光伏储能系统的协调控制策略研究论文(PDF 69页).pdf

北方工业大学硕士学位论文 I 光伏储能系统的协调控制策略研究 光伏储能系统的协调控制策略研究 摘 要摘 要 光伏发电作为利用太阳能的一种最广泛的应用方式 近年来成为各国学者开发研究的热 点 系统协调控制策略是改善系统性能和提高能量利用率的核心技术 是光伏储能系统研究中 的关键问题 本文以共直流母线式的光伏储能系统作为研究对象 深入研究了系统的能量管理 方案和不同电力电子变换器的控制具体方法 具有重要的理论研究和实际应用意义 在以往传统的系统能量管理方案中 当系统环境变化恶劣时 极容易造成蓄电池的过充和 过放 从而损坏蓄电池 降低蓄电池寿命 大大增加了系统成本 严重时甚至会使系统不能正 常工作 针对上述问题 本文制定了一整套完整的能量管理方案 其中包括系统工作模式的划 分 边界条件的制定 提出了具体每种模式下的控制方法 不同工作模式之间的平滑切换情况 该种方案考虑到了蓄电池充满以及缺电的情况 保护了蓄电池 使光伏储能系统适用范围更强 应用范围更广 针对以往光伏储能系统中电力电子变换器所采用的闭环控制方法 PI 调节器 存在的调节 器参数多不易实现 控制结构复杂等缺点 本文借鉴了模型预测控制 MPC 思想 提出了基于 模型预测的 MPPT 控制方法和两种基于模型预测的蓄电池充放电控制方法 该方法主要通过 建立预测模型对系统目标量的下一时刻的所有可能值进行预测 拟定目标函数 选择使函数最 小的开关状态来控制电力电子变换器开关管 模型预测方法控制结构简单 控制灵活 对调节 参数不敏感 系统动静态性能优良 本文搭建了一套蓄电池充放电实验平台 在该平台上首先实现了储能变换器的双闭环控制 PI 调节器 实验结果表明该系统通过蓄电池有效充放电可以实现母线电压稳定 同时也验证 了蓄电池恒流充电以及放电过程的模型预测控制方法的有效性 具有很好的动态性能 最后通 过模型预测方法控制储能变换器实现了母线电压的稳定 与双闭环控制相比 具有更快的充放 电切换速度 关键词 关键词 光伏储能系统 能量管理方案 DC DC 变换器 闭环控制 模型预测控制 北方工业大学硕士学位论文 II Research on Coordinate Control Strategy of Photovoltaic Energy Storage System ABSTRACT Photovoltaic power generation is one of the most widely used ways of utilizing solar energy It has been becoming scholars main research and development hot spot in recent years Coordinate control strategy is the core technology to improve the system performance and energy efficiency and is also the core research question of photovoltaic energy storage system This paper introduces the photovoltaic energy storage system based on the common dc bus as the research object It makes in depth research for the system s energy management scheme and the different power converter control method It has important theoretical and practical significance In traditional system energy management plan when the system s environment is badly changing it is extremely easy to cause the charge and discharge of battery and damage to the battery also reduce the battery life increase the system cost and even make the system stop working seriously According to the above problems this paper establishes a set of complete energy management solutions including the division of system working mode the boundary conditions also putting forward the specific energy management solutions for each mode smooth switching between different working mode This scheme