直流光伏储能系统控制策略研究

邵帅虎，尹飞洋，李海金

（安徽工业大学 能源与环境学院，合肥 243002）

引言

随着传统能源日益紧缺及国家“双碳”战略的提出，可再生能源技术特别是光伏发电发展迅速，但光伏发电装置存在功率输出间歇性、不可预测性、与用户负荷的时间不匹配等缺点。直流微电网在没有接入公共电网情况下，需要储能电池来维持系统功率平衡。市面上的储能器件可分为功率型和能量型两大类。功率型器件相对于能量型器件的功率密度更大，响应速度更快，但能量密度较小。其代表有超级电容、飞轮储能和超导储能等；能量型储能器件的动态响应能力差，循环次数有限，以电池储能、氢储能和压缩空气储能较为常见。蓄电池凭借其能量密度高的特性，在储能系统领域得到了广泛的应用。蓄电池与光伏电池结合使用[1]，能有效解决光伏电池产生的上述问题，但其也存在功率密度低、充放次数有限、寿命短等不足[2]。文献[3]提出一种锂离子电池充电策略，容易控制，结构简单，但均衡效率较低。文献[4]提出一种通过混合储能以达到系统中总线电压稳定效果的控制策略。文献[5]通过蓄电池的SOC状态对蓄电池进行控制，完成蓄电池充放电，但并未考虑蓄电池停止工作后的备用电源。文献[6]提出超级电容与蓄电池混合系统，使二者输出功率得到合理分配，但极端气候的出现，可能导致系统产生较大波动，甚至断电。

本文提出了一种以蓄电池为主，超级电容为辅的储能系统。与蓄电池相比，超级电容具有相对长的寿命，高功率密度的特点[7]，将二者运用在储能系统中可达到互补的效果。通过对蓄电池SOC 控制，防止蓄电池出现“过充过放”。蓄电池和超级电容采用双闭环控制，以保证母线侧的电压稳定。将超级电容与蓄电池结合组成储能电池组，在保证直流负载正常供给情况下，达到延长蓄电池使用年限的目的。

1 光伏直流储能系统结构

本系统由光伏电池组、DC-DC 变换电路（BOOST 电路）、控制器电路、双向DC-DC 变换电路（半桥式双向变换器）、储能装置（蓄电池、超级电容）、保护电路、直流负载组成，如图1所示。光伏电池产生的直流电通过DC-DC电路升压后，既可以向直流负载供电，也可以向储能电池供电[8]。储能系统也可以经由双向DC-DC 电路向负载侧供电。当光伏电池输出功率大于负载功耗时，优先供给直流负载，经由双向DC-DC 电路对储能电池进行充电。在光伏电池输出功率不能满足负载功耗时，由储能系统和光伏电池共同供给负载。

图1 光伏储能发电系统

2 光伏电池控制方法

光伏电池工作时，内电阻值随着温度和光照强度的变化在不断变化，其工作原理可等效为一个电流大小变化的电流源串联一个阻值大小变化的电阻Rs（光伏电池本身的电阻，阻值较小），与电阻Rsh、二极管并联，如图2 所示。调节外电路等效电阻阻值大小可以实现光伏电池的最大输出功率，采用MPPT（电导增量法）算法控制DC-DC 电路（BOOST电路）[9]，用以控制外电路的阻值，完成最大功率点的追踪[10]。

图2 光伏电池工作等效图

由基尔霍夫定律可得：

式中：Iph为光生电流，与电池所处温度光照有关；q为电子电荷量；U，I分别为光伏电池输出电压、电流。A取值为1，K为玻尔兹曼常数，T为光伏电池热力学温度。

3 双向DC-DC电路拓扑结构

作为光伏储能系统中一个重要的单元[11,12]，功率变换器实现了储能设施储存和释放能量的双向性流动[13]。双向DC-DC 变换器类似于一个充电器和放电器的结合体。双向DC-DC 变换器主要分为隔离型和非隔离型两种，蓄电池和超级电容没有绝缘和隔离的需求[14]，本研究选用非隔离型半桥式双向变换器实现光伏电池和储能设备间的功率转换，如图（3）所示。该电路有两种工作情况：

（1）当Q1导通，Q2关断时。D2起续流作用，电路处于放电模式，此时电路为BOOST 电路。电路能量由电池流向直流母线。D为占空比。通过计算可得电感电流到输出的传递函数：

控制信号到电感电流的传递函数：

（2）当Q2导通，Q1关断时。D1起续流作用，电路处于充电模式，此时电路为BUCK 电路。电路能量由直流母线流向电池。d为开关函数。通过计算得控制信号与电池侧电压传递函数为：

