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Vol.29No.21Jul.25,2009462009年7月25日ProceedingsoftheCSEE©2009Chin.Soc.forElec.Eng.文章编号：0258-8013(2009)21-0046-07中图分类号：TK514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)EnergyManagementControlStrategyforStand-alonePhotovoltaicPowerSystemLIAOZhi-ling1,RUANXin-bo2(1.CollegeofElectronicandInformationEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,JiangsuProvince,China;2.CollegeofAutomationEngineering,NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,Nanjing210016,JiangsuProvince,China)ABSTRACT:Withseriousenergycrisisandenvironmentalconcern,thesolarphotovoltaicpowerhasreceivedgreatattentionandexperiencedimpressiveprogressrecently.Inthispaper,anovelenergymanagementstrategyisproposedforastand-alonephotovoltaicpowersystemthatconsistsofasolarcellarraypoweringthesteadystateenergy,abatterycompensatingthedynamicenergy,auni-directionalDC-DCconverter,andabi-directionalDC-DCconverter.Throughcontrollingtheuni-directionalDC-DCconverterandbi-directionalDC-DCconvertertooperateinanappropriatemodesdependingontheoperationstatesofsolarcellandbattery,thisstrategyharmonizestheworkofsolarcellandbattery,whichmakesthesystemoperatewithhighefficiencyandgooddynamicperformance.Experimentalresultsona500Wstand-alonephotovoltaicpowerprototypeverifytheeffectivenessoftheproposedstrategy.KEYWORDS:solarcell;battery;photovoltaicpowersystem;energymanagement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)。ProjectSupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(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]。+−UPVIPVQ3C1C2D3L2iL2CDAB+−UBusIoRL+−Uo直流母线100VDC150~350VDC太阳能电池+−UBat蓄电池48V/100A⋅hiBatiL1L1CLD2Q2Q1D1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.1Proposedstand-alonephotovoltaicsystem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150~350VDC)转换为稳定的直流母线电压(100VDC)；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(UBat)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，UPVUPV_min和UPV≤UPV_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；IBat0和IBat0分别对应于蓄电池充电和放电的情况，IBat_max是所设置的蓄电池最大充电电流，本系统设置IBat_max=10A；UBat_max和UBat_min分别是设置的蓄电池过充电压和过放电压，本系统设置UBat_max=56V、UBat_min=44V。根据表1所划分的5种工作情况，可以对应得到系统的各种能量流动示意图，如图2所示。工作模式I：系统正常运行时，单向变换器工作在最大功率点跟踪(maximumpowerpointtracking，MPPT)模式，双向变换器工作在Boost模式，控制双向变换器高压侧的电压和反向电感电流(假设蓄电池充电时电感电流为正)，给直流母线提供稳定电压，如图2(a)所示。如果太阳能电池不足以提供负载所需能量，即PpvPo(Ppv为太阳能电表1系统的工作模式Tab.1Operationmodesoftheproposedsystem太阳能电池电压与蓄电池充放电电流UPV≤UPV_minUPVUPV_min蓄电池电压IBat0IBatIBat_maxIBat≥IBat_maxUBat≤UBat_min工作模式IV：单向变换器：关机模式双向变换器：关机模式工作模式V：单向变换器：恒压模式双向变换器：Buck模式(负载不工作)工作模式II：单向变换器：恒压模式双向变换器：Buck模式UBat_minUBatUBat_max工作模式III：单向变换器：关机模式双向变换器：Boost模式工作模式I：单向变换器：MPPT模式双向变换器：Boost模式工作模式II：单向变换器：恒压模式双向变换器：Buck模式UBat≥UBat_max工作模式III：单向变换器：关机模式双向变换器：Boost模式工作模式II：单向变换器：恒压模式双向变换器：Buck模式工作模式II：单向变换器：恒压模式双向变换器：Buck模式48中国电机工程学报第29卷太阳能电池直流母线单向变换器(MPPT模式)蓄电池双向变换器(Boost模式)(a)工作模式I负载太阳能电池单向变换器(恒压模式)蓄电池双向变换器(Buck模式)(b)工作模式II负载直流母线太阳能电池单向变换器(关断)蓄电池双向变换器(Boost模式)(c)工作模式III负载直流母线太阳能电池单向变换器(关断)蓄电池双向变换器(关断)(d)工作模式IV负载直流母线太阳能电池蓄电池(e)工作模式V负载(不工作)单向变换器(恒压模式)双向变换器(Buck模式)直流母线图2系统不同工作模式下的能量流动示意图Fig.2Energyflowindifferentoperationmodes池输出功率，Po为负载消耗功率)，不足部分由蓄电池通过双向变换器来补充(IBat0)；如果太阳能电池输出能量大于负载所需能量时，即PpvPo，那么多余的能量通过双向变换器给蓄电池充电(IBat0)。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(56V)，或者充电电流达到最大允许充电电流(10A)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≤150V)，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(44V)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