takes into consideration of power full and power shortage situation to protect the battery It makes photovoltaic energy storage system have strong applicable scope and wide application range The ever adopted control method of the power electronic converter in photovoltaic energy storage is the closed loop control PI controller This control method has too many controller parameters to adjust and control structure is complex In this paper by using the model predictive control MPC MPPT control method and two kinds of storage battery charging and discharging control methods based on the model predictions are proposed This method is mainly establishing predictive model of system target to predict all the possible values of the next moment and also formulating the objective function to choose the switch state of the power electronic converter to be minimized The model predictive control method has simple structure flexible control and is not sensitive to adjusting parameters also has good dynamic and static performance This paper designs a set of storage battery charging and discharging experimental platform The platform firstly realizes the double closed loop control PI controller of stored energy converter The experimental results show that the dc bus voltage is stable through the battery charging and 北方工业大学硕士学位论文 III discharging and also realize the constant current charging and discharging of the battery At the same time it realizes the constant current charging and discharging of the battery with model predictive control having a good dynamic performance At last the model predictive control method controls the stored energy converter to realize the stability of the dc bus voltage Compared with the double closed loop control it has a speed of switching between charging and discharging modes KEY WORDS Photovoltaic Energy Storage System Energy Management Scheme DC DC converter Closed loop Control Model Predictive Control 北方工业大学硕士学位论文 1 目 录目 录 光伏储能系统的协调控制策略研究 I 摘 要 I Research on Coordinate Control Strategy of Photovoltaic Energy Storage System II 1 绪论 1 1 1 选题背景和意义 1 1 2 光伏储能系统结构 2 1 3 光伏储能系统组成 4 1 4 光伏储能系统控制技术及发展历程 7 1 5 论文的主要内容 9 2 光伏储能系统的传统协调控制策略 11 2 1 系统的能量管理方案 12 2 2 光伏变换器的控制方法 14 2 2 1 基于电导增量的 MPPT 控制方法 14 2 2 2 Non