邵帥虎，尹飛洋，李海金

（安徽工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，合肥 243002）

引言

隨著傳統(tǒng)能源日益緊缺及國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略的提出，可再生能源技術(shù)特別是光伏發(fā)電發(fā)展迅速，但光伏發(fā)電裝置存在功率輸出間歇性、不可預(yù)測(cè)性、與用戶負(fù)荷的時(shí)間不匹配等缺點(diǎn)。直流微電網(wǎng)在沒(méi)有接入公共電網(wǎng)情況下，需要儲(chǔ)能電池來(lái)維持系統(tǒng)功率平衡。市面上的儲(chǔ)能器件可分為功率型和能量型兩大類。功率型器件相對(duì)于能量型器件的功率密度更大，響應(yīng)速度更快，但能量密度較小。其代表有超級(jí)電容、飛輪儲(chǔ)能和超導(dǎo)儲(chǔ)能等；能量型儲(chǔ)能器件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力差，循環(huán)次數(shù)有限，以電池儲(chǔ)能、氫儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能較為常見(jiàn)。蓄電池憑借其能量密度高的特性，在儲(chǔ)能系統(tǒng)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。蓄電池與光伏電池結(jié)合使用[1]，能有效解決光伏電池產(chǎn)生的上述問(wèn)題，但其也存在功率密度低、充放次數(shù)有限、壽命短等不足[2]。文獻(xiàn)[3]提出一種鋰離子電池充電策略，容易控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但均衡效率較低。文獻(xiàn)[4]提出一種通過(guò)混合儲(chǔ)能以達(dá)到系統(tǒng)中總線電壓穩(wěn)定效果的控制策略。文獻(xiàn)[5]通過(guò)蓄電池的SOC狀態(tài)對(duì)蓄電池進(jìn)行控制，完成蓄電池充放電，但并未考慮蓄電池停止工作后的備用電源。文獻(xiàn)[6]提出超級(jí)電容與蓄電池混合系統(tǒng)，使二者輸出功率得到合理分配，但極端氣候的出現(xiàn)，可能導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生較大波動(dòng)，甚至斷電。

本文提出了一種以蓄電池為主，超級(jí)電容為輔的儲(chǔ)能系統(tǒng)。與蓄電池相比，超級(jí)電容具有相對(duì)長(zhǎng)的壽命，高功率密度的特點(diǎn)[7]，將二者運(yùn)用在儲(chǔ)能系統(tǒng)中可達(dá)到互補(bǔ)的效果。通過(guò)對(duì)蓄電池SOC 控制，防止蓄電池出現(xiàn)“過(guò)充過(guò)放”。蓄電池和超級(jí)電容采用雙閉環(huán)控制，以保證母線側(cè)的電壓穩(wěn)定。將超級(jí)電容與蓄電池結(jié)合組成儲(chǔ)能電池組，在保證直流負(fù)載正常供給情況下，達(dá)到延長(zhǎng)蓄電池使用年限的目的。

1 光伏直流儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由光伏電池組、DC-DC 變換電路（BOOST 電路）、控制器電路、雙向DC-DC 變換電路（半橋式雙向變換器）、儲(chǔ)能裝置（蓄電池、超級(jí)電容）、保護(hù)電路、直流負(fù)載組成，如圖1所示。光伏電池產(chǎn)生的直流電通過(guò)DC-DC電路升壓后，既可以向直流負(fù)載供電，也可以向儲(chǔ)能電池供電[8]。儲(chǔ)能系統(tǒng)也可以經(jīng)由雙向DC-DC 電路向負(fù)載側(cè)供電。當(dāng)光伏電池輸出功率大于負(fù)載功耗時(shí)，優(yōu)先供給直流負(fù)載，經(jīng)由雙向DC-DC 電路對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)行充電。在光伏電池輸出功率不能滿足負(fù)載功耗時(shí)，由儲(chǔ)能系統(tǒng)和光伏電池共同供給負(fù)載。

圖1 光伏儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)

2 光伏電池控制方法

光伏電池工作時(shí)，內(nèi)電阻值隨著溫度和光照強(qiáng)度的變化在不斷變化，其工作原理可等效為一個(gè)電流大小變化的電流源串聯(lián)一個(gè)阻值大小變化的電阻Rs（光伏電池本身的電阻，阻值較?。?，與電阻Rsh、二極管并聯(lián)，如圖2 所示。調(diào)節(jié)外電路等效電阻阻值大小可以實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大輸出功率，采用MPPT（電導(dǎo)增量法）算法控制DC-DC 電路（BOOST電路）[9]，用以控制外電路的阻值，完成最大功率點(diǎn)的追蹤[10]。

