家庭并离网一体光伏发电系统的能量管理策略
2016-09-14杨雪蛟李征
杨雪蛟，李征
（东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620）
家庭并离网一体光伏发电系统的能量管理策略
杨雪蛟，李征
（东华大学 信息科学与技术学院，上海201620）
光伏发电作为解决传统能源枯竭和环境污染的重要途径，正成为世界新能源发展的焦点。本文从家庭并离网一体光伏发电系统的实际应用出发，提出了一种针对性的能量管理策略。该能量管理策略可根据光伏组件输出功率、锂电池荷电状态、负荷情况以及直流母线电压变化情况，合理切换系统工况，确保系统稳定运行。通过家庭并离网一体光伏发电系统样机实验，验证了本文所提能量管理策略的可行性和有效性。
能量管理；太阳能发电系统；储能电池；变流器
在全球能源危机及环境问题日益严峻的今天，太阳能光伏发电技术受到越来越多的关注。在各国政府的大力支持下，太阳能光伏产业得到了飞速的发展［1］。光伏发电系统按照是否与公共电网连接可以分为3种不同的类型：并网型光伏发电系统，离网型光伏发电系统和并离网一体光伏发电系统。并离网一体光伏发电系统既可并网运行，亦可独立运行，当其应用于住宅或者楼宇时，相对并网系统供电安全性更高，当公共电网发生故障时，可独立运行给本地负载供电。同时，可以接受电网调度，选择性地并网以减缓对电网的冲击，减小三相电网的不平衡。并离网一体系统相对于离网系统一方面由于有公共电网作为支撑，供电更为可靠；另一方面可有效地减小储能装置的容量，降低系统成本。
但由于光伏发电系统中光伏组件发电量的不连续性，储能单元的合理介入及并离网切换等问题会影响并离网一体系统的工作稳定性。因此，如何协调发电单元、储能单元、负载及电网之间的能量流动，实现系统高效稳定的运行，需要一定的能量管理策略来控制系统的能量流动，保证系统的能量供需平衡。
1 系统工况分析
文中研究的家庭并离网一体光伏发电系统拓扑结构如图1所示。整个系统由光伏组件、锂电池、单相电网、负载以及功率变换器组成。光伏组件（实验系统为175-450 VDC）通过Boost升压变换器形成公共直流母线 （480 VDC），锂电池（160-240 VDC）通过Buck-Boost变换器挂接到公共直流母线上，直流母线通过全桥逆变器将电能馈入单相电网或者独立逆变给负载供电。从图中可以看出，3个变换器都连接到公共直流母线上，从而组成一个典型的直流微网［2-3］。通过控制直流母线电压可以很容易控制直流微网内的功率流动［4］。
系统根据光伏组件输出能量优先满足“自发自用”的原则，确定系统中3个电源的供电优先级次序为：光伏组件、锂电池、电网。即：光伏组件输出功率优先满足用户的自身电力需求；在光伏发电量盈余或者不足的情况下，首先由锂电池来实现功率平衡；当光伏组件和锂电池都达到限制条件时，再由公共电网作为支撑保证供电。通过控制并网开关可以选择系统工作在并网运行模式或孤岛运行模式［5］。采用公共的全桥逆变器，不仅提高了逆变器利用率，而且简化了系统结构，降低成本。
图1 家庭并离网一体光伏发电系统拓扑Fig．1 Topology of domestic grid-connected/stand-alone integrated photovoltaic power system
对于光伏组件输出功率、锂电池荷电状态（State of Charge，SOC）以及锂电池充电功率做如下说明：当光伏组件输出功率（PPV）小于设定最小阀值，即PPV＜PPV_min时认为光伏组件无功率输出，此时光伏侧Boost变换器应当关闭；反之当PPV＞PPV_min时认为光伏组件有功率输出，光伏侧Boost变换器可投入使用。锂电池SOC＞95%时认为电池已充满，电池不宜继续充电；锂电池SOC＜5%时认为电池电量不足，电池不宜继续放电。在实际运行中，电池充电功率（Pbat_charge）会根据光伏输出功率与负载功率（Pload）变化而变化，范围在零到锂电池最大充电功率之间，即 0＜Pbat_charge＜Pbat_charge_max。
首先，根据光伏发电系统是否与电网连接，可以将系统运行模式分为孤岛运行模式和并网运行模式两大类。在孤岛运行模式下，根据光伏组件还是锂电池作为主要供电电源（控制直流母线电压的变换器对应的电源为主要供电电源，另外一个作为辅助供电电源）可以细分为光伏发电工况和电池供电工况［6］。在并网模式下，根据网侧变换器工作在逆变状态还是整流状态，又可以将系统分为并网逆变工况和并网整理工况。综上，本文中系统工况可分为如下4种：