MPPT 控制方法 17 2 3 储能变换器双闭环控制 17 3 光伏储能系统优化的能量管理方案 20 3 1 系统工作模式的划分 20 3 2 系统工作模式的控制策略 23 3 3 系统工作模式的切换 24 3 4 仿真及分析 25 3 4 1 单一工作模式的仿真 26 3 4 2 工作模式切换仿真 29 4 光伏储能系统电力电子变换器模型预测控制 31 4 1 模型预测控制 31 4 2 光伏变换器的模型预测控制 32 4 2 1 基于模型预测的最大功率点跟踪 32 4 2 2 仿真及分析 34 4 3 储能变换器的模型预测控制 35 4 3 1 闭环与 MPC 结合控制方法 35 4 3 2 MPC 控制方法 38 4 3 3 仿真及分析 39 北方工业大学硕士学位论文 2 4 3 4 控制方法对比及分析 45 5 蓄电池充放电实验研究 46 5 1 硬件电路设计 46 5 1 1 硬件电路关键参数 47 5 1 2 控制电路 48 5 1 3 调理电路 49 5 2 软件程序设计 50 5 3 实验结果及分析 51 结 论 57 参考文献 58 申请学位期间的研究成果及发表的学术论文 61 致 谢 62 北方工业大学硕士学位论文 1 正 文正 文 1 绪论 1 1 选题背景和意义 电能是人类生存和发展不可或缺的直接使用能源 也是现如今世界各国关注的焦点 1 进 入 21 世纪后 电力可持续发展已成为我国可持续发展的基础 并在社会经济 能源和环境协 调发展中起着重要的平衡作用 电能主要来源于一次能源的燃烧 例如煤炭 石油和天然气等 2 但是经过人类数千年 尤其是近百年来的无节度消耗 能源危机和环境危机已展现在人类 面前 已经成为世界各国共同面临的严峻课题 并且化石燃料的可开采量已经是屈指可数了 由于我国人口众多 中国的能源需求正在面临更加严峻的挑战 甚至危及着社会的稳定 3 要解决能源问题就要依靠科技进步 必须加快寻求开发利用新能源的步伐 4 众多资料表 明 太阳能作为一种巨量的可再生能源 分布广泛 并且太阳能使用过程中清洁无污染 取之 不尽 用之不竭 是国际社会公认的理想替代能源 根据国际权威机构的预测 到 21 世纪 50 年代 即 2050 年 全球直接利用太阳能的比例将会发展到世界能源结构的 13 15 之间 而整个可再生能源在能源结构中的比例将大于 50 如表 1 1 所示 5 表 1 1 可再生能源和太阳能在未来能源结构中的比例 时间段 2020 年 2030 年 2040 年 2050 年 可再生能源 20 2 33 6 42 7 53 4 日本预测 太阳能 1 9 7 9 13 5 可再生能源 20 9 32 3 43 3 54 6 Shell 预测 太阳能 2 6 8 4 14 9 可再生能源 22 2 33 0 43 54 平均 太阳能 2 3 8 2 14 2 由上表可以看到 太阳能在未来将是目前大量应用的化石燃料的主要替代能源之一 光伏发电作为利用太阳能的重要方式之一 受到当今世界各国尤其是发达国家的重视 具 有广阔的应用前景 尤其是独立光伏发电系统是目前利用太阳能最广泛的方式之一 属于孤立 的发电系统 在一些偏远山区 沙漠 边疆哨所 海岛等电网未覆盖的区域具有很高的实用价 值 而且中国光伏发电的市场潜力非常大 因其具有环保 扶贫和节省线路损耗的优点 独立 光伏发电系统的建设很大程度上解决了地方无电问题 6 北方工业大学硕士学位论文 2 储能装置是光伏系统等间歇性能源发电的关键部件 主要用来平衡整个系统的能量 储能 装置自发明以来 一直被认为是极易出现问题的部分 最为薄弱的环节 尤其是充放电技术的 局限性 达不到理想的充放电效果 7 8 当储能装置充电控制不得当时 很容易导致过充或析 气等各种不良现象 大大减小装置的寿命 影响整个光伏储能系统的运行质量和效果 因此 如何安全 高效地对储能装置进行充电 一直以来也是光伏储能系统的关键问题 9 储能技术 的进步对光伏储能系统也是一种技术性的变革 对光伏储能系统的产业化具有极大的推动作 用 太阳能在新能源发展中具有领头羊的作用 发展势头一片看好 太阳能商品住宅市场的迅 速崛起是当今国际市场的热点之一 第二个热点就是光伏电池产量和销量的快速增长 光伏发 电与住宅建筑相结合是目前世界上大规模利用太阳能发电技术的研究投资热点 世界各国都在 作为重点项目积极地进行 中国作为世界上最大的发展中国家 必将对能源的供应提出更多 更高的要求 中国光伏发电的需求量巨大 市场广阔 21 世纪中叶太阳能将是中国能源直接 供应的一支主力军 掌握了未来的能源就掌握了人类未来的命运 10 光伏发电的时代正在 向我们走来 光伏储能系统的前景一片光明 1 2 光伏储能系统结构 光伏发电系统一般分为并网型发电系统和独立光伏发电系统两大类 其中独立光伏发电系 统也被称为离网型光伏发电系统 可以直接向负载提供电能 但不与电网连接 具有极其重要 的应用前景及研究价值 11 由于光伏发电的输出存在随机性 波动性以及不可预测性等特点 为使光伏发电系统在运行中更加安全 灵活及有经济性 一般都会配备相应的储能单元 构成 光伏储能系统 12 13 经过数年的发展 光伏储能系统现已发展出多种不同形式 分别有各自的 应用场合 优点和不足 如下图 1 1 所示 a 形式 1 北方工业大学硕士学位论文 3 