基于三端口虚拟MPPT的直流耦合储能变换器控制策略研究

詹国敏，肖遥，张弘，赵兴国

(江苏辉伦太阳能科技有限公司，南京 210000)

0 引言

最近5年，光伏发电技术广泛应用，装机容量迅速扩大，特别是在各国政府大力补贴促进下，家庭户用光伏实现跨越式发展。但是光伏新能源受天气影响存在发电间歇性和不可控性。在没有储能功能前，大规模直接并入电网，带来了很大的冲击，影响了电网的稳定运行。同时由于家庭户用的负载特性和光伏发电在时间上不一致，造成电网的新能源消纳问题。加入储能环节，可以平滑光伏发电输出，移峰填谷，大幅提高自发自用效率［1］。

基于三端口虚拟MPPT的直流耦合储能变换器，直接串联在现有的光伏组件阵列和光伏逆变器之间，将光伏组件输出能量全部存储在锂电池中，然后系统输出实时跟踪负载功率，实现零能耗住宅系统［2］。与传统直流耦合系统相比，成本低，灵活性好，无须改变现有光伏系统设备［3］。与传统交流耦合系统相比，成本更低，效率更高。用户白天负载比较少，晚上比较多，白天光伏发电需要储存起来晚上再用，光伏组件通过三端口虚拟最大功率点跟踪太阳能控制器(MPPT)的直流耦合储能变换器把电储存到蓄电池，效率可达97%以上。传统交流耦合系统，光伏先要通过逆变器变成交流电，再通过双向变流器变成直流电，效率会降到90%左右［4］。同时带有离网输出功能的逆变器配合三端口虚拟MPPT的直流耦合储能变换器，具有持续稳定的不间断电源(UPS)备电备灾功能。

对并网要求苛刻的国家，如日本，可以有效规避传统交流耦合系统所需的复杂JET认证，极大地满足市场需求。

1 三端口虚拟MPPT的直流耦合储能变换器拓扑结构

基于三端口虚拟MPPT的直流耦合储能变换器拓扑结构如图1所示，具有1个MPPT输入模块101，输入电压端子是PV+，PV－;1个虚拟 MPPT输出模块102，输出端子是INV+，INV－;1个150 V高压电池端口BAT+，BAT－。MPPT输入模块101采用降压补偿(BUCK)电路实现对原有组件阵列的MPPT跟踪，将能量存储在150 V高压锂电池中。虚拟MPPT输出模块102采用升压(BOOST)电路模拟输出原有组件阵列电压，使输出电压具有组件的光伏(PV)特性和安伏(IV)特性。

图1 三端口虚拟MPPT的直流耦合储能变换器拓扑结构Fig.1 Topology of a DC-coupled energy storage converter based on three-port virtual MPPT

白天光照充沛时，三端口虚拟MPPT的直流耦合储能变换器前级BUCK电路实现降压MPPT控制，对锂电池组充电。后级BOOST电路根据负载变化实时输出相应的功率，保证从电网获取的能量为0，此时锂电池放电。前后级控制环路相互对立解耦，极大地降低控制难度。

2 前级MPPT控制策略研究

基于三端口虚拟MPPT的直流耦合储能变换器的前级是1个BUCK电路，输入接光伏组件阵列，输出接锂电池，锂电池等效为恒压源与电阻串联结构。开关模型如图2所示。

选取电感电流iL和电容电压uC12做状态量，得到状态方程

图2 前级BUCK电路开关模型Fig.2 Front-end BUCK circuit switch model

其中

同时 x= ［iL1，uC12］T，u= ［ui，uo］T，

可以得到

考虑系统的扰动，直流量加扰动交流量［6］，即

最终得到

其中，A=D A1+(1 － D)A2，B=D B1+(1 － D)B2。

假定^u=0，进行拉氏变换，于是可以得到

最终得到电感电流和输出电容电压的传递函数

BUCK电路输入电压Ui=400 V，滤波电感L1=1 mH，滤波电容 C12=820μF×4=3 280μF，锂电池内阻R=50 mΩ，可以得到传递函数

开环BODE图如图3所示，可见系统是稳定的，相位裕度和增益裕量满足稳定要求，不需要补偿。

图3 直流耦合储能变换器前级BODE图Fig.3 BODE diagram of the front-end DC-coupled energy storage converter

控制直接执行MPPT算法，给定光伏组件输出电压，与光伏组件输出电压做比较，经过比例积分(PI)算法生成占空比，控制BUCK电路。

3 后级MPPT控制策略研究

基于三端口虚拟MPPT的直流耦合储能变换器的后级是一个BOOST电路，输入接锂电池正负极，输出接光伏逆变器PV输入端口，开关模型如图4所示。

图4 后级BOOST电路开关模型Fig.4 Back-end BOOST circuit switch model

3.1 锂电池到虚拟MPPT端口传递函数

选取电感电流iL2和电容电压uC2做状态量，得到状态方程

其中

同时 x= ［iL2uC2］，u= ［ubat］。

可以得到

考虑系统的扰动，直流量加扰动交流量［6］，即d(t)=D+d^(t)，u(t)= ［ubat］，x(t)=X+^x(t) ，忽略二阶项，最终得到

其中，A=D A1+(1 － D)A2，B=D B1+(1 － D)B2，进行拉氏变换，可以得到

其中

BOOST电路输入电压Ubat=150 V，滤波电感L2=1 mH，滤波电容C2=820μF×4=3280μF，输出功率6 kW，输出电压300 V，负载等效阻抗 RL=15Ω，输出占空比0.5，可以得到传递函数