工况I：孤岛运行，光伏发电。此时光伏组件输出功率大于负载功率且锂电池未充满，即PPV＞Pload且SOC＜95%。光伏作为主要供电电源，光伏侧 Boost变换器工作在恒压（Constant Voltage，CV）模式，控制直流母线电压恒定。全桥逆变器工作在独立逆变模式。如果光伏输出功率大于负载功率和锂电池充电功率之和，即PPV＞Pload+Pbat_charge，则电池侧 Buck-Boost变换器工作在Buck模式以控制电池充电；反之若Pload＜PPV＜Pload+Pbat_charge，则Buck-Boost变换器不工作。
工况II：并网运行，网侧变换器逆变。此时光伏组件输出功率大于负载功率，并且锂电池已处于满充状态，即PPV＞Pload且SOC＞95%。全桥逆变器工作在并网模式以控制中间直流母线电压恒定，将盈余的电量回馈给公共电网。光伏侧Boost变换器工作在最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）模式［7］。锂电池侧Buck-Boost变换器不工作。
工况III：孤岛运行，电池供电。此时光伏组件输出功率不足以给负载供电，且锂电池储存有一定电量，即PPV＜Pload且SOC＞5%。锂电池作为主要供电电源，电池侧Buck-Boost变换器工作在Boost模式以控制直流母线电压恒定。全桥逆变器工作在独立逆变模式。若光伏有微弱的功率输出，即PPV_min＜PPV＜Pload，则光伏侧Boost变换器工作在MPPT模式；若光伏无功率输出，即PPV＜PPV_min，则光伏侧Boost变换器不工作。
工况IV：并网运行，网侧变换器整流。此时光伏组件输出功率不足以给负载供电，且锂电池电量不足，即PPV＜Pload且SOC＜5%。全桥逆变器工作在并网模式维持直流母线电压恒定。锂电池侧Buck-Boost变换器工作在Buck模式以控制电池充电直到SOC＞95%为止。若光伏有微弱的功率输出，即PPV_min＜PPV＜Pload，则光伏侧Boost变换器工作在MPPT模式；若光伏无功率输出，即PPV＜PPV_min，则光伏侧Boost变换器不工作。
表 1给出了按照 PPV＜Pload、PPV＞Pload、SOC＞5%、5%＜SOC＜95%、SOC＞95%这5个条件划分的系统运行工况。从表中可以清楚地看出系统运行在某个特定工况下所需具备的条件。
表1 系统工况划分Tab.1 Division of system operation modes
图2给出了家庭并离网一体光伏发电系统的4种工况状态图，从图中可以清楚地看出每种工况下各个变换器的工作模式以及系统中的能量流动方向。
2 工况切换与能量流转分析
在保证供电电源优先级的前提条件下，我们做出如下的工况切换说明。
当系统运行在工况I时，若检测到SOC＞95%，则说明此时锂电池已充满，应将富余的能量馈入电网，即系统由工况I切换到工况II。若检测到PPV＜Pload，则此时光伏输出功率不足以给负载供电，按照供电电源选择次序，应该切换到锂电池供电，即系统由工况I切换到工况III。
当系统运行在工况II时，若检测到PPV＜Pload，则说明光伏组件已没有富余的能量馈入电网，按照供电电源选择次序，应切换到锂电池供电，即系统由工况II切换到工况III。
当系统运行在工况III时，若检测到PPV＞Pload，则说明光伏组件可独立给负载供电，按照供电电源选择次序，应该切换到光伏供电，即系统由工况III切换到工况I。若检测到SOC＜5%，则说明电池电量不足，只能由电网给负载供电，即系统由工况III切换到工况IV。
当系统运行在工况IV时，若检测到PPV＞Pload，则说明光伏组件可独立给负载供电，按照供电电源选择次序，应该切换到光伏供电，即系统由工况IV切换到工况I。
(3)另外通过时区图谱分析还发现,2006-2017年我国老年人运动干预研究领域的焦点沿着体育锻炼—健身气功—体质—骨密度—太极拳—心理健康—风险认知—群众体育—人口老龄化—认知功能—认知老化—体育管理—平衡能力的方向发展，反映出该研究前沿整体上由体育锻炼方式对老年人影响的调查研究转向太极拳、健身气功等特定运动方式对其的实证性研究；由关注老年人的体质状况向心理健康、认知功能和身体素质的转变。随着年龄的增加，老年人不只是身体功能下降，还有心理问题日益增多。近些年颁布有关老年人的文件中，多次提到要重点老年人心理健康水平的发展。