圖2 光伏電池工作等效圖

由基爾霍夫定律可得：

式中：Iph為光生電流，與電池所處溫度光照有關(guān)；q為電子電荷量；U，I分別為光伏電池輸出電壓、電流。A取值為1，K為玻爾茲曼常數(shù)，T為光伏電池?zé)崃W(xué)溫度。

3 雙向DC-DC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

作為光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中一個(gè)重要的單元[11,12]，功率變換器實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能設(shè)施儲(chǔ)存和釋放能量的雙向性流動(dòng)[13]。雙向DC-DC 變換器類似于一個(gè)充電器和放電器的結(jié)合體。雙向DC-DC 變換器主要分為隔離型和非隔離型兩種，蓄電池和超級(jí)電容沒(méi)有絕緣和隔離的需求[14]，本研究選用非隔離型半橋式雙向變換器實(shí)現(xiàn)光伏電池和儲(chǔ)能設(shè)備間的功率轉(zhuǎn)換，如圖（3）所示。該電路有兩種工作情況：

（1）當(dāng)Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷時(shí)。D2起續(xù)流作用，電路處于放電模式，此時(shí)電路為BOOST 電路。電路能量由電池流向直流母線。D為占空比。通過(guò)計(jì)算可得電感電流到輸出的傳遞函數(shù)：

控制信號(hào)到電感電流的傳遞函數(shù)：

（2）當(dāng)Q2導(dǎo)通，Q1關(guān)斷時(shí)。D1起續(xù)流作用，電路處于充電模式，此時(shí)電路為BUCK 電路。電路能量由直流母線流向電池。d為開(kāi)關(guān)函數(shù)。通過(guò)計(jì)算得控制信號(hào)與電池側(cè)電壓傳遞函數(shù)為：

控制信號(hào)與電感電流間傳遞函數(shù)為：

圖3 半橋式雙向變換器

4 電池充放電控制策略

為了延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，減少蓄電池的過(guò)充過(guò)放，對(duì)蓄電池的SOC[15,16]進(jìn)行控制。為了保證直流負(fù)載的穩(wěn)定輸出，加入超級(jí)電容器作為輔助電源。本研究采用以蓄電池為主，超級(jí)電容為輔的電池組。（1）當(dāng)0.1＜SOC＜0.98，由蓄電池進(jìn)行充放電工作。當(dāng)光伏發(fā)電功率不足以供給負(fù)載時(shí)，蓄電池補(bǔ)償負(fù)載需要的能量，進(jìn)入放電模式；當(dāng)光伏發(fā)電功率大于負(fù)載功率時(shí)，光伏電池供給負(fù)載且對(duì)蓄電池充電。（2）當(dāng)SOC≤0.1，如果光伏發(fā)電功率大于負(fù)載功率，光伏電池供給負(fù)載且對(duì)蓄電池充電；如果光伏發(fā)電功率小于負(fù)載功率，由超級(jí)電容補(bǔ)償負(fù)載。（3）當(dāng)SOC≥0.98，如果光伏發(fā)電功率大于負(fù)載功率，光伏電池供給負(fù)載且對(duì)超級(jí)電容充電；如果光伏發(fā)電功率小于負(fù)載功率，由蓄電池補(bǔ)償負(fù)載。如表1 示。為保證直流母線電壓穩(wěn)定，蓄電池和超級(jí)電容充放電都采用雙閉環(huán)控制。圖4為控制框圖。

圖4 雙閉環(huán)控制框圖

表1 不同SOC值對(duì)應(yīng)充放電方式

5 仿真模型搭建

使 用MATLAB/SΙMULΙNK 搭 建 整 體 仿 真 模型。蓄電池和超級(jí)電容的控制電路設(shè)置負(fù)載端電壓為48 V，負(fù)載電阻為6 Ω，蓄電池選用規(guī)格為24 V、50 Ah 的鋰離子電池。超級(jí)電容選用的規(guī)格為200 F、24 V。