PV Array DC DC 电网 DC DC 蓄电池 AC DC 单向变换器 双向变换器 b 形式 2 c 形式 3 1 1 光伏储能系统 形式 1 是离网型光伏储能系统 光伏阵列通过单向 DC DC 变换器连接到母线上 蓄电池 直接接到母线上 母线经逆变器连接交流负载如电动机等 该系统结构简单 易于控制 适用 于功率较小的交流负载系统 蓄电池直接与母线连接 充放电不能得到有效控制 当负载能量 反向流动时 蓄电池极易发生过充 造成蓄电池损坏 形式 2 是无变压器并网型的光伏储能系统 光伏阵列通过单向 DC DC 变换器连接到母线 上 蓄电池经过双向 DC DC 变换器连接在母线上 母线经逆变器与电网相连 由于电网是个 无穷大功率源 通过控制逆变器就能维持母线电压的恒定 蓄电池侧连接了双向 DC DC 变换 器起到了能量可控的目的 提高了蓄电池的自我保护能力 形式 3 为混合负载的光伏储能系统 结合了以上两种形式特点 既与电网相连 又可在母 线上连接直流和交流负载 形成一个小型的完整系统 功能强大 应用广泛 该结构在控制上 北方工业大学硕士学位论文 4 较为复杂 不易于进行能量管理 14 1 3 光伏储能系统组成 光伏储能系统表现形式多样 一套基本的光伏储能系统一般是由光伏阵列 储能装置 DC DC 变换器 负载组成 下面将对光伏储能系统中的核心部件进行详细介绍 1 光伏阵列 15 17 光伏阵列是由一个个光伏电池进行串并联组合而成的 光伏电池就是利用半导体光伏效应 制成 它是一种能将太阳辐射直接转换化为电能的转换器件 首先需要了解光伏电池的输出特 性 建立合理的数学模型 由光伏电池的工作原理 得到光伏电池的等效电路 如图 1 2 a b 所示 a 理想形式 b 实际形式 图 1 2 光伏电池等效电路 为了方便分析光伏阵列的特性 首先要建立光伏阵列的有效数学模型 光伏阵列的输出电 流 Ipv和电池的输出电压 Upv之间满足如下关系式 1 pvspv pvspv nkT sh UR I UR I pvphs R III e 1 1 其中 Iph为光生电流 Rs为串联电阻 Is为等效二极管 PN 结反向饱和电流 Rsh为分流 电阻 n 为二极管排放系数 T 为电池温度 k 为玻尔兹曼常数 其中 Iph值正比于光伏阵列面 积和入射角的辐照度 Is与该电池材料自身性能有关 表示光伏阵列对光生载流子最大的复合 能力 图 1 3 为在不同的光照强度下的电流 电压特性曲线 功率 电压特性曲线 这两条工作特 性曲线为非线性的 光伏阵列的输出受到了光照强度的影响 由图 a 可以看出短路电流近乎 与日照强度正比增加 而开路电压却没有明显的变化 由图 b 可以看出 随着日照强度的增 强 光伏阵列的输出功率会升高 尤其是最大功率点附近受日照强度影响比较大 但是光伏阵 列不仅受到光照强度的影响 还要受到温度等其他环境因素的影响 所以 若要最大可能的利 用太阳能资源 就需要实时的对光伏阵列输出的最大功率点进行跟踪 北方工业大学硕士学位论文 5 a 电流 电压特性曲线 b 功率 电压特性曲线 图 1 3 光伏电池输出特性曲线 2 储能装置 由光伏阵列的输出特性可知 光伏阵列的输出受环境因素影响大 输出具有波动性和间歇 性 所以需要配备一定容量的储能装置来对光伏阵列输出的功率进行补充或吸收来平衡负载能 量 因此储能装置的好坏对整个系统的可靠性会造成重要影响 光伏储能系统的储能装置包括 功率型储能元件如超级电容 飞轮等 还包含能量型的储能元件如蓄电池等 还有大功率的抽 水储能电站 蓄电池作为光伏储能系统的储能装置 应用最为广泛 18 表 1 2 为光伏储能系统 中常用蓄电池的性能比较表 表 1 2 光伏储能系统中常用蓄电池性能比较 蓄电池种类 电压 V 能量密度 Wh kg 价格 元 Wh 效率 循环寿命 次 阀控铅酸 2 30 0 6 0 8 90 400 Cd Ni 1 2 50 1 4 1 8 67 75 500 Mh Ni 1 2 60 2 4 2 6 55 65 700 锂离子 3 6 100 4 0 4 5 95 1000 在光伏储能系统的整个寿命周期内 若考虑到蓄电池的更换成本 则蓄电池的投资成本与 光伏阵列的成本大小不相上下 因此 选择合适的蓄电池 发展新的发电控制技术及储能技术 是降低整个系统成本的重要途径 目前光伏储能系统常用的蓄电池类型主要为 铅酸 Cd Ni 锂电池 Mh Ni 表 1 2 把四种蓄电池分别从价格 寿命 效率 能量密度及电压等级等 5 个 方面进行了比较 从上表中得出结果 锂电池的能量密度 效率 循环寿命最高 且不易发生 爆炸 唯一的缺点是价格偏高 但是经常的更换蓄电池也会大大增加系统成本 因此 考虑到 系统的可靠性 技术成熟性 锂离子电池是光伏储能系统相对较好的选择 在光伏储能系统中能做到有效的使用蓄电池的前提之一就是充分了解蓄电池主要参数的 物理意义 以下为蓄电池部分重要的性能参数 19 20 1 蓄电池的容量 北方工业大学硕士学位论文 6 容量是蓄电池的重要指标 蓄电池在一定放电条件下所能给出的电量称为该电池的容量 常用单位为安培 小时 简称安 时 A h 包括理论容量 额定容量 实际容量和标称容量 这个参数的选择与光伏储能系统工作条件下的太阳辐射平均强度和需要连续供应负载电量的 时间和功率有关 2 蓄电池的电压 