控制信号与电感电流间传递函数为：

图3 半桥式双向变换器

4 电池充放电控制策略

为了延长蓄电池的使用寿命，减少蓄电池的过充过放，对蓄电池的SOC[15,16]进行控制。为了保证直流负载的稳定输出，加入超级电容器作为辅助电源。本研究采用以蓄电池为主，超级电容为辅的电池组。（1）当0.1＜SOC＜0.98，由蓄电池进行充放电工作。当光伏发电功率不足以供给负载时，蓄电池补偿负载需要的能量，进入放电模式；当光伏发电功率大于负载功率时，光伏电池供给负载且对蓄电池充电。（2）当SOC≤0.1，如果光伏发电功率大于负载功率，光伏电池供给负载且对蓄电池充电；如果光伏发电功率小于负载功率，由超级电容补偿负载。（3）当SOC≥0.98，如果光伏发电功率大于负载功率，光伏电池供给负载且对超级电容充电；如果光伏发电功率小于负载功率，由蓄电池补偿负载。如表1 示。为保证直流母线电压稳定，蓄电池和超级电容充放电都采用双闭环控制。图4为控制框图。

图4 双闭环控制框图

表1 不同SOC值对应充放电方式

5 仿真模型搭建

使 用MATLAB/SΙMULΙNK 搭 建 整 体 仿 真 模型。蓄电池和超级电容的控制电路设置负载端电压为48 V，负载电阻为6 Ω，蓄电池选用规格为24 V、50 Ah 的锂离子电池。超级电容选用的规格为200 F、24 V。

6 仿真结果分析

6.1 MPPT仿真

调节光照强度，在0 s～10 s 左右设置光照强度为100 W/m2，在10 s～20 s 设置光照强度为500 W/m2，在20 s～30 s 设置光照强度为1000 W/m2，得到不同光照强度下光伏电池的仿真输出功率波形图，如图5 示。从图5 可以得到在上述光照强度下光伏电池的最大输出功率分别约为：100 W、560 W、1080 W。图6为光伏电池自带的最大功率（功率-电压）曲线图。图8的功率-电压波形图中可以验证光伏电池的最大输出功率点与仿真得到的最大输出功率点相符。

图5 不同光照强度下的最大功率输出

图6 光伏电池的输出功率-电压曲线图

6.2 双闭环电路控制仿真

该系统绝大部分时间是在蓄电池运行下工作的，设置蓄电池SOC 值为50%（处于10%到98%之间），此时储能系统由蓄电池与母线侧进行能量交换。将不同时间下的光照强度分别设置为：200 W/m2、500 W/m2、800 W/m2、1000 W/m2、600 W/m2、300 W/m2，如图7 所示。负载侧的电压如图8 所示，在光照强度发生变化时，负载侧电压产生一个短暂的波动后稳定在48 V。仿真验证了双闭环控制能有效稳定负载侧电压。

图7 不同时间下的光照强度

图8 负载侧的电压波形

6.3 储能系统充放电控制仿真

在光伏电池输出功率大于负载侧功耗情况下，光伏电池对储能系统充电；系统在蓄电池SOC 不到98%时，优先对蓄电池充电；系统在蓄电池SOC 达到98%后，为保护蓄电池，停止对蓄电池充电，转而向超级电容充电。设置光照强度为1000 W/m2、蓄电池SOC 为97.8%，光伏电池输出功率大于母线侧负载功耗，系统开始对蓄电池充电，如图9所示。在28 s 左右蓄电池SOC 至98%，如图10 所示，此时储能系统停止对蓄电池充电，开始对超级电容充电，超级电容的SOC值逐步攀升，如图11所示。

图9 充电时蓄电池的电流波形

图10 蓄电池的SOC波形

图11 超级电容的SOC波形

在光伏电池输出功率小于负载侧功耗情况下，储能系统对负载侧供电；系统在蓄电池SOC 大于10%时，优先对负载侧供电；系统在蓄电池SOC 达到10%后，为保护蓄电池，停止蓄电池供电，转而由超级电容供电。设置光照强度为200 W/m2、蓄电池SOC 为10.1%，此时光伏电池输出功率小于母线侧负载功耗，储能系统开始向负载侧供电，如图12 所示。在17 s 左右蓄电池SOC 至10%，如图13 所示，蓄电池停止向负载侧供电，开始由超级电容向负载侧供电，超级电容的SOC 值逐步下降，如图14所示。

图12 放电时蓄电池的电流波形

图13 蓄电池的SOC波形

图14 超级电容的SOC波形

7 结论

光伏电池的输出具有较大的不稳定性和随机性，为了维持负载端的电压稳定，本研究根据超级电容和蓄电池这两者之间互补的特性，提出了一种以蓄电池为主，超级电容器为辅的储能系统。该系统既可以防止蓄电池出现过充、过放的状态，也可以维持直流负载的电压不变，达到保护蓄电池和保证稳定输出电压的目的。通过MATLAB/SΙMULΙNK 仿真模型证明了提出的储能电池控制策略的可行性。