独立光伏发电系统能量管理控制策略

和蓄电池的工作状态，控制单向变换器和双向变换器工作在 合适的模式，从而使太阳能电池和蓄电池协调工作，确保供 电系统高效稳定运行以及快速的动态响应。通过原理样机验 证了所提的系统能量管理控制策略的有效性。
关键词：太阳能电池；蓄电池；光伏发电系统；能量 管理
0 引言
随着化石能源迅速消耗，以及由此带来的能源 危机与环境污染日益加剧，近年来世界各国都在积 极寻找和开发新的、清洁的可再生能源。太阳能具 有取之不尽、用之不竭等优点，是理想的可再生能 源。太阳能光伏发电能缓解能源危机和减少环境污 染，并具有广阔的应用前景[1-7]。太阳能光伏发电系 统按是否与公共电网相联接，分为独立运行和并网 运行 2 种方式。独立运行的光伏发电系统是目前太 阳能光伏发电应用的非常重要的一种方式，其应用 非常广泛，可以解决偏远山区和无电网地区的供电 问题。由于太阳能电池的输出功率受太阳光强和环 境温度的影响变化很大，而且不能储存能量，因此 独立运行的光伏发电系统必须配备贮能蓄电池来 储存和调节电能[8-12]。在传统的独立光伏发电系统 中，蓄电池直接与直流母线相连接，其充放电电流 不能得到有效的控制，当负载突变时，可能导致蓄 电池的充放电电流过大，损坏蓄电池；因此有必要 在系统直流母线和蓄电池之间插入一个 DC-DC 变 换器以控制蓄电池的充放电[13-15]。
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中国电机工程学报
第 29 卷
直流母线
单向变换器 (MPPT 模式)
负载
太阳能电池 蓄电池
双向变换器 (Boost 模式)
(a) 工作模式 I
直流母线
单向变换器 (恒压Байду номын сангаас式)
负载
太阳能电池 蓄电池
双向变换器 (Buck 模式)
(b) 工作模式 II
直流母线
单向变换器 (关断)
负载
太阳能电池 蓄电池
ABSTRACT: With serious energy crisis and environmental concern, the solar photovoltaic power has received great attention and experienced impressive progress recently. In this paper, a novel energy management strategy is proposed for a stand-alone photovoltaic power system that consists of a solar cell array powering the steady state energy, a battery compensating the dynamic energy, a uni-directional DC-DC converter, and a bi-directional DC-DC converter. Through controlling the uni-directional DC-DC converter and bi-directional DC-DC converter to operate in an appropriate modes depending on the operation states of solar cell and battery, this strategy harmonizes the work of solar cell and battery, which makes the system operate with high efficiency and good dynamic performance. Experimental results on a 500 W stand-alone photovoltaic power prototype verify the effectiveness of the proposed strategy.
第 29 卷 第 21 期 46 2009 年 7 月 25 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.29 No.21 Jul. 25, 2009 ©2009 Chin.Soc.for Elec.Eng.
文章编号：0258-8013 (2009) 21-0046-07 中图分类号：TK 514 文献标志码：A 学科分类号：470⋅40
工作模式 III： 单向变换器：关机模式 双向变换器：Boost 模式
工作模式 III： 单向变换器：关机模式 双向变换器：Boost 模式
太阳能电池电压与蓄电池充放电电流
UPV > UPV_min
IBat < IBat_max
IBat ≥ IBat_max
工作模式 V： 单向变换器：恒压模式 双向变换器：Buck 模式
图 1 为本文所构建的一种采用太阳能作为一次 能源、蓄电池作为储能单元的太阳能独立光伏发电
第 21 期
廖志凌等： 独立光伏发电系统能量管理控制策略
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系统，由太阳能电池、蓄电池、单向 DC-DC 变换 器和双向 DC-DC 变换器组成，系统具有以下特点： 1）系统结构较简单，蓄电池充放电共用一个双向 变换器来实现，可减轻系统的重量，同时通过双向 变换器还可以控制蓄电池充放电电流，保护蓄电池 不受损坏；2）由于蓄电池的引入，系统过载所需 的能量可由蓄电池放电来提供，太阳能电池的功 率等级只需按照系统额定功率进行配置，从而降 低系统费用；3）根据系统的不同工作状态，通过 选择 2 个变换器的工作模式，有效实现系统能量 流动管理[16]。
池输出功率，Po 为负载消耗功率)，不足部分由蓄 电池通过双向变换器来补充(IBat < 0)；如果太阳能 电池输出能量大于负载所需能量时，即 Ppv > Po，那 么多余的能量通过双向变换器给蓄电池充电(IBat > 0)。由于双向变换器的功率开关管互补导通，能量 可以双向流动，即蓄电池可以在放电与充电状态之 间自然切换，两者的区别仅是蓄电池能量流动方向 相反。