图3描述了系统4种工况之间的转换关系。由图3可知，依据系统功率关系以及电池荷电状态，系统可以在4种工况之间自然切换。
图3中给出了4条工况切换条件，分别为：1）SOC＞95%；2）SOC＜5%；3）PPV＜Pload；4）PPV＞Pload。
图2 家庭并离网一体光伏发电系统工况Fig．2 Operation modes of domesticgrid-connected/stand-alone integrated photovoltaic power system
图3 系统工况转换图Fig．3 System operating modes transition diagram
前两条切换条件可以通过控制器与电池管理系统（Battery Management System，BMS）间的通讯获得数据加以判断。
后两条切换条件在实际中的判断须分为以下几类情况。当系统运行在并网工况时（包括工况II和工况IV），光伏侧Boost变换器工作在MPPT模式，系统可以检测出光伏最大输出功率，从而与负载功率做比较，判断条件是否成立。当系统运行在工况I时，由于光伏侧Boost变换器工作在CV模式，光伏组件最大可输出功率无法测量，此时可以通过检测直流母线电压是否跌落来间接判断条件是否成立（直流母线电压跌落即意味着光伏组件输出功率不足以给负载供电，即PPV＜Pload）。当系统运行在工况III时，Buck-Boost变换器工作在Boost模式，功率只能从电池输出而不能输入，所以PPV＞Pload首先会体现在直流母线电压抬升上，故可以通过检测直流母线电压是否抬升来间接判断PPV＞Pload是否成立。
直流母线电压（Vdc）跌落和抬升的阀值设定十分重要。阀值设置太低，系统可能会由于采样误差和外部扰动发生工况的误切换；阀值设置太高，会使得直流母线电压变化范围过大，降低系统运行稳定性和换流器效率。综合考虑，设定直流母线电压跌落的阀值为 Vdc_min=Vdc_rating（1-10%）（Vdc_rating为直流母线电压额定值）；设定直流母线电压抬升的阀值为Vdc_max=Vdc_rating（1+10%）。即：当Vdc＜Vdc_min时，意味着直流母线电压跌落，条件 PPV＜Pload成立；当 Vdc＞Vdc_max时，意味着直流母线电压抬升，条件PPV＞Pload成立。
最后，为确保以上提出的工况以及能量管理策略能够有效实现，需提出相关功率限制条件：
2）负载侧DC/AC变换器额定功率大于锂电池最大充电功率与负载最大功率之和，从而确保电网能够给负载供电的同时给锂电池充电。
3）负载侧DC/AC变换器额定功率大于光伏最大输出功率，保证电网能够吸纳光伏最大输出功率。
3 实验验证
为验证文中所提出的的能量管理策略的有效性，搭建负载最大功率为5 kW的样机，表2给出实验系统各部分的参数。
表2 家庭并离网一体光伏发电系统组成部分参数Tab.2 Paramtersfor domesticgrid-connected/stand-alone integrated photovoltaic power system
图4（a）给出了工况I下的稳态实验波形。图中光伏组件给负载（纯阻性负载，下同）供电，同时给锂电池充电。直流母线电压Vdc稳定在480 V，逆变器输出电压vo为220 V/50 Hz，负载功率3 kW，锂电池充电功率为2 kW。图4（b）给出了工况II下的稳态实验波形。图中直流母线电压Vdc稳定在480 V，电网电压220 V/50 Hz，并网功率3 kW，并网功率因数为1。图4（c）给出了工况III下的稳态实验波形。图中电池独立给负载供电，直流母线电压Vdc稳定在480 V，逆变器输出电压vo为220 V/50 Hz，负载功率约为5 kW。图4（d）给出了工况IV下的稳态实验波形。图中电网给锂电池充电，直流母线电压Vdc稳定在480 V，锂电池充电电流10 A，充电功率2 kW。
图4 工况实验波形Fig.4 Experimental waveforms under system mode fromI to IV
