效的避免充电初期出现很大的充电电流和充电后期大电流充电所造成的蓄电池析气较多。 两阶段充电法的充电结束标准与所设置的截止电流有关， 而且一般恒流充电和恒压充电之间的转换电压值就是第二阶段的恒压充电的电压设定值。 而三阶段充电较之两阶段充电的不同点仅是在两阶段充电完毕后， 继续对蓄电池以小电流进行充电， 从而抵消蓄电池自放电造成的电能损失，该充电方法充电时间较长。3、逆变器的设计和控制目前， 常用的逆变器主要有两种拓扑结构： 隔离型逆变器和非隔离型逆变器。 隔离和非隔离的区别就是看交流输出端与直流输入端有无变压器。由于隔离型逆变器具有以下优点：1.实现了直流输入与交流输出的电气隔断； 2.提高了电能质量； 3.电磁兼容性强； 4.直流端无电网电压， 对人身安全有利， 系统抗冲击性强。 隔离型逆变器使用了比较简单的两级变换拓扑结构，即 DC ／ DC 升压变换、 DC/AC 全桥逆变。这种构架的特点是可靠，控制相对独立简单，便于系统软件、硬件的模块化设计。二、控制策略本文考虑对光伏电池最大功率点追踪的方法采用基于改进型的扰动观察法，由于传统的扰动观察法跟踪速度和跟踪精度不能兼得， 既跟踪速度高的时候精度上不去， 跟踪精度高的时候跟踪速度缓慢。 不可兼得的因素在于影响光伏电池发电的外部因素光照强度、 电池温度不可控， 因此考虑通过对光照强度和电池温度的实时监测， 根据光照强度或电池温度的变化程度来改变电压扰动的大小， 既如果电池温度的变化幅度变大时， 根据相应的比例加大电压扰动， 使之迅速追踪到最大功率点， 当电池温度变化幅度减小时， 再根据相应比例减小电压扰动的大小， 能够保证追踪最大功率点的精度。 与传统的扰动方法进行拟合， 当外界环境光照强度或电池温度不发生变化时， 电压扰动的大小变化依据传统扰动观察法进行调整。 能够尽量实现跟踪精度与跟踪速度的兼得。相对于传统扰动观察法， 改进型的扰动观察法充分考虑了实际情况既外界光照强度、 电池温度对追踪最大功率点的影响。 可以随时监控系统的状态， 并根据不同的变化做出最合适的判断，改变扰动幅度的大小，因此该方法改进后具有自适应性，且提高了系统的准确性、快速性。本文对蓄电池的充电控制采用三阶段充电法， 既第一阶段采用恒流充电， 第二阶段采用恒压充电， 第一阶段和第二阶段之间的转换电压值是第二阶段恒压充电的电压设定值。 由于通过对蓄电池端电压的检测可以基本确定蓄电池的剩余容量， 因此， 通过对端电压的检测反馈来确定第一阶段、 第二阶段、 第三阶段的切换时刻。放电控制是根据放电电压控制法，来判断蓄电池的剩余电量。 当蓄电池的剩余电量低于下限时， 切断储能系统既蓄电池向负载供电，接入市电， 光伏电池发电功率全部接入蓄电池，给蓄电池充电。当蓄电池进行浮充完毕时， 停止光伏电池向蓄电池充电， 光伏电池发出的功率全部送给负载， 来避免蓄电池的过充和过放，保护蓄电池，延长蓄电池的使用寿命。蓄电池是离网光伏发电系统的关键部分，因为蓄电池在总费用中所占比例高，寿命有限，系统故障的最常见的原因就是蓄电池。本文所设计逆变器的输入电压为 24V 直流电，输出为稳定的 220V正弦交流电，因此必须加入升压环节。（ 1） DC/DC部分 升压环节实际上是 DC-DC开关电源，可以实现升压的变换器很多。 综合比较， 本文选用了比较适用于中小功率场合、 低压大电流输入的推挽变换器实现 DC/DC升压变换，正好满足本系统的要求。通过控制两个开关管 V1 和 V2，以相同的开关频率交替导通，且每个开关管的占空比 D均小于 50％．留出一定死区时间以避免 V1 和V2 同时导通，将直流输入电压转换成高频交流信号。通过变压器传送到次级，再经过全波整流、滤波后得到所期望的直流电压。 V1 和 V2 是 MOSFET，它们由专用 PWM集成芯片 TL494输出的 PWM1， PWM2脉冲来控制。 V1 和 V2 构成方波电路，可以产生对称的相互交替变化的方波。当 V2 导通 (V1 截止 ) 时，变压器 T 磁芯中的磁通增大；当 V1 导通 (V2 截止 ) 时，变压器 T 磁芯中的磁通减小。 V1 和 V2 构成的方波电路接到变压器 T 的初级，经过 TL494 控制其导通，在变压器 T 的次级得到一个变电压，经 VD1， VD2整流后，即可输出直流电压 outV ，在理想条件下， 推挽变换器输出和输入的电压比是 2 1/ /out in onV V N t N T ， 1N 、 2N 是隔离变压器的原边和副边匝数。 因为与输入端相连的初级绕组上的电压反射到初级绕组的另一半上，所以 V1 或 V2 在不导通时，两端的电压为 2 inV ，所以 IGBT 耐压要大于 2 inV 。（ 2） DC/AC 部分DC/AC 逆变环节的作用是将前级输出的 330V 直流电逆变成用户终端所需要的 220V 正弦交流电， 供负载使用。 常用逆变器的拓扑有全桥和半桥两种形式， 其中全桥比半桥具有更高的直流电压利用率，且全桥逆变电路广泛应用于大功率、高压输入场合。因此， 本系统选用单相全桥式逆变器完成 DC/AC 变换，它的电路结构简单、容易控制，并且作为一种经典的逆变电路。三、能量协调控制目标（ 1）提高光伏电池的利用率，既可以快速实现最大功率点追踪，又可以根据负载要求以恒功率运行。（ 2）储能系统中蓄电池优化运行，在不影响负载需求的前提下，减少充放电次数，避免过充电、过放电，保护蓄电池，延长蓄电池寿命。（ 3）设计出抗干扰能力强、高效率、高可靠性的逆变器，输出电压幅值、频率稳定无波动。根据光伏电池的输出功率情形、 负载需求和蓄电池剩余容量， 光伏发电可以分为以下几个状态：状态 1：光伏电池发电功率小于负载需求功率，且蓄电池剩余容量小于设定下限，停止光伏向负载供电，光伏仅向蓄电池充电，切入市电。状态 2：光伏电池发电功率小于负载需求功率，剩余蓄电池容量高于设定下限，此时负载由储能系统供电，同时，实时监测蓄电池剩余容量，避免蓄电池过放电。状态 3：光伏电池发电功率大于负载需求功率，能量优先供给负载，减少蓄电池充放电次数，蓄电池充电。状态 4：光伏发电功率大于负载需求功率，蓄电池已充满，依据负载来调节光伏电池输出功率。四、需要检测与控制的目标1、光伏电池环境光照强度2、光伏电池温度3、光伏电池端电压4、光伏电池发电电流 , 5、储能设备蓄电池剩余电量6、蓄电池电压7、蓄电池电流8、逆变器输出电压9、逆变器输出电流10、逆变器输出频率