基于储能系统的光伏发电系统功率缓冲控制研究

李 凡，张建成

（新能源电力系统国家重点实验室，华北电力大学，河北 保定 071003）

随着科技的发展进步，可再生能源的开发和利用为解决能源危机开辟了一条新的途径。太阳能作为重要的绿色能源之一，不仅取之不尽用之不竭，而且没有化石能源所带来的环境问题。但是光伏发电会受到外界环境的影响，当辐照强度或温度发生变化，光伏电源的间歇性和随机性使得其能量输出不够连续稳定，这就给光伏发电的广泛发展和应用带来了技术挑战[1-2]。

光伏发电系统功率流动的协调性已经成为国内外光伏技术领域的热点，从负荷角度而言，希望光伏系统发出的电能稳定可靠，同时电能质量优良；从光伏电源的利用角度来看，更希望光伏电源以最大功率输出，实现最大效率的发电和利用[3]。但是光伏系统经过MPPT控制输出，其最大功率势必会出现随机波动，这样光伏发电就无法满足负荷的要求，相互之间的矛盾在不借助其它技术的前提下是无法调和的。

近年来，大容量的储能器件方面有了很大进展，如NaS电池、超级电容器等，具有响应快、效率高、寿命长的优点，为储能技术的发展和应用提供了基础。利用先进的储能技术进行光伏功率缓冲，可以在光伏发电系统最大功率输出后，平滑间歇、波动的功率，实现光伏发电系统在最大功率输出的前提下拥有可调度性[4-6]。由此可见，储能系统对光伏发电系统输出功率缓冲的控制是关键问题之一。

本文侧重储能系统对光伏发电系统输出功率的缓冲研究，建立光伏储能系统模型，介绍系统运行机理，分析系统功率与直流电压直接的关系，运用不同储能方式实现光伏输出功率的平滑，稳定系统直流电压。

1 基于储能的光伏发电系统结构

基于储能的光伏发电系统包括光伏发电系统、储能系统和等效负载。其结构示意图如图1所示。光伏发电系统通过MPPT的最大功率点跟踪控制实现最大功率输出，由于受到外界环境的影响，功率输出总是波动的；储能系统通过储能器件的能量储存、释放，使光伏发电系统的输出功率得到缓冲，进而变得平滑[7-8]。这样光伏储能系统对等效负荷供电，不仅功率满足负荷需求，系统直流电压也是稳定的。

图1 基于储能的光伏发电系统结构 Fig.1 Structure of PV power generation system with energy storage

2 光伏发电系统原理分析

光伏发电系统包括光伏阵列和 MPPT，光伏电池是以半导体的光生伏打效应为基础，将光能直接转换成电能的一种半导体器件，由于光伏电池的单位功率比较小，需要将光伏电池通过导线串并联，封装成光伏组件，再将光伏组件串并联成有一定发电容量的光伏阵列。在一定光照强度和温度下光伏阵列的输出特性如图 2所示[9]，实线为电流-电压（I-V）输出特性，虚线为功率-电压（P-V）输出特性。从图中可以看出，光伏阵列的I-V特性曲线是非线性的，表明光伏阵列既非恒压源也非恒流源，是一种非线性直流电源，并且只有A点是唯一的最大功率点。

图2 光伏阵列的输出特性 Fig.2 The output characteristics of PV array

当影响光伏阵列输出特性的光照强度和温度变化时，最大功率点也会随之变化。为使光伏阵列以最大功率输出，提高能源利用率，需要经过 MPPT实现最大功率点的跟踪，实时调整光伏阵列的工作点[10]。目前最常用的最大功率跟踪控制方法之一是扰动观察法，其基本原理是通过周期性地改变输出端电压来改变太阳能光伏电池输出的功率，若输出功率比变动前大，则电压朝同一方向变动；反之，若输出功率比变动前小，则需要在下一周期改变电压变动的方向。如此反复地扰动、观察及比较，使太阳能光伏电池的工作点达到最大功率附近。

3 储能系统功率缓冲原理

3.1 系统功率与系统直流电压的关系

光伏发电系统的输出端口、储能系统输出端口和负载都接在直流母线上，直流母线上的功率流动和系统的直流电压存在着一定关系。如图1所示，直流母线接一个小容量电容器，以示功率流动和直流电压之间的关系，即

式中，Ppv为光伏阵列经 MPPT发出的功率；Pc为储能系统储放的功率，其正值表示释放功率，负值表示储存功率；PR为负荷消耗的功率；Cdc为电容器的电容值；Udc为直流母线电压。