开路电压 蓄电池在未接负载状态下测得的两端电压称为开路电压 蓄电池的开路电压等 于其正极电势与负极电势之差 数值上就等于蓄电池的电动势 工作电压 蓄电池在负载接通状态下测得的两端电压称为工作电压 蓄电池放电初始时的 工作电压称为初始工作电压 由于有内电阻的存在 蓄电池在接通负荷工作时 其工作电压往 往低于该电池的开路电压 在光伏储能系统中 电压参数的选择主要由母线上的额定电压值的 大小来决定 终止电压 当蓄电池放电停止不能继续释放电能时两端的电压称为终止电压 在蓄电池工 作过程中需要时刻观察蓄电池的电压 蓄电池的终止电压过低会大大缩短其使用寿命 终止电 压过高反而不能使蓄电池得到充分利用 3 蓄电池的荷电状态 SOC 蓄电池 SOC 是目前状态下蓄电池剩余的电量与该电池额定容量的比值 SOC 可以精确的 表示蓄电池当前放电的能力 4 蓄电池的自放电特性 由于蓄电池内存在杂质 其在独立存贮期间容量逐渐减少的一种现象 蓄电池在不接任何 负载的情况下由于自放电而使容量损失 直至容量为零 要维持蓄电池的正常充放电性能 就 需要定期的对暂时不使用的蓄电池进行充放电维护 根据以上有关蓄电池参数性能介绍 在选择蓄电池时 不仅要考虑整个系统的需要 还应 综合考虑蓄电池本身的各种性能参数 选择最适合系统的类型 3 DC DC 变换器 由图 1 1 光伏储能系统的组成形式可以看出 DC DC 变换器是变换电能的关键部件 若没 有 DC DC 变换器 系统的电能质量和性能都会变差 很难满足负载的要求 DC DC 变换器是 依靠控制半导体开关器件的导通和关断时间 加上合适的电感电容 将某一直流电压变换为另 一个直流电压的电路 DC DC 变换器又分为单向 DC DC 变换器和双向 DC DC 变换器 分别 实现能量的单向流动和能量的双向流动 将非隔离型单向 DC DC 变换器基本拓扑的开关管上 反并联整流二极管 整流二极管上反并联开关管 则六种非隔离的单向 DC DC 变换器就变为 对应的 Buck Boost Buck Boost Cuk Sepic Zeta 四类双向 DC DC 变换器拓扑结构 如图 1 4 所示 21 22 北方工业大学硕士学位论文 7 L C1 D2 D1 S2 C2 u1 u2 a 双向 Buck Boost 电路 b 双向 Buck Boost 电路 c 双向 Cuk 电路 d 双向 Sepic Zeta 电路 图 1 4 双向 DC DC 变换器 以上四种双向 DC DC 变换器中的 S1管和 S2管均不允许同时导通 当正向导通时 S1管工 作 S2管要始终截止 反向工作时 S2管工作 S1管就要始终截止 a 图中的 S1管和 S2管若 全部导通 会使两管造成直通 产生大的电流从而烧毁管子 因此在对管子的控制中尤其要注 意这一点 对于上述四种管子 光伏储能系统又该如何进行选择 以下就从三个方面对以上 4 类双向 DC DC 变换器进行比较分析 23 表 1 3 4 类双向 DC DC 变换器部分元器件承受的电压 传递电容电压额定值 UcIGBT电压额定值Us二极管电压额定值 Ud 双向 Buck Boost Ui Uo Ui Uo 双向 Buck Boost Uo Uo 双向 Cuk Ui Uo Ui Uo Ui Uo 双向 Sepic Zeta Ui Ui Uo Ui Uo 综上分析可知 双向 Buck Boost 变换器及双向 Buck Boost 变换器中不存在高额定电压的 传递电容 双向 Buck Boost 变换器中的开关元件及二极管的电压应力是最小的 从而可以得 到结论 在相同的工作条件下 双向Buck Boost变换器可以选择电压额定值相对较小的器件 24 1 4 光伏储能系统控制技术及发展历程 光伏储能系统有两个能量提供装置 那就是光伏阵列及蓄电池 要想得到满足负载工作的 电能 就要根据负载需要分别对系统中的两个能量源进行有效控制 即研究这两者的变换器的 北方工业大学硕士学位论文 8 控制方法显得至关重要 其控制技术也是经历了一步一步的探索 1 光伏阵列最大功率点跟踪控制技术 光伏阵列作为光伏储能系统的主要能量源 在一定的光照强度及温度下 为了尽可能的提 高能源的利用效率 需要最大可能的从光伏阵列处输出能量 在控制方法上常常采用最大功率 点跟踪 MPPT 控制技术 25 27 最早出现的跟踪算法具有代表性的有 固定电压法 CVT 实际测量法及光伏阵列组合法 等 CVT 法利用的是把光伏阵列的输出特性分为恒流区域和恒压区域 这两块区域的交接点 就是最大功率点 此点的电压值是近似不变的 使光伏阵列的输出电压值就稳定在这个最大功 率点对应的电压值上 实际测量法是利用辅助的光伏阵列作为所用光伏阵列的参考 因为实用 光伏阵列具备和参考光伏阵列相似的 I V 输出特性 通过对参考阵列的跟踪 从而就可以实现 对实用光伏阵列的 MPPT 控制 光伏阵列组合法根据不同的负载来调节光伏阵列的串并联数 来实现 MPPT 功能 以上三种方法都是在早期出现的方法 这三种方法利用了太多的近似因 素 跟踪精度相对较差 不能算是真正意义上的最大功率点跟踪 MPPT 算法 并且随着近代 出现的一些优良的算法 这三种算法在研究及应用上已经涉及甚少 现代出现的最大功率点算法相对来说比较复杂 跟踪精确度比较高 扰动观察法 Perturb