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用于直流负荷供电的光伏系统
能量管理控制策略研究
摘要
随着人们节能意识的增强，LED灯、电子扼流圈、紧凑型荧光灯和逆变器等设备使用日益增加。上述使用的设备由直流电源供电，导致现有电网负荷正经历显著的变化。光伏是一种主要能源，前面所提负荷可以直接连接到直流母线。光伏并网系统包含光伏阵列、负荷、大电网、储能装置和用来平衡各类单元功率的能量管理系统。该系统可以通过测量电池电压来确定双向变换器的工作模式。通过实验原型验证该能量管理和控制策略的可行性。该控制策略编入FPGA板并在不同负荷下的运行模式中得到检验。实验结果证明文中所提策略的实用性。
关键词 双向转换器；直流总线；光伏；电力潮流管理系统（PMS）
1、引言
随着对低成本的能源不断增长的需求与日益关注的环境问题，以光伏为基础的系统被越来越多的广泛应用于家庭和商业[1]。光伏系统大致可分为独立系统和并网系统[2]，[3]。独立系统不能被广泛应用在偏远地方的电力供应。独立结构可以提供一个调节好的负载电压，但其供电可靠性不能保证[3]。蓄电池被广泛应用是为了提高单机系统的可靠性[4]。由于电力电子技术的进步导致了一个光伏系统并网迅速增加[5]，[6]。各种拓扑结构和控制策略[1]–[4]，[7]–[28] 并网逆变器已在文献中报道。在光伏并网发电系统(GCPVs)[13]–[24]，生成光伏功率反馈到电网或所提供的线性和非线性的交流侧负荷。相当数量的文献[3]，[4]，[25]–[29]都有处理操作的混合系统。在一些混合系统[4]，[23]电池用于补偿产生和需求之间的不匹配。在发展中国家，对电力的需求日益超越计划者的估计，并且电网不牢固，一年四季计划停电是常见的。此外，还有随机的频繁的不定期和短期的中断。因此，一个光伏并网发电系统与备用电池有很多优势，比如在整个尖峰负荷时间调节峰值负载抑制发电，所以，电网逆变器应工作在并网模式和离网模式下，以提供在停电期间不间断的临界负荷的电力[9]。在一些应用[15]，[26]，[29]，电池被直接连接于并联直流母线。电池的充电/放电电路嵌入直流总线和电池之间时电池的大小可以被抑制[25]，[30]。利用电池的充电/放电电路来调节直流母线电压将交流电流控制中的直流环节控制并且实现了直流环节电压快速调节。
在文章中，光伏系统提供直流负载并没有备受重视。对储蓄能源的日益重视增加了LED路灯，电子电抗器，紧凑型荧光灯，逆变器的使用。光伏成为一个主要的能源来源使直流负载直接连接到直流总线。在本文中，控制光伏发电系统的直流负载被认为是研究对象。在光伏并网发电系统，光伏发电的变化会引起直流母线电压的波动，光伏发电通过调整交流线电流调节振幅[3]，[12]–[18]，并且amplitude [3], [12]–[18], and under grid failure, a separate
在电网故障下，一个单独的控制器需要调节直流母线电压[3]，[25]。对于直流负载系统，除了光伏功率的变化，负荷的波动也影响直流母线电压。直流环节电压的变化导致交流线电流的成比例的变化。这使线电流的振幅经常变化，导致产生不良的电能质量[22]。
此外，当太阳辐射较少，电源质量被降解的线的总谐波失真（THD）电流是成反比的注入功率电网[25]，[31]。而且，直流环节电压扰动反映在光伏阵列的功率，并且光伏操作点从最大功率点（MPP）转变。因此，快速调节直流母线电压是必要的，以确保固定的直流电压，同时保持总谐波失真电流在标准范围内注入电网。进行了这样一个尝试，给连接在直流侧的负载提供可靠的电力，但在这种情况下，光伏发电不能有效利用[16]。当所生成的光伏功率大于负载的需求，只有光伏发电满足负载功率的需求，多余的光伏发电才能不馈入电网。此外直流负载对系统性能的影响不讨论了。
所提出的光伏系统由三个电源（电网，光伏阵列，和电池），三个功率耗散器（电网，电池，和负载），和一个功率流管理系统（PMS）以平衡功率潮流。本文阐述了提供不间断的有效的电力潮流管理方案，功率从电网连接电源到直流负载，同时促进光伏发电系统将多余的光伏发电疏散在高质量的电网中。
2、系统描述
带有直流负载的光伏发电并网如图1，瞬时功率的关系由下式给出
（1）
其中，pbo是升压转换器的输出功率，pb通过充电/放电电路的输出功率，pdc是功率的直流母线电容器，pL是消耗的功率直流负载，pinv是由逆变器中提取的功率。瞬时交流功率可表示为
（2）
（3）
其中，Vm为相电压的幅值Im是电网电流的幅值。交流电源包括一个直流项和在直流电压中的二次脉动。直流侧平均功率可以写为
（4）
其中，Iinv是逆变器直流侧电流的平均值。等同于交流一端直流侧直流项的平均功率。
（5）
其中，是逆变器的效率。如果Vdc和Vdc(ref) 为直流母线电压的实际值和参考值，分别地在能量中的变化(ΔEdc)存储在直流环节电容Cdc可以写为
（6）
投入光伏发电并网的同时保持恒定的Vdc，必须满足以下的能量平衡：
（7）
其中，T是交流供电时间。