3.2 补偿网络设计

后级虚拟MMPT控制输出反馈控制系统如图5所示，Gvd(s)是占空比d(s)到UC2的传递函数，H(s)是反馈系数，Gc(s)是补偿网络传递函数，Gm(s)是PWM脉宽调制的传递函数。

图5 直流耦合储能变换器后级控制Fig.5 Back-end control of the DC-coupled energy storage converter

H(s) 反馈系数为1，Gm(s)=1/Vm，Vm是 PWM调制器中的锯齿波幅值，这里取10。无补偿开环传递函数

直流耦合储能变换器后级未补偿BODE图如图6所示。

图6中，系统的相位裕度为负，增益裕量也不满足要求，一般要求相位裕度大于45°，增益裕量大于10 dB。因此需要加入补偿网络Gc(s)，提高系统的相位裕度和增益裕量［8］。

选择超前滞后系统为补偿网络。因为原函数G0(s)有2个相似的极点，并且极点频率是，我们将补偿网络的2个零点设计在原始回路极点的0.5倍处［9］，即

原始回路有零点，则

图6 直流耦合储能变换器后级未补偿BODE图Fig.6 Back-end uncompensated BODE diagram of the DC-coupled energy storage converter

补偿传递函数

经过补偿后的开环BODE图如图7所示，相位裕度和增益裕量满足设计要求。

图7 直流耦合储能变换器后级补偿BODE图Fig.7 Back-end compensated BODE diagram of the DC-coupled energy storage converter

3.3 参考指令控制

图8 为控制并网功率为零时P*的计算方法，即采集并网点的电流值，并计算有功功率，通过PI调节器后输出作为P*，最终保持并网点功率为零［10］。

采集锂电池输出到BOOST电路的电流I2，执行电流闭环控制，其中电流的给定值I2*采用模拟PV算法得到：

图8 补偿参考功率计算流程Fig.8 Reference compensation power calculation process

内置默认的光伏PV，IV曲线如图9所示。

图9 内置默认虚拟MPPT曲线Fig.9 Built-in default virtual MPPT curves

4 仿真验证

利用MATLAB软件对基于三端口虚拟MPPT的直流耦合储能变换器运行策略仿真，结果如图10所示。

图10中波形分别对应PV组件阵列的输出功率、锂电池的充放电电流(充电为负，放电为正)、电网并网电流。负载从0 s时开始投入20Ω电阻，0.6 s时候再投入20Ω电阻。

图10 直流耦合储能变换器仿真运行曲线Fig.10 Simulation curves of the DC-coupled energy storage converter

从0 s开始，直流耦合储能变换器开始执行MPPT算法，将PV组件电能存储到锂电池中。0.1 s开始补偿系统并网电流，补偿效果良好，保证不从电网获取能量。0.4 s时PV组件光照辐照度从1 000 W/m2降低到500 W/m2，组件输出功率骤降;0.6 s时刻再投入一个20Ω电阻，跟踪补偿负载电流，保证从系统取电能为0。

5 实验验证

现场一别墅原配有10 kW的光伏逆变器，将基于三端口虚拟MPPT的直流耦合储能变换器，直接串联在现有的光伏组件阵列和光伏逆变器之间。直流耦合储能变换器电气参数见表1［15］。负载有变频空调、冰箱、电热水壶、微波炉、照明等。实际运行效果如图11所示。

实时补偿电网电流，光伏逆变器可以24 h不间断工作。上方的波形是电网输入电流波形，下方的波形是负载电流波形。当储能逆变器夜间投入时候，电网电流补偿为0，不从电网获取能量。

表1 直流耦合储能变换器电气参数Tab.Electric parameters of the DC-coupled energy storage converter

图11 直流耦合储能变换器运行波形Fig.11 Waveform of the DC-coupled energy storage converter

6 结论

本文介绍的基于三端口虚拟MPPT的直流耦合储能变换器，是光伏板和光伏逆变器之间的能量匹配和调节装置。基于电网的智能化发展趋势，加入储能环节，解决了光伏板和现有光伏逆变器之间能量的供需矛盾，有效平衡昼夜发电和用电差异，最大限度地增大光伏板发电量，提高光伏板利用率。同时匹配现有光伏逆变器输入侧需求，全天候地满足光伏逆变器输出侧的用电需求。白天利用光伏板发电，满足逆变器能量需求的同时将多余电量存在电池中，夜间电池中的电能给逆变器使用。该机型支持多机并联运行，可根据需求灵活扩容，满足更大功率等级的用电需求。