基于新能源发展趋势下的光伏储能控制系统设计

南京国联电力工程设计有限公司 胡智颖

1 引言

我国新能源产业在国家政策的扶持下，发展势头日益强劲，尤其在光伏发电方面，已初具规模。但是，在光伏发电系统中，由于其自身的不确定因素，会给电网带来较大的干扰[1]。直接并网将产生较大的谐波污染，对电力系统产生不利影响。因此，对光伏发电功率的波动进行有效的控制是非常有必要的。根据新能源的发展趋势，本文对光伏储能控制系统设计方法进行了研究，与中小规模的分散式、离网式的光伏发电系统相比较，是一种新型的电力资源管理方式，在能源管理模式方面有较大发展，使其智能化水平得到了较大提升。

2 基于新能源发展趋势下的光伏储能控制系统结构设计

在光伏储能控制系统中，其输出功率的控制方式是最大功率跟踪方式，而非功率调整方式。因此，在光伏储能控制系统中，光伏发电既可以平衡发电的有功，又可以满足本地电网负荷的局部无功需求。

2.1 全桥双向变换器

基于新能源发展趋势下的光伏储能控制系统中，按其拓扑结构的不同，可以划分为电压式和电流式两种。在一级电能变换环节，电流型转换器的功率比电压型转换器要小，更适用于配电系统。为此，设计了一种全桥双向变流器。

全桥双向变流器主要承担着两路总线和电网或负荷之间能量的双向传递，以及最大功率的追踪[2]。在开关开启的时候，电感器会把电能储存起来。在关机状态下，感应器所放出的电能与供电能量相叠加，从而实现了对电压的提升。在最大功率追踪阶段，对各循环的实时功率进行了连续的计算，并与以前的循环进行了对比。根据这一点，持续地调节工作循环，直至达到最大功率。在最大功率追踪时，将光伏电池板等效为一个电流源和一个电阻器并联的模式，并用后级全桥电路实现了总电压的稳定在400V 左右[3]。

DC/AC 交流逆变器采用PWM 全桥结构，各桥臂分别为N 型IGBT 和反向并联二极管。通过交流侧添加的平衡电压，能够起到滤波、支持无功、存储平衡电感器的稳定工作。在光伏储能系统中，全桥是对电网和汇流进行双向控制的。在电网运行或光伏并网的情况下，将母线的电能传输至负载和并网。在这种情况下，全桥式结构就像一个逆变器，但是，在没有光电输入的情况下，电能由电网向母线方向输送，再由BMS 线路给蓄电池充电，这种情况下，全桥双向变流器起到整流电路的作用。

2.2 滤波器

由于采用SPWM 调制的全桥双向转换器，在接近切换频率时会出现特性谐波。在PWM 调制过程中，需要加入LC 滤波，以滤掉接近切换频率的高阶谐波。在设计中，切换频率是126次标称。LC滤波器必须对谐波进行有效的控制，以确保基本频率的增益[4]。LC 滤波器电感电容参数是由下列条件所限制的：一是尽量减少由电感造成的基波电压损失；二是尽量减少电容中的基波电流；三是由电感、电容构成的串联共振频率，要尽可能地远离逆变器的低阶谐波和接近于切换频率处的高阶谐波。此外，由于LC 滤波器容易发生振动，因此可以采用一种小阻尼电阻器对其进行抑制。

2.3 蓄电池

用不同的控制器来控制太阳能和蓄电池的充电和放电，这些设备采用SPI 接口进行通讯，能够有效地避免某些线路的破坏和干扰，从而提高系统的反应能力。在此系统中，前端采用了升压结构，以达到最大功率追踪和最大功率输出。后期采用全桥线路，可实现脱网供电；电池充满电时，可向电网传输电能，达到并网的目的；最后，在光照强度不足时，全桥可对电网进行整流，在电量不足时为蓄电池充电。蓄电池充电/放电电路一头与蓄电池相连，而另一头则与母线相连，蓄电池充电电路采用了移相全桥结构，使蓄电池的电压降低到蓄电池的充电电压，在蓄电池放电的时候，采用推挽型结构来提升电压，给母线提供能量。

2.4 主控模块

系统的主控电路采用了“瑞萨+DSP”的双重控制模式，瑞萨微单片机负责对电池的充电和放电进行控制，DSP 芯片则对光伏储能电池的最大功耗进行跟踪，并对直流/交流转换进行控制。主控模块结构如图1所示。

图1 主控模块结构

由图1可知，系统的主要功能是对来自母线电压、母线电流、负载电压、负载电流等信息进行处理和收集。采样电路采用精确的电阻分压，并进行运算放大器放大，通过采集数据来决定电流工作方式，并对驱动信号进行控制。该主控电路除了对采集电路、驱动信号进行保护之外，还提供过温、过电压、过电流等保护功能。

3 基于新能源发展趋势下的光伏储能控制系统方案设计

3.1 光伏储能工作模式选择

光伏储能控制系统的主要作用是采集变换主电路中的各重要环节的电压、电流，并向DSP、瑞萨等信号进行反馈，实现对主控制回路的控制，达到相应的性能指标。对于光伏储能工作模式选择，首先对各个模块进行了设计，包括前端最大功率控制模块的设计、全桥并网算法的设计以及充放电的软件设计。