Ppv是光伏阵列经 MPPT最大功率输出，根据最大能源利用原则，该功率只受外界环境影响而波动；PR是系统需要满足的功率，不可调；只有储能系统的Pc可以实现能量的缓冲，对光伏发电系统和负荷进行功率匹配。由式(1)可见，当 Ppv＋Pc– PR≠0时，表示光伏阵列输出的功率和负荷消耗的功率之差与储能系统储放功率不平衡，因此 dUdc/dt≠0，表示直流母线在dt时间内电压Udc变化。反之，当Ppv＋Pc–PR=0时，功率在直流母线流动平衡，储能系统能理想的实现功率存储，直流电压不会出现波动。所以，直流母线电压的波动充分反映了功率流动的平衡性，当电压上升时，储能系统需要存储功率，以使光伏发电系统功率与负荷功率匹配；当电压下降时，储能系统释放功率，以满足负荷的功率需求。

3.2 储能系统功率缓冲

根据储能器件连接直流母线的方式不同，储能系统具有不同的功率缓冲实现方案。一般而言，储能的连接分为无源式结构和有源式结构。在无源式结构当中，储能器件是直接连接到直流母线上的，为了满足要求，储能器件需具备一定容量，对于光伏发电系统波动的最大功率输出能够较快存储、释放。当直流母线电压上升大于储能器件电压时，储能器件接受充电电流；反之储能器件输出电流。该结构简单，无需储能系统控制。

有源式储能系统需要利用双向 DC-DC变换器将储能器件和直流母线连接起来，即利用有源式结构实现能量储存和释放[11]。双向 DC-DC变换器结构如图3所示。该变换器是功率流动可反向的两象限变换器，当储能器件储电时，变换器工作在降压状态，IGBT 1封锁，处于工作状态的IGBT 2和二极管D 1构成Buck模式；当储能器件放电时，变换器工作在升压状态，IGBT 2封锁，处于工作状态的IGBT 1和二极管D 2构成Boost模式。

图3 双向DC-DC变换器电路结构图 Fig.3 Circuit structure of bi-directional DC-DC converter

根据系统功率与直流电压的关系，为了缓冲光伏发电系统的最大输出功率进而满足负荷功率的需求，所以将光伏发电系统的直流母线电压作为控制目标。直流母线电压高于额定值时，控制双向DC-DC变换器将能量储存到储能器件，降低直流电压。控制方法采用电压外环电流内环的双环控制，电流环的作用在于限制对储能器件过大电流充电，起到充电保护作用，该控制框图如图4所示。通过检测直流电压值Udc，与额定电压值比较作差，将偏差信号作为PI调节器的输入，经过限幅环节产生变换器电感电流的参考值。用采集得到的变换器电流IL与作差，差值信号经过PI调节器和限幅环节后得到的信号再与三角载波信号相比较，调制出控制IGBT 2的PWM信号，以实现电压稳定、功率缓冲控制。

图4 储能系统储存能量控制框图 Fig.4 Block diagram of energy storage system to store energy

当直流母线电压低于额定值时，采用电压控制来快速释放功率，避免直流电压的跌落，控制框图如图5所示。将检测的直流电压Udc与额定电压的差值顺序输入到PI调节器和限幅环节，得到的信号再与三角载波信号比较，调制出IGBT 1的PWM信号，得以实现控制目标。

图5 储能系统释放能量控制框图 Fig.5 Block diagram of energy storage system to release energy

4 仿真研究

为验证设计的无源式储能系统和有源式储能系统在光伏发电系统中功率缓冲的有效性，用Matlab/Simulink进行仿真研究，搭建了基于储能的光伏发电系统模型。仿真参数设置为：光伏系统直流母线的额定电压为300 V；负荷电阻在0.6 s前为22.5 Ω，在 0.6～1s为 19.6 Ω；储能器件选用超级电容器组，总容量为0.1 F，无源式储能系统的超级电容器初始电压为305 V，有源式储能系统的超级电容器初始电压为200 V；DC/DC变换器的电感为1 mH，电容为 10 μF，PWM 开关频率为 10 kHz。

光伏阵列在标况下发电，经MPPT对外输出最大功率如图6所示，功率值随着外界环境的变化而波动，无法满足负荷对于供电的需求。

图6 光伏发电系统输出的最大功率 Fig.6 Maximum power of photovoltaic power generation system

当采用无源式储能系统做功率缓冲时，超级电容器直接接到直流母线上，图7为直流母线电压，图8为负荷功率。由于超级电容器的功率调节，使得电压在300 V上下波动，满足电压±5%内波动的电能质量要求；同时，负荷功率有所改善。