图1 并网发电系统的交流和直流负载
结合(6)和(7)
（8）
从(8)中，显然看出光伏发电的波动引起的太阳辐射的变化和直流电压中负载功率的变化。直流环节的平均电流可以写为
（9）
其中，Ibo是升压转换器输出的电流，IL是负载电流，Iinv是变流器输入侧电流，如果Vpv和Ipv是光伏电压和电流，分别地，为升压转换器在一个工作循环D，下面的公式可以写为
（10）
（11）
其中，RL是电感器的寄生电阻，R是负载的等效电阻。当负载有一个突然的变化，Vdc变为。由于MPP跟踪器(MPPT)的扰动是缓慢的，D保持不变，光伏电压从最优电压的变化
（12）
（13）
（14）

图2 所提出的系统的控制结构
很明显，从(11)和(14)，直流环节电压的干扰反映在从MPP一直到直流电压恢复的光伏阵列功率和移向光伏功率。因此，直流环节电压的快速调节是必要的，以确保恒定的直流环节电压。充电器/放电器控制器基于(8)调节直流环节电压来设计。该系统的控制结构图如图2所示，其中Vdc通过充电器/放电器电路调节。转换器控制的输出的传递函数Gdc [32]表示为(15)，在下一页的底部所示，其中rs是电池电阻，C1和C2是输入和输出电容，分别地，L是变压器漏感，fsw是开关频率，d是两桥之间的移相。输入源的传递函数[32]给出通过(16)，由页面的底部所示。负载的传递函数用GL表示
（17）
其中，R是负载的等效电阻，光伏电流和直流母线电压的关系表示为
（18）
Ginv表示电网连接逆变器的传递函数
（19）
其中，k是振幅增益，τ是采样延迟。控制器中使用的参数如表1所示。
光伏发电系统由一个光伏阵列，一个升压转换器，与一个带有充电/放电电路的电池存储单元，一个与电网接口连接的双向转换器组合而成，光伏系统示意图如图3所示。升压转换器用来跟踪光伏阵列的最大功率，以及一个双H桥双向变换器（电池充电器/放电器）能同时操作在降压和升压模式操作，用来调节直流环节电压。光伏系统的重点是提供不间断电源用以连接在直流侧负载，并且电网被用于作为一种后备意味着在没有足够的光伏发电和补充的电网时过剩的光伏发电是可用的。这就必须使双向转换器有三种操作模式，即，空闲模式（电网断开），逆变模式，和整流模式。电池充电，无论是从光伏还是电网都取决于光伏发电和负荷需求的可利用性。该充电器/放电器电压控制回路电路决定了充电/放电的电池模式。光伏系统包括三个能源光伏，电池及电网，以及一个PMS平衡这些来源之间的电力潮流。对PMS的控制算法在Altera实现的Cyclone II FPGA电路板，控制策略的处理在下一节。
2.1 PMS控制策略
PMS监视电池电压并产生双向变换器的模式选择信号，并为滞环电流控制器产生参考电流。该转换器的模式选择是通过使用预定的电池电压双频段。外频段对应的两个电压的限制，即，外较高的临界电压(VOUT)和外较低的临界电压(VOLT)。这些限制对应的极端电压电池，即，分别地为浮点值和深度放电水平。同样，内带电压的限制，即，内部较高的临界电压(VIUT)和内部较低的临界电压(VILT)对应于内部的电压等级为控制的目的。例如，对于具有标称的电池的36 V电压，外部界限为VOUT = 40 V 和VOLT =32 V，以及内部的限制VIUT = 38 V 和 VILT = 34 V。此外，当时的电池电压的信息(Vb)和转换器的当前模式，用于决定该转换器的下一个模式，使系统是近临界值操作时所述转换器做两种不同的模式之间不重复往返。这样做是确保转换器在整流器和逆变器的操作模式中不会振荡。