Observe algorithms 是目前研究和应用最多的最大功率点跟踪算法 该算法结构简单 测量 参数少 易实现 但缺点是在最大功率点处存在些许震荡 跟踪步长不能同时满足速度及精度 要求 环境变化时可能会发生误判断从而使输出不能达到预期效果 该算法也在进行进一步研 究及改进中 电导增量法 Incremental Conductance 在最大功率点处就不会产生震荡 环境变化 时可以做出准确的判断 控制精度也提高了 稳定性也好 但缺点还是无法同时满足速度与精 度的要求 需要找到一个折中的跟踪步长 该算法提高了对硬件的要求 电导增量法的具体控 制原理将在后续章节中提到 目前在最大功率点跟踪方面的研究热点是智能控制 研究较多的三种方法为模糊控制法 神经网络法及滑块控制方法 还有基于以上方法提出了一些改良的和新出现的智能控制算法 比如提出了一种新的自适应的模糊控制方法 提高了模糊控制的灵活性 28 有的文献提出了 非对称模糊 PID 控制方案 这也是一种两级控制算法 前级利用了模糊控制动态性能优良的 特点实现了快速近似跟踪 后者利用 PID 控制消除最大功率点处的震荡 实现了精确跟踪 29 2 蓄电池充放电控制技术 蓄电池是平衡光伏储能系统能量的核心部件 通过控制蓄电池进行有效地充放电来保证负 载可以稳定的工作 蓄电池能否正常工作直接影响到系统运行状况的好坏 蓄电池在光伏储能 系统中的作用是不可替代的 文献指出 一个好的充电控制方法对提高整个系统的性能起着至 关重要的作用 30 蓄电池能做到很好的充放电控制的前提是要保证蓄电池的长寿命及高性能 为蓄电池提供一个安全的工作环境 在蓄电池的传统充放电控制方法中 单独分出了蓄电池充 电控制与蓄电池的放电控制 根据有关的研究资料表明 对蓄电池寿命影响最大的是电池的充 北方工业大学硕士学位论文 9 电过程 而放电过程影响较少 即绝大多数蓄电池一般都是 充坏 的 不是用坏的 因充电 不合理而损坏的蓄电池数占总损坏的蓄电池总数的 80 因此在控制方法上 尤其要考虑到蓄 电池的充电控制方法 1 蓄电池传统充电控制方法 31 33 恒流充电 控制蓄电池的充电电流值恒定在蓄电池充电范围内 这种方法的充电速率相对 来说比较低 而且在充电后期对蓄电池来说这个电流是比较大的 对蓄电池会造成冲击 影响 蓄电池寿命 恒压充电 使用恒定的电压源为蓄电池进行充电 但是这种方法只适用于开口蓄电池 不 适用于密闭蓄电池充电 并且利用这种方法进行充电造成的起始充电电流比较大 也会造成蓄 电池的损坏 三阶段充电 基于恒流充电和恒压充电分别在蓄电池充电过程后期和前期造成不利影响 三阶段充电就结合了以上两种充电方法的优点实现了蓄电池充电过程的改进 该充电方法可以 使蓄电池的充电电流近似逼近理想的充电电流曲线 充电过程经历了三个阶段的切换 控制方 法简单 但也会存在过充及电池温度上升过快的缺点 综合以上蓄电池充放电控制方法的优缺点 又出现了一些优良的控制方法 如脉冲充电方 法 涓流充电方法和电流递减充电方法等 2 蓄电池传统放电控制方法 恒流放电 控制蓄电池的放电电流是恒定值 由于蓄电池的放电对蓄电池的性能影响不大 一般采用恒流放电方法 同时还要检测蓄电池的端电压 如果端电压降到该电池的终止电压 就要断开电池停止放电 1 5 论文的主要内容 本文在太阳能发电得到充分重视和发展势头迅猛的大背景下 深入的研究了光伏储能系统 的协调控制策略 本文中的协调控制策略包含了系统能量管理方案的确立和电力电子变换器控 制方法的研究 论文完成的主要工作如下 第 1 章 介绍了光伏储能系统研究的背景和意义 分析了光伏储能系统的几种形式及其应 用条件 具体介绍了系统关键组成部件的特点及分类 最后提出了光伏储能系统相关控制方法 的研究现状 第 2 章 根据本文提出的电路拓扑 分析了光伏储能系统的传统能量管理方案 介绍了光 伏变换器的传统控制方法 包括闭环 MPPT 控制方法及闭环 Non MPPT 控制方法 分析了储 能变换器的双闭环控制方法 完成蓄电池充放电的过程 第 3 章 本章节核心内容是完成对光伏储能系统能量管理方案的优化 本章制定了一整套 完整的能量管理方案 包含了系统工作模式的划分 边界条件的制定 确定了具体每种工作模 北方工业大学硕士学位论文 10 式下的控制方法 不同工作模式之间的平滑切换情况 对所划分出的各个工作模式进行了仿真 验证 也实现了系统模式之间的切换仿真 第 4 章 针对系统传统闭环控制方法的部分不足 本章借鉴了模型预测的控制思想 针对 光伏变换器 提出了基于模型预测控制的 MPPT 技术 针对储能变换器分别提出了两种不同 的蓄电池充放电改进控制方法 在 Matlab Simulink 仿真环境中 对新提出的控制方法进行了 仿真验证 并对传统控制方法与所提出的两种改进控制方法进行了比较分析 第 5 章 本章搭建了蓄电池充放电实验平台 设计了主电路及调理电路 其中涉及到蓄电 池类型 参数的选择 系统两个 DC DC 变换器参数以及滤波电容值的计算 调理板电路的参 数设计 在实验平台上验证了传统双闭环控制实现母线电压稳定的有效性 同时分别验证了蓄 电池恒流充电和放电过程的模型预测控制方法的有效性 具有很好的动态性能 最后使用最新 提出的模型预测控制方法实现了母线电压稳定 提高了蓄电池充放电两个工作模式的切换速 度 