在光伏储能控制系统中，运行方式的调整与转换是整个系统的核心问题。光伏储能控制系统的工作模式主要取决于外部连接器的不同，可分为两个步骤：第一个步骤是判断控制中心有没有探测到电网。在发现有电网接入的情况下，系统将进入并网运行状态，反之则处于脱网运行状态；第二个步骤是根据光伏输入、电池和电网负荷的不同，选取工作模式。

3.2 基于新能源发展趋势下的光伏储能控制策略

在正常运行时，由于光伏发电受有功、电流等因素的影响，使电网中的负载节点电压出现了一定的波动，这与电力系统的运行要求不一致。另外，在电网出现暂态接地或投切时，会引起短期电压的骤降，从而影响到使用者的工作与生活，这两种情况都要求对负荷节点的电压波动和电压降低进行改善。

3.2.1 外环控制

为了适应本地负载的要求，必须利用光伏储能装置的输出功率，以平衡光伏发电系统的波动和局部负载之间的差异。在光伏储能控制过程中，由于电力系统的功率因素控制，局部负荷也存在着一定的随机性和波动。无论在何种条件下，只要发电设备的有功、无功均能达到电力均衡，那么所输出的电力就可以满足负荷要求，使系统的电力始终处于均衡状态，并使节点电压不变。

3.2.2 内环控制

为了适应电力系统的局部负载需求，需要采用光伏储能控制电池的输出功率，以达到平衡系统动态变化的目的。根据变流器的具体工作模式，产生了开关器件的脉冲信号，使变流器的交流侧电流幅值和跟踪目标值，达到内环控制的要求，即在象限内达到调节有功和无功功率的目的。内环控制策略如图2所示。

图2 内环控制策略

由图2可知，光伏储能控制系统的主要特点是：一是通过外环输入的有功功率、无功功率，通过超导线圈交流侧的电压幅度、电流值，求出调制交流侧的相位角；二是通过变频电源的AC 端电压相位，生成正弦调制波形和触发型信号；三是通过正弦调制和三角波载波信号，生成已调制的脉冲，该调制脉冲信号是从触发模式信号中确定的。

3.2.3 输出控制

综合考虑系统的控制误差，提出了一种以功率命令为基础的输出控制方法。利用常规的升压电路对光伏控制器进行功率控制，利用微机的电压与电流侦测光电组件，采用电压干扰来决定最佳的方向，并确定基准电压，由此控制最大的光伏储能控制系统所能消耗的最大电量。当蓄能电池接近满负荷且光伏发电功率超过负载要求时，对其输入进行限制，发现在光伏输出特性曲线上的指令来确定电压区间。然后，减小步长缩小区间范围，在有限的反复迭代后，当步长低于一定的阈值时，就可以确定功率点的位置。

通过各个光电单元输出级的协同工作，可以实现以下几个方面的功能：一是确保母线电压在某一特定的范围内，达到负荷要求；二是实现组串间的下垂控制；三是按照指令，实现串联各PBU 间的出力控制；四是利用载波偏移来降低电感纹波。

并联组串下垂控制。在光伏储能控制系统中，为了达到对系统输出功率的控制，必须采取相应的控制策略。在此基础上，本文提出一种并联组串的下垂控制方法，引入了串联输出指数的概念，并给出了一种具有可控功率分布的下垂控制方案。当负荷增大时，母线的电压会发生下降，并与虚阻抗呈线性关系。因此，要保证系统的压降不超出容许范围，就必须满足变流器的最大输出功率、输出端电压下降不超出其容许极限时的虚阻抗选择。

组串各个单元的功率控制。光伏储能控制器通过调整各PBU 的工作循环，实现对各PBU 的串行输出功率的分配。蓄电池的电压波动较小，与频率控制时的电压基本相同。通过对各信道的工作循环进行控制，可以实现脉冲宽度的调制。在上位机调度系统中，根据各个串口的总能量均衡，产生各个串口的输出指令，而在电池组中，各个PBU 的输出指令则是针对电池组的能量均衡而产生的。

该系统根据输出电流生成相关指令，调整串行的输出电压，从而达到组串间功率的分配。采用双闭环实现组串的电压控制，将电压外环与实际值相比较，调整串电压指令值，从而获得目前的出力指令。经PI调整，将其与实测值进行对比，得出了调制电压。通过对各个分配单元输出命令的调整，计算出各个信道的工作时间，从而实现对各个分配单元的输出控制。

4 结语

根据新能源发展的需要，本文提出了一种光伏储能控制系统，该系统具有模块式组合、模块化控制的特点，能够在任意光照情况下最大限度地发挥其优势，并对其工作原理及控制策略进行了分析。针对光伏储能控制系统的工作特点及输出特点，建立了光伏储能控制系统的硬件结构，并对其相应的控制方式进行了详细研究。该系统具有较高的充放电效率和较快的响应速度，有效地解决了由于外界因素、不能调整、不能满足负载要求等问题。同时，光伏储能控制系统能够有效地降低母线的电压波动，使其在多种干扰条件下能够正常工作。