图3 双向转换器与PMS的电路原理图
表2
PMS的控制策略

图4 转换器的各种模式下电力潮流的操作状态图
转换器模式选择策略的使用说明在表2和图4。该策略的主要特点是从空闲模式进行转换（整流/逆变器）模式的基础上外部的频带限制，而完全转换是在内部频带限制的基础上从导电模式向空闲模式转换。实施该控制电路PMS如图5（a）所示，Vb的变化和每一种情况下的参考电流如图5（b）所示。在临界电压限制的基础上，两个选择信号（S1, S0）转换器的操作为多路转换器确定的模式（M）。输入端的多路转换器0,1，和-1分别表示空闲，整流器，逆变器的操作模式。Vb < VOLT时，PMS操作解释为导通。在这种情况下，转换器具有开关整流模式不计之前的模式（空闲或整流器）。然而，对参考电流滞环控制器是由以前的模式支配。在例1，参考电流是一个预定的恒定电流电路，而在例8，是(Ic + δI)（表2）。其次，如果电池电压升高，直到VOLT ≤ Vb，转换器继续在整流模式下具有相同的参考电流，直到Vb ≤ VIUT，在例7中表明。同样地，当电池电压高于输出电压，之后，该转换器将移动到前一模式，与逆变器模式无关（例3和5）。然而，目前的参考电流由之前的模式支配。因此，它可以确保在任何现状下的整流器和逆变器模式之间不发生振荡。

图5 （a）PMS控制电路 （b）在不同情况下的参考电流如图2 所示
最初，假定转换器是处于空闲模式下，当Ppv > PL (例2)时光伏供给连接在直流侧的负载并且电池充电。这增加了电池电压，一旦Vb ≥ VOUT，转换器进入逆变器模式。如果Ppv < PL，光伏和电池二者都给负载供电。然而，这降低了Vb，当Vb ≤ VOLT时，转换器进入整流模式。这种模式的电力潮流示意图如图6（a）所示。
当转换器在逆变模式，光伏发电注入电网，这种模式的电力潮流示意图如图6（b）所示。在这里，有一种可能性就是Vb增加或减少取决于电池的充电后者放电。如果VILT ≤ Vb ≤ VOUT, (例4) 参考电流注入到电网。然而，当Vb ≥ VOUT，参考电流增加少量δI (例5)，例如，Vb ≤ VOUT。一旦Vb小于外侧较高的临界值，参考电流不会变化，并且转换器工作在逆变状态直到Vb > VILT之后，它将停止注入功率与闲置（例6）。
当转换器工作在整流模式下，电池可能出现的充电或放电取决于光伏发电与负荷需求的可用性。如果VOLT ≤ Vb ≤ VIUT，电流Ic来自于电网。然而，如果电池放电到小于 VOLT，参考电流通过δI递增，所以Vb > VOLT。从表二可见（例8），参考电流的变化为δI，光伏和电网充电电池为VIUT。在这种情况下，转换器进入空闲模式（例9），并且这种模式的电力潮流的方向如图6（c）所示。current is injected into the grid.