北方工业大学硕士学位论文 11 2 光伏储能系统的传统协调控制策略 通过第一章节的介绍 已经对光伏储能系统有了大致的了解 光伏储能系统包括了太阳能 作为一次能源 蓄电池作为储能单元 两者分别通过相应的 DC DC 变换器连接到直流母线上 能量流动得到控制 避免了蓄电池的过充及过放 本文为简化分析 系统不与电网相连 母线 上的负载只有直流负载 如下图所示 图 2 1 光伏储能系统 在本文中 光伏阵列输出端的电压较低且随着环境的变化其输出存在较大的不稳定性 为 了实现光伏阵列的升压 稳压 MPPT 及 Non MPPT 功能 需要选择升压型 DC DC 变换器连 接到直流母线上 同时避免了能量的反向流动 通过控制该变换器开关管的开通与关断使光伏 阵列尽可能输出母线所需能量 蓄电池作为低压端经过双向 DC DC 变换器连接到直流母线上 蓄电池在光伏储能系统中主要起到解决电能存储 保证直流母线电压稳定的作用 调节功率和 能量的同时可以大大改善供电质量 从图 2 1 的光伏储能系统框图可以看出 要想确定整个系 统的电路拓扑 主要就是确定两个电力电子变换器的类型 在第一章中就已经对常用四种 DC DC 变换器的多方面性能进行了比较 确定了 Boost 升压变换器作为光伏阵列侧的光伏变 换器 选择了 Buck Boost 双向 DC DC 变换器作为蓄电池侧的储能变换器 直流母线上连接的 是阻值可以变化的纯电阻性负载 以此来模拟负载上的功率波动 从而会产生系统扰动 具体 电路拓扑如图 2 2 所示 北方工业大学硕士学位论文 12 图 2 2 光伏储能系统拓扑 在上述系统中 两个变换器是通过电感来储存传递能量的 这样可节省一个大容量传递电 容 变换器中开关元件及二极管受到的电流应力及电压应力都很小 并且变换器有源器件的导 通损耗最小 使系统的整体效率提高 该系统的电路拓扑具有结构简单 易于控制 成本低和 可靠性强等特点 目前已成为电力电子领域的一个重要分支 34 2 1 系统的能量管理方案 要制定系统合理的能量管理方案 选取合适的电力电子变换器控制方法 首先就要确定本 系统所要控制的目标及其需要遵循的原则 1 系统工作允许的情况下 最大限度的利用光伏阵列发出的电能 提高系统能量的有效 利用效率 2 维持直流母线电压稳定 提高电能质量 当系统发生扰动时能迅速恢复稳定 3 蓄电池作为系统最易受损 最难控制的部分 应避免蓄电池的过充电和过放电 光伏储能系统遵循能量守恒 光伏阵列输出的功率和蓄电池发出的功率 取蓄电池输出的 功率方向为正 之和要等于母线负载所需的功率 如式 2 1 所示 但是起到储能作用的蓄电池 不可以任意的吸收或释放负载所需的能量 必须考虑自身的能力水平 注意自身的安全运行问 题 pvboPPP 2 1 Ppv代表光伏阵列输出的功率 Pb代表蓄电池输出的功率 若 Pb值为负时 代表蓄电池吸 收功率 Po代表母线上负载所需要的功率 针对本系统中光伏阵列和蓄电池这两个能量提供装置的特点 确定本系统的能量管理方 案 分析系统的工作模式 提出一种合理的能量管理控制策略 其核心就是根据当前光伏阵列 北方工业大学硕士学位论文 13 和蓄电池的工作状态 控制 Boost 升压变换器和 Buck Boost 双向 DC DC 变换器分别工作在合 适的工作模式下 使得蓄电池和光伏阵列这 2 种电源可以协调工作 从而保证整个系统的正常 工作 由于光伏阵列受环境因素影响使输出变得不稳定以及蓄电池自身的一些局限性导致光伏 储能系统工作模式的多样性 在传统能量管理方案中 在对光伏储能系统工作模式进行划分时 为了简化划分的复杂性 一般以蓄电池充放电功率足够大为前提 即式 2 2 所示 maxmaxpvbdcPPPPdc 95 PV 工作于 Non MPPT 蓄电池恒流放电 2 Ppvmax Pdc 95 PV 工作于 MPPT 蓄电池恒流充电 3 Ppvmax 40 PV 工作于 MPPT 蓄电池恒流放电 在列表中可以看出 当光伏阵列的最大功率输出小于负载的额定功率时 蓄电池就要和光 伏阵列一同向负载进行供电 当光伏阵列输出的最大功率大于负载的额定功率时 此时光伏阵 列一般工作于 MPPT 多余的功率由蓄电池进行存储 但是当蓄电池已经充满时 即 SOC 95 时 光伏阵列就不能工作于 MPPT 而是转而工作于 Non MPPT 使光伏阵列不能最大功率输 出 负载由蓄电池和光伏阵列共同供电 35 37 以上确定的能量管理方案没有考虑到蓄电池的放完电及电流过大的情况 一般光伏储能系 统选择的蓄电池容量会很大 但是这样会直接导致整个系统的成本增加 容量太小反而很容易 因为功率波动过大使蓄电池造成严重冲击 造成蓄电池永久损坏 在表 2 1 的工作模式 3 中 蓄电池其实可以停止工作 保存当前储存的能量 母线上负载的功率由光伏阵列单独承担 而 上述的控制方案是蓄电池和光伏阵列共同给负载进行供电 光伏阵列工作于 Non MPPT 状态 这样蓄电池的能量会减小 光伏阵列能量利用效率降低 造成能量浪费 针对以上问题 仍需 要对光伏储能系统的能量管理方案进行进一步的优化和改进 具体优化方案在后续章节将会进 行详细介绍 北方工业大学硕士学位论文 14 2 2 光伏变换器的控制方法 光伏变换器的控制方法就是控制光伏阵列侧的升压 Boost 变换器开关管的开通与关断 使 光伏阵列的输出功率可控 