6 仿真結(jié)果分析

6.1 MPPT仿真

調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度，在0 s～10 s 左右設(shè)置光照強(qiáng)度為100 W/m2，在10 s～20 s 設(shè)置光照強(qiáng)度為500 W/m2，在20 s～30 s 設(shè)置光照強(qiáng)度為1000 W/m2，得到不同光照強(qiáng)度下光伏電池的仿真輸出功率波形圖，如圖5 示。從圖5 可以得到在上述光照強(qiáng)度下光伏電池的最大輸出功率分別約為：100 W、560 W、1080 W。圖6為光伏電池自帶的最大功率（功率-電壓）曲線圖。圖8的功率-電壓波形圖中可以驗(yàn)證光伏電池的最大輸出功率點(diǎn)與仿真得到的最大輸出功率點(diǎn)相符。

圖5 不同光照強(qiáng)度下的最大功率輸出

圖6 光伏電池的輸出功率-電壓曲線圖

6.2 雙閉環(huán)電路控制仿真

該系統(tǒng)絕大部分時(shí)間是在蓄電池運(yùn)行下工作的，設(shè)置蓄電池SOC 值為50%（處于10%到98%之間），此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)由蓄電池與母線側(cè)進(jìn)行能量交換。將不同時(shí)間下的光照強(qiáng)度分別設(shè)置為：200 W/m2、500 W/m2、800 W/m2、1000 W/m2、600 W/m2、300 W/m2，如圖7 所示。負(fù)載側(cè)的電壓如圖8 所示，在光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，負(fù)載側(cè)電壓產(chǎn)生一個(gè)短暫的波動(dòng)后穩(wěn)定在48 V。仿真驗(yàn)證了雙閉環(huán)控制能有效穩(wěn)定負(fù)載側(cè)電壓。

圖7 不同時(shí)間下的光照強(qiáng)度

圖8 負(fù)載側(cè)的電壓波形

6.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電控制仿真

在光伏電池輸出功率大于負(fù)載側(cè)功耗情況下，光伏電池對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)充電；系統(tǒng)在蓄電池SOC 不到98%時(shí)，優(yōu)先對(duì)蓄電池充電；系統(tǒng)在蓄電池SOC 達(dá)到98%后，為保護(hù)蓄電池，停止對(duì)蓄電池充電，轉(zhuǎn)而向超級(jí)電容充電。設(shè)置光照強(qiáng)度為1000 W/m2、蓄電池SOC 為97.8%，光伏電池輸出功率大于母線側(cè)負(fù)載功耗，系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)蓄電池充電，如圖9所示。在28 s 左右蓄電池SOC 至98%，如圖10 所示，此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)停止對(duì)蓄電池充電，開(kāi)始對(duì)超級(jí)電容充電，超級(jí)電容的SOC值逐步攀升，如圖11所示。

圖9 充電時(shí)蓄電池的電流波形

圖10 蓄電池的SOC波形

圖11 超級(jí)電容的SOC波形

在光伏電池輸出功率小于負(fù)載側(cè)功耗情況下，儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)負(fù)載側(cè)供電；系統(tǒng)在蓄電池SOC 大于10%時(shí)，優(yōu)先對(duì)負(fù)載側(cè)供電；系統(tǒng)在蓄電池SOC 達(dá)到10%后，為保護(hù)蓄電池，停止蓄電池供電，轉(zhuǎn)而由超級(jí)電容供電。設(shè)置光照強(qiáng)度為200 W/m2、蓄電池SOC 為10.1%，此時(shí)光伏電池輸出功率小于母線側(cè)負(fù)載功耗，儲(chǔ)能系統(tǒng)開(kāi)始向負(fù)載側(cè)供電，如圖12 所示。在17 s 左右蓄電池SOC 至10%，如圖13 所示，蓄電池停止向負(fù)載側(cè)供電，開(kāi)始由超級(jí)電容向負(fù)載側(cè)供電，超級(jí)電容的SOC 值逐步下降，如圖14所示。

圖12 放電時(shí)蓄電池的電流波形

圖13 蓄電池的SOC波形

圖14 超級(jí)電容的SOC波形

7 結(jié)論

光伏電池的輸出具有較大的不穩(wěn)定性和隨機(jī)性，為了維持負(fù)載端的電壓穩(wěn)定，本研究根據(jù)超級(jí)電容和蓄電池這兩者之間互補(bǔ)的特性，提出了一種以蓄電池為主，超級(jí)電容器為輔的儲(chǔ)能系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可以防止蓄電池出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放的狀態(tài)，也可以維持直流負(fù)載的電壓不變，達(dá)到保護(hù)蓄電池和保證穩(wěn)定輸出電壓的目的。通過(guò)MATLAB/SΙMULΙNK 仿真模型證明了提出的儲(chǔ)能電池控制策略的可行性。