图5（a）、5（b）为工况I和工况III之间的切换过程图。图5（a）中，切换前系统工作在工况I，此时负载功率为1.5 kW，锂电池充电功率1 kW。从图 5（a）中可以看出，在负载从1 kW突变到3 kW瞬间，通过检测到直流母线电压跌落即Vdc
图5 工况I与工况III切换实验波形Fig.5 Experimental waveforms of system mode switch between I and III
图6（a）、6（b）为逆变器孤岛运行和并网运行之间的切换过程。图6（a）为孤岛运行切换到并网运行实验波形。切换前逆变器独立带载2 kW。由于逆变器在孤岛运行时仍然存在对电网电压的锁相，所以输出电压vo和电网电压vgrid基本保持同步。切换后逆变器输出电压vo和电网电压vgrid完全重合。图6（b）为并网运行切换到孤岛运行实验波形。切换前逆变器并网带载2 kW，逆变器输出电压vo和电网电压vgrid完全重合。综上，在孤岛运行模式与并网运行模式切换过程中，直流母线电压始终维持在480 V，负载端输出电压vo和负载电流iload都没有明显的突变，实现了双模式逆变器的切换，保证负载不间断供电。
图6 孤岛运行工况与并网运行工况切换实验波形Fig．6 Experimental waveforms of system mode switch between stand-alone mode and grid-connected mode
4 结 论
文中提出一种家庭并离网一体光伏发电系统的能量管理策略，其核心是根据光伏组件输出功率、锂电池SOC、负荷情况以及直流母线电压变化情况，合理切换工作模式，确保三组变换器协同工作，实现系统能量管理，保证系统高效稳定运行。最后通过样机验证该能量管理策略的有效性。
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Energy management strategy for domestic grid-connected/stand-alone integrated photovoltaicpower system
YANG Xue-jiao，LI Zheng
（College of Information Science&Technology，Donghua University，Shanghai 201620，China）
Solar photovoltaic power has become an attractive energy supply option as a result of fossil fuel depletion and environment pollution．This paper puts forward an efficient energy management strategy for domestic grid-connected/standalone integrated photovoltaicpower system．The strategy can ensure the stability of the system by changing the work patterns of three inverters according to the variation of photovoltaic output power，battery's SOC and load conditions．Experimental results on a 5kW domestic grid-connected/stand-alone integrated photovoltaicpower system prototype verify the validity of the proposed strategy．
energy management strategy；photovoltaic power；battery storage；inverter
TN307
A
1674－6236（2016）02-0112-05
2015-03-12稿件编号：201503166
杨雪蛟（1988—），男，河北张家口人，硕士研究生。研究方向：分布式发电，电力电子。