从 2 1 节的系统能量管理方案可知 光伏阵列一般有两种工作状态 分别为 MPPT 状态以及 Non MPPT 状态 下面将分别进行介绍 2 2 1 基于电导增量的 MPPT 控制方法 2 2 1 1 最大功率点跟踪原理 由于光伏阵列本身输出的非线性 很难利用数学知识进行详细的推理分析 故可以使用简 单的线性电路来理解最大功率点跟踪的基本原理 可采用如图 2 3 所示的电路 图 2 3 简易线性原理图 图 2 3 给出的原理图中 Ro是负载电阻 Ri是电源内阻 由电路知识可以推出负载电阻上 的功率为 2 2 oRoo io Vi Pi RR RR 2 3 要想知道 Ro在什么条件下 PRo取得最大值 就要对 PRo进行求导 已知 Vi Ri都是常数 可得式 2 4 2 2 oRio i o io dPRR V dR RR 2 4 由 2 4 式可以看出 当 Ro Ri时 PRo有最大值 根据电路知识可以知道 对于线性电路 当电源内阻和负载电阻相等时 电源就可以输出最大功率 虽然实际光伏阵列是非线性的 但 在极短时间里 也可以近似认为是线性电路 所以当光照强度和温度一定的情况下 负载的大 小决定了光伏阵列能否工作在最大功率点处 当系统的等效负载电阻的大小与光伏阵列的内阻 相等时 就可以实现最大功率点跟踪控制 已知系统的负载电阻是不可能随意改变的 本系统可以针对 Boost 变换器推导出 2 5 的公 式 通过调节变换器可控开关管的占空比 D 使等效负载 Req等于 Ri 从而实现光伏阵列的最 大功率点跟踪功能 北方工业大学硕士学位论文 15 2 1eqoRRD 2 5 2 2 1 2 电导增量方法及原理 第一章中已经对 MPPT 方法有了大概的介绍 综合各种算法的优缺点比较 爬山法是将 光伏阵列输出的功率变化简单的就认为是输出电压变化引起的 这种方法不能将光伏阵列输出 的功率和最大功率点处的电压比较 从而偏离了实际的最大功率点 而电导增量法 Incremental Conductance 38 的工作原理正好避免了上述现象的发生 也就不会出现上述爬山法所带来的缺 点 本文采用了电导增量法 Incremental Conductance 在系统中实现最大功率点跟踪功能 39 电 导增量法大致可分为两种 即基于电流的电导增量法和基于电压的电导增量法 由于电流量变 化比较迅速 采用基于电流的电导增量法可以适用于步长较长 扰动变化较快的环境中 基于 电流的电导增量法的基本思路是 根据光伏阵列的功率 电流特性曲线 当光伏阵列输出功率 最大时斜率为零 所以就有 已知 pvpvPUI 2 6 对功率进行求导得出 0 dPdU UI dIdI 2 7 由 2 7 式就可以推导出 dUU dII 2 8 由式 2 8 可以得出结论 当输出电导的变化量等于输出电导的负值时 光伏阵列就工作在 最大功率点处 基于电流的电导增量法流程图如图 2 4 所示 北方工业大学硕士学位论文 16 pv ki pv kU 1 pv kU 1 pv ki 1 pv kpv kiii 1 pv kpv kUUU 0i 0U pv kpv kUiUi 0U pv kpv kUiUi pv kii pv kinciii pv kinciii 图 2 4 基于电流的电导增量法控制流程图 在图 2 4 中 电导增量法首先需要对光伏阵列的电压值 电流值进行采样 Upv k ipv k 分 别代表 k 时刻即当前时刻的光伏阵列输出电压 电流 Upv k 1 ipv k 1 就对应了前一时刻的电压 电流采样值 相比传统的基于电压的电导增量法有了两个比较大的改进 一个改进就是送给控 制器的是电流量 i 另一个改进就是输出的电流给定量是 k 时刻的电流采样值加上单个周期的 电流增量 而不是 k 1 时刻的电流值 而后一个改进是导致系统能够较快跟踪的直接原因 通过对电导增量法的详细分析 这种控制算法的优点是控制精确 响应速度快 比较能适 应大气环境变化较快的场合 这种优点同时也提高了对硬件条件的要求 尤其是传感器的精度 要高 系统各个部分的响应速度相应的都要求比较快 因而整个系统的硬件造价也就随之增高 2 2 1 3 光伏变换器的 MPPT 控制方法 电导增量法输出的是电流值给定量 本小节就需要选择合适的控制器 通过控制单向 Boost 变换器开关管的开通和关断来实现光伏阵列的输出电流值稳定在电导增量法输出的 i 满足最 大功率输出 光伏发电系统控制用的最多的就是 PI 控制器 输出不同占空比 结合 PWM 调 制得到有效的高低电平来控制开关管 具体控制框图如图 2 5 所示 北方工业大学硕士学位论文 17 图 2 5 光伏变换器 MPPT 控制框图 2 2 2 Non MPPT 控制方法 通过表 2 1 中对光伏储能系统的工作模式划分 系统工作模式 1 中光伏阵列工作于 Non MPPT 状态 不允许光伏阵列最大功率输出 否则就会造成母线上的能量饱和而使系统崩 溃 图 2 6 为系统的 Non MPPT 控制框图 图 2 6 光伏变换器 Non MPPT 控制框图 其中 Udc ref是母线额定工作电压 Udc是母线上的实测电压值 Non MPPT 控制框图是以 母线电压恒定为控制目标 光伏阵列输出的功率不是由最大功率点来决定 而是由母线侧的额 定电压值来决定 通过额定电压值与实际