图6 双向转换器在各种运行方式下的电力潮流
（a） 空闲模式 （b）逆变模式 （c）整流模式。
2.2 滞环控制器
一个滞环电流控制器很好的证明采用许多工业应用[33]是利用逆变器的电流控制。对于参考信号滞环电流控制器，作为一个功能生成的利用锁相环（PLL）的电网电压相位。注入电流与电网电压同相，因此，实现了单位功率因数。对于一个平均的开关频率fsavg，电感值计算[33]的计算公式18 mH为
L1 = (20)
其中，Vdc是直流电压，“a” 是调制指数，Δi是逆变电源的电流纹波。滞环电流控制器的规格如图3所示。
3、结果与讨论
评估所提出的控制策略的性能在MATLAB / Simulink的时域仿真研究环境进行了分析，并在实验室中的原型装置上进行了实验测试。实验的细节显示在表4。该系统由一个光伏阵列，一个升压转换器，一个单相全桥转换器，和一个电池充电器/放电器电路组成。该阵列配置包括五个平行弦，各有两个面板（额定80W·P）在MPP系列中得到36 V。升压转换器的额定电压110 V。双向双H桥电路，它可以作为电池的充电/放电电路工作在降压或升压模式。众所周知的相移调制策略[34] 是用于控制充电器/放电器电路。该充电/放电电路的电压控制回路保持为直流环节电压。单相双向变换器是采用功率绝缘栅双极晶体管（IGBT）SKM100GB063D，并通过一个80 / 230-V线由频率变压器连接到电网。门脉冲转换器被馈送通过SKHI22A驱动电路。电网的电压和电池电压检测采用隔离电压传感器LV25P，实际电流的测量用电流互感器LA55P。该控制算法包括MPP跟踪，直流环节电压控制，电流滞环控制，和电源管理系统，这个控制算法是Altera公司的数字化实现Cyclone II系列的现场可编程门阵列板（FPGA）。在稳定状态下和瞬态条件下的转换器的性能，例如，负载和日照的阶跃变化的分析，交流线电流控制技术[22]的性能比较。PMS的控制策略验证了通过改变负荷产生不同的操作模式。
3.1 稳态响应
单相转换器的稳态响应工作在整流模式如图7所示。从图7（a）可以看到在相间的电网电压和线电流，表明该转换器操作在整流模式，并提供230 W的功率因数为0.99。线电流的总谐波失真（THD）是3.7 %。图7（b）显示的是系统在逆变模式的稳态性能，一个192-W的功率从光伏反馈到电网。在这种模式下的线电流的THD为4.1%。它可以观察到附近的单位功率因数在整流和逆变模式的操作的实现。在这两个操作模式，最小电流由PMS设置为1。任何操作模式下，注入电流大于最小值，因此，THD总是小于5%的限制标准。
3.2 动态响应
为了验证系统在使用充电/放电电路的直流环节电压调节的有效性，两种不同情况下系统的动态性能，即，在直流负载和太阳辐射的阶跃变化，所获得的与一个典型的交流线电流控制获得的结果进行比较。
在一个典型的交流线电流控制，输入光伏电源和负载的功率两者之间的转换器操作模式不匹配，直流母线电压通过不同的交流线电流大小调节。另一方面，在所提出的控制中，电池电压被用于确定转换器的操作模式，并且通过电池的充电/放电电路调节直流环节电压。对于负载阶跃变化，被认为是两种不同的情况。
1）在负载阶跃变化时密切相匹配产成带有负荷功率的光伏发电(Ppv ≈ PL)。
在这种情况下是交流线电流控制，剩余的少量电能(Ppv − PL)被馈送到电网。当直流负载的增加从164到202 W，光伏发电是相同的，电网的注入电流降低到0.1 A。这以28.8％的高值增加了注入线电流的THD。波纹在交流线电流io的放大视图显示在图8（a）中的副区。然而，在所提出的技术中，最小电流基准由PMS设定为1，如图7（b）所示。

图7 稳态响应 （a）整流模式 （b）逆变模式
2）负载阶跃从(Ppv > PL)到(Ppv < PL)的转变。
在这种情况下，转换器从最初操作在逆变模式变化为整流模式。在图（8）给出，最初，逆变器给电网供应过剩的光伏发电(Ppv > PL)，当负载功率增加到342 W，光伏发电（282 W）不足以满足负荷需求，并且电网供应不足的功率。从图8（b）可以清楚地看出，在负载条件下的波动导致了转换器在逆变和整流模式操作之间的摆动。此外，可以观察到在Vdc干扰导致了光伏阵列的功率从它的最大值下降。
在此系统中，对于相同的步骤，负荷从224增加到342 W (Ppv < PL)，负载电流的增加通过充电/放电电路的电流ib的增加来补偿。电流注入到电网由设置的PMS保持恒定，显示在图8（c）。它也可以被观察到，电池电压整个期间的变化较小（39.2至37.7 V），因此，转换器不改变转换器的运作模式。
同样，在日照的阶跃变化，考虑两种情况。
1）在太阳辐射阶跃变化时密切相匹配产成带有负荷功率的光伏发电(Ppv ≈ PL)。
交流线电流控制在160W负载功率保持不变，光伏发电降低到348W。电网的注入电流减少到0.7A，这就增加了5.2%的THD。图8（d）中的副区是电流io的放大视图。可以观察到电流注入到电网的THD与日照的变化。在所提出的技术中，充电器/放电器补充了光伏发电，通常，最小的电流被馈送到电网。
2）太阳辐射阶跃从(Ppv > PL)到(Ppv < PL)的转变。
在交流线电流控制中，光伏发电降低到168 W (Ppv < PL)并且负荷功率保持恒定为202W。如图8（E）所示，该转换器由逆变模式转换为整流模式。在太阳辐射中提出了相同阶跃变化的系统，不足的功率由充电/放电电路提供，通过PMS设置的注入电网最的小电流的如图8（F）所示。它也可以被观察到，电池电压整个时期的变化是从38.6到37.1 V，因此，转换器在不同的模式之间不往返。

