光伏发电储能系统中的双向直流变换器设计应用研究

宋 益，李熙芸，亢雅博

(1.广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004；2.广西电网有限责任公司南宁供电局， 广西 南宁 530000；3.辽宁省送变电工程有限公司，辽宁 沈阳 110021)

由于对传统能源枯竭及环保意识认识的提高，电力系统向分布式发电方向发展[1-2]。由于光伏等分布式发电的随机性，能源存储技术被认为是未来的核心研究领域，特别是电池储能系统,像一个特殊的银行，可以储存电力，并作为电源。由于电能具有实时性，很难使输出电压保持在预定的范围内。因此，储能系统发挥了重要的作用。当分布式发电系统波动较大时，若有储能电池及时放电，即可保证系统的安全性和可靠性[3]。

传统的太阳能光伏发电采用直接并网或直供离网负荷的方式运行，但由于电能的实时性，一般情况下，会出现供大于求或供不应求的缺陷。针对这一问题，本文在光伏发电系统与负荷之间连接一个储能电池，通过双向直流变换器来控制电池的充放电，以达到提高能源利用率的目的。

1 光伏发电

1.1 基本电路

太阳能光伏组的等效电路如图1所示。

经分析，等效电路中理想的光伏发电组模型的输出电流可以确定为

I=Iph-ID-Ish

(1)

1.2 光伏发电组参数

在光伏发电组中，主要有4个参数：短路电流Isc，开路电压Uoc，峰值电流Im，峰值电压Um。当环境发生改变时，光伏发电组的输出参数也随之

图1 太阳能光伏组等效电路

改变，表示为

Uoc_new=Uoc(1-c·ΔT)(1+b·ΔS)

(2)

(3)

Um_new=Um(1-c·ΔT)(1+b·ΔS)

(4)

(5)

式中：S为光照强度；Tref为温度标准值，取25 ℃；Sref为光照强度标准值，取1 000 W/m2；ΔT为温度的变化值；ΔS为光照强度的变化值；a，b，c分别代表经典值，a=0.002 5 ℃，b=0.5，c=0.002 8 ℃。

2 最大功率追踪(MPPT)

最大功率追踪是太阳能光伏发电系统中一个重要的组成部分，其目的在于使太阳能的利用率达到最大化，减少损耗。最大功率追踪有很多方法可以实现，本文采用扰动观察(P&O)法。

2.1 扰动观察法原理

扰动观察法是一个自行寻找最优解的最大功率追踪方法，其实现基于光伏发电组的P-U输出关系[4]。其基本原理：读取一个时刻光伏发电组的输出功率，设为P1；下一时刻，再读取另一输出功率，设为P2。比较P1和P2的大小，取较大值。再取一时刻的输出功率，设为P3，与上一较大值比较，取二者中较大值。以此类推，反复比较，某一时刻的输出功率即最大功率。这一方法的流程如图2所示。

图2 扰动观察法的主要流程

2.2 仿真模型

在Matlab/Simulink中，可以实现扰动观察法。如图3所示，步长设为0.001。

图3 MPPT模块的仿真模型

3 双向直流变换器

双向直流变换器分为隔离型和非隔离型。非隔离型的优点在于结构简单、元器件少、便于控制，本文采用非隔离型Buck/Boost变换器。变换器可运行在升压或降压模式下，以达到控制电池充放电目的，如图4所示。

图4 Buck/Boost变换器电路

3.1 主要参数设计

3.1.1 滤波电感Lf

滤波电感的数值不能过大或过小，否则引起响应速度慢或谐波过大。滤波电感应保证能够控制电流谐波范围不超过输出电流的10%。在IGBT闭合期间，根据感性特性，电感由式(6)进行确定。

(6)

式中：Io为输出电流；f为开关频率。

经过计算，Lf计算为5 mH。

3.1.2 电池侧滤波电容Cf2

输出侧的滤波电容数值大小影响输出电压和电流的谐波。理论上，这个电容数值越大越好，但响应速度会随之变慢[5]。为了能够选出最优的Cf2值，本文使用一种新方法。该方法基于稳态运行情况，只考虑谐波的影响。把谐波看作拥有基波f的电流源，其他高次谐波忽略不计。整个回路的等效电路如图5所示。

(7)

(8)

a.当电流为常数时

(9)

b.当电压为常数时

(10)

综上，可得C2≥6 127 μF。考虑裕量，电池侧滤波电容Cf2的取值为6 500 μF。

3.1.3 输入侧电容Cf1

通过分析升压电路的工作原理，可得输入侧电容的计算公式：

(11)

经计算，C1=1 190 μF。考虑裕量后，Cf1的取值为2 500 μF。

3.2 双向直流变换器的控制方法

双闭环的控制原理如图6所示，电压控制为外环，电流控制为内环，最终的控制信号是PWM。Uref是额定运行电压；Udc直流母线电压；Ib是电池充放电的电流值。其中，PI控制器为离散型，其系数分别为kp=2，ki=120。

图6 双向直流变换器的控制原理

3.3 仿真结果

仿真结果如图7所示，a表示电池功率的变化曲线;b表示太阳能光伏发电组的最大功率;c表示负荷端的可变功率。从初始时间0～0.8 s，太阳能发电同时向电池端和负载端供能。在这个时间内，负载端的功率为5 kW，小于光伏功率8 kW。0.8 s后，负载突变至14 kW，此时，仅靠光伏已不能满足需求，所以电池开始自动向负荷端放电直至1.4 s。电池的充电状态(SOC)同样可见：0～0.8 s时，电池充电；0.8～1.4 s时，电池放电。

图7 双向直流变换器仿真结果

4 结束语

本文设计了一个双向直流变换器，应用于太阳能发电系统中，控制电池充放电。双向交流变换器的结构采用非隔离型结构，由于其架构简单、易于控制，效率很高。仿真结果表明，此变换器可以自动控制电池在充电与放电模式中进行转换。