工作模式 I：系统正常运行时，单向变换器工 作 在 最 大 功 率 点 跟 踪 (maximum power point tracking，MPPT)模式，双向变换器工作在 Boost 模 式，控制双向变换器高压侧的电压和反向电感电流 (假设蓄电池充电时电感电流为正)，给直流母线提 供稳定电压，如图 2(a)所示。如果太阳能电池不 足以提供负载所需能量，即 Ppv < Po(Ppv 为太阳能电
双向变换器 (Boost 模式)
(c) 工作模式 III
直流母线
单向变换器 (关断)
负载
太阳能电池 蓄电池
双向变换器 (关断)
(d) 工作模式 IV
直流母线
单向变换器 (恒压模式)
负载 (不工作)
太阳能电池 蓄电池
双向变换器 (Buck 模式)
(e) 工作模式 V
图 2 系统不同工作模式下的能量流动示意图 Fig. 2 Energy flow in different operation modes
LIAO Zhi-ling1, RUAN Xin-bo2
(1. College of Electronic and Information Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu Province, China; 2. College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016, Jiangsu Province, China)
通过对太阳能电池电压(UPV)、蓄电池电压(UBat) 和蓄电池充放电电流(IBat)的检测，可以将系统的工 作情况划分为 5 种工作模式，如表 1 所示。表 1 中， UPV > UPV_min 和 UPV ≤ UPV_min 分别表示太阳能电池 有能量输出和没有能量输出的情况，本系统设置 UPV_min = 150 V；IBat > 0 和 IBat < 0 分别对应于蓄电池 充电和放电的情况，IBat_max 是所设置的蓄电池最大 充电电流，本系统设置 IBat_max = 10 A；UBat_max 和 UBat_min 分别是设置的蓄电池过充电压和过放电压， 本系统设置 UBat_max = 56 V、UBat_min = 44 V。根据 表 1 所划分的 5 种工作情况，可以对应得到系统的 各种能量流动示意图，如图 2 所示。
IPV +
UPV
太阳能 电池
−
150~350 VDC
Q3 C1
C L2 iL2
直流母线 100 VDC + Io +
D3
C2
UBus RL Uo
D
−
−
单向 DC-DC 变换器
iBat iL1
D1
+
L1 A
Q1
UBat
CL Q2 D2
CH
蓄电池 − 48 V/100 A⋅h
B 双向 DC-DC 变换器
KEY WORDS: solar cell; battery; photovoltaic power system; energy management
摘要：随着能源危机和环境污染问题日益严重，太阳能光伏 发电正成为世界关注的热点。提出一种新的太阳能独立光伏 发电系统能量管理控制策略。系统由太阳能电池、蓄电池、 单向 DC-DC 变换器和双向 DC-DC 变换器组成，太阳能电 池提供负载稳定工作时所需要的能量，多余或不足的能量由 蓄电池来动态调节。系统能量管理的核心是根据太阳能电池
蓄电池电压 UBat ≤ UBat_min UBat_min< UBat< UBat_max UBat ≥ UBat_max
表 1 系统的工作模式 Tab. 1 Operation modes of the proposed system
UPV ≤ UPV_min IBat < 0
工作模式 IV： 单向变换器：关机模式 双向变换器：关机模式
独立光伏发电系统能量管理控制策略
廖志凌 1，阮新波 2
(1．江苏大学电气信息工程学院，江苏省 镇江市 212013； 2．南京航空航天大学自动化学院，江苏省 南京市 210016)
Energy Management Control Strategy for Stand-alone Photovoltaic Power System
(负载不工作)
工作模式 II： 单向变换器：恒压模式 双向变换器：Buck 模式
工作模式 I： 单向变换器：MPPT 模式 双向变换器：Boost 模式
工作模式 II： 单向变换器：恒压模式 双向变换器：Buck 模式
工作模式 II： 单向变换器：恒压模式 双向变换器：Buck 模式
工作模式 II： 单向变换器：恒压模式 双向变换器：Buck 模式
基金项目：国家自然科学基金重点项目(50837003)；国家自然科学 基金青年科学基金项目(50807024)；江苏省“六大人才高峰”项目计划 (07-E-022)；教育部新世纪优秀人才支持计划项目；江苏大学高级专业 人才科研启动基金项目(09JDG010)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50837003, 50807024)．
式，使得蓄电池和太阳能电池这 2 种电源协调工作， 保证供电系统的正常运行。实验结果验证了所提出
的系统能量管理控制策略的有效性。
1 系统的工作模式与能量流动方式
图 1 中，单向 DC-DC 变换器选用 Buck 变换器， 它把太阳能电池组件的宽范围直流输出电压(本实 验系统为 150~350 VDC)转换为稳定的直流母线电 压(100 VDC)；双向 DC-DC 变换器选用 Buck/Boost 双向变换器。该系统可以通过 DC-AC 逆变器接交 流负载，也可通过 DC-DC 变换器接直流负载；如 果直流母线电压与负载所需要的电压相匹配，则可 以直接外接直流负载。为简化分析，本系统选择直 流母线直接外接直流电阻负载。
图 1 太阳能独立光伏发电系统框图 Fig. 1 Proposed stand-alone photovoltaic system
针对系统中有太阳能电池和蓄电池 2 个能量提 供装置的特点，本文提出一种能量管理控制策略，
其核心是根据太阳能电池和蓄电池的工作状态，控
制单向变换器和双向变换器分别工作在合适的模