图9 电网故障下 (a)逆变模式 (b)整流模式
Y 轴：Iinv: 4 A/div; Vb: 80 V/div; Ib: 4 A/div; IL: 4 A/div. X轴s: 时间: 50 s/div.
3.4 自动电力潮流模式
光伏发电增加或负载功率降低导致逆变模式，而光伏发电功率降低或负载功率的增加导致整流模式。因此，测试PMS的控制策略，四种不同的情况被研究如下：
例1）逆变器经由空闲模式转换为整流模式；
例2）逆变器经由空闲模式转换为逆变模式；
例3）整流器经由空闲模式转换为逆变模式；
例4）整流器经由空闲模式转换为整流模式。
由于转换器的操作模式取决于电池电压，为了验证控制策略，电池电压的变化是在电池获得的通过负荷的变化。电阻性负载是这样选择的，负载阶跃变化引起电池电压的变化。实验波形如图10所示。1和2显示的是电池电压和电池电流，分别地，3显示的是直流侧的转换器的电流。
例1和例2：当光伏功率（352 W）大于242 W负载功率要求，转换器工作在逆变模式并且有230 W的功率注入到电网。电池的充电/放电电路输出144W。现在，直流负载功率的增加（287 W）导致电池电压的降低。通过逐步施加负荷使电池电压低于VILT (33.8 V)，在这一瞬间，转换器进入空闲模式，指示电流为零。负载功率的增加（320 W）导致的电池电压降低到31.8V，转换器进入整流模式如图10（a）所示，而负载功率下降（222 W）使变换器在逆变模式操作并且注入电网230W的功率，显示在图10（b）。
例3和例4：为了验证例3和例4，在实验前，负荷作用下，电池电压低于32 V，因此电力潮流来自电网的直流侧。电网中光伏发电为297 W和功率为221 W，电池的充电/放电电路使电池充电。现在，负载逐步释放，提高电池电压高于VIUT (38.3 V)，转换器进入空闲模式。负载增加的去除Vb 优于VOUT (40.2 V)，转换器转变为逆变模式，并且有230 W的功率反馈到电网。这可以从图10（C）中看到。然而，在负载需求的增加减少了Vb。这种情况通过逐级应用负载被证实，显示在图10（d）。由此可见，该系统具有对负载变化相当良好的反应结果。

图10 电池电压，电池电流，和自动功率控制在不同情况下的直流电流波形。（a）例1。（b）例2。（c）例3。（d）例4。Y轴：Vb: 10 V/div; Ibat: 2 A/div; Iinv: 4 A/div。X轴：时间: 20 s/div。
4、结论
在光伏并网发电系统的供电直流负荷电力潮流提出了一种通用的控制策略。该计划的重要性通过在实验室原型的实验研究提出。不同的操作模式的转换器的稳态特性已被观察到，负载和日照逐步改变系统的瞬态性能也有说明。
该控制策略已在Altera公司的Cyclone II FPGA板进行了数字实现，该算法通过改变负荷已在不同的操作模式中被验证，在计算机模拟和实验的结果之间有很好 的相关性，建立了PMS的有效性。
所提出的方案已经证明了它在预防光伏操作点的不良往返的有效性的意义，通过设置一个注入的最小参考电流使注入电网电流的THD保持在5%的允许极限。在确保高质的过剩光伏发电疏散到电网的同时，所提出的配置从提供不间断电源的角度到直流负载已被证明是有吸引力的。