图7 采用无源式储能系统直流电压 Fig.7 Voltage of DC with passive energy storage system

图8 采用无源式储能系统负荷功率 Fig.8 power of loads with passive energy storage system

当采用有源式储能系统做功率缓冲控制时，直流母线电压如图9所示，负荷功率如图10所示，储能系统的储放功率如图11所示。仿真过程中光伏系统输出的最大功率波动的同时，负荷所需功率在0.6s前后也有较大变化，但是，有源式储能系统能够有效地实现光伏系统功率的缓冲，当直流电压高于300 V时，储存功率到储能器件；当直流电压低于300 V时，储能器件释放功率到直流母线。电压稳定的同时，负荷的功率需求得到满足。

图9 采用有源式储能系统直流电压 Fig.9 Voltage of DC with active energy storage system

图10 采用有源式储能系统负荷功率 Fig.10 power of loads with active energy storage system

图11 有源式储能系统储放的功率 Fig.11 Power of active energy storage system store and release

通过两种储能系统的仿真结果可得以下结论。

（1）无源式储能系统中，储能器件端口电压的变化会直接影响直流母线的电压，所以其初始电压较为重要，同时调节能力受储能器件容量的直接限制，无法保证为直流母线上的负荷提供高质量电能，而且储能器件处于储存或释放能量的状态，会影响有充放电次数限制的储能器件的寿命。优点是成本较低，无需控制，在直流母线电能质量要求不高的前提下可以应用。

（2）有源式储能系统中，由于通过变换器连接到直流母线，储能器件的充放电可控，优化了储能器件的工作环境，避免过充、过放的出现。同时，实现了储能器件与直流母线的电压解耦，控制缓冲功率传输的同时保证直流母线电压稳定，可控性强。但是，成本较无源式储能系统高，且通过变换器进行功率传输会有一定的能量损耗。

5 结 论

储能在光伏发电系统中的应用具有重要意义，能够极大地提高光伏能源的可利用性和稳定性。本文建立了基于储能的光伏发电系统结构模型，介绍了光伏发电系统的运行原理，分析了系统功率与系统直流电压的关系，针对光伏系统输出的最大功率波动和负荷所需功率变化，设计了无源式储能系统和有源式储能系统进行功率的缓冲，以满足负荷的供电需要。仿真结果表明，有源式储能系统的功率缓冲效果较无源式有明显改善，通过双向 DC-DC变换器的功率自动储放切换控制，使得光伏发电系统和负荷之间得以功率匹配，同时直流电压能够稳定在额定值，验证了储能系统功率缓冲的有效性。

[1] Xu Honghua（许洪华）.The study on development of PV technology in China[J].Power System Technology（电网技术），2007，31（20）：77-81.

[2] Zhao Zhengming（赵争鸣）.Solar Photovoltaic Power Generation and Application[M].Beijing：Science Press，2005：1-9.

[3] Luo Longfu（罗隆福），Li Tao（黎涛），Deng Jianguo（邓建国），et al.Simulation analysis for constant power control of photovoltaic system with battery energy storage[J].Proceedings of the Chinese Society of Universities for Electric Power System and Its Automation（电力系统及其自动化学报），2011，23（6）：87-91.

[4] Hoff E T，Perez R，Margolis M R.Maximizing the value of customer-sited PV systems using storage and controls[J].Solar Energy，2007，7（81）：940-945.

[5] Zhang Wenliang（张文亮），Qiu Ming（丘明），Lai Xiaokang（来小康）.Application of energy storage technologies in power grids[J].Power System Technology（电网技术），2008（7）：1-9.

[6] Zhang Jiancheng.Research on super capacitor storage system for power network[C]//International Conference on Electronics and Drivers systems，2005：1366-1369.

[7] Li Xiao（李霄），Hu Changsheng（胡长生），Liu Changjin（刘昌金），et al.Modelling and controlling of SCES based wind farm power regulation system[J].Automation of Electric Power Systems（电力系统自动化），2009，33（9）：86-90.

[8] Ji Liantao（姬联涛），Zhang Jiancheng（张建成）.Research on generalized momentum compensation method of flywheel energy storage in renewable energy power system[J].Proceedings of the CSEE（中国电机工程学报），2010，30（24）：101-106.

[9] Chen Zhonghua（陈中华），Zhao Minrong（赵敏荣），Ge Liang（葛亮），et al.The simplification of mathematic model of silicon solar cell[J].Journal of Shanghai University of Electric Power（上海电力学院学报），2006，22（2）：178-180.

[10] Xu Pengwei（徐鹏威），Liu Fei（刘飞），Liu Bangyin（刘邦银），et al.Analysis, comparison and improvement of several MPPT methods for PV system[J].Power Electronics（电力电子技术），2007，41（5）：3-5.

[11] Ouyang Changlian（欧阳长莲）.Analysis and study on modeling of DC-DC switching converter[D].Nangjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2004.