電網(wǎng)功率可控型太陽能電池蓄電池混合供電不間斷逆變電源

1、電 力 自 動 化 設(shè) 備Electric Power Automation Equipment第 31 卷第 6 期2011 年 6 月Vol31 No.6Jun. 2011電網(wǎng)功率可控型太陽能電池- 電網(wǎng)-混合供電不間斷逆變電源蓄電池吳鳳江 1，2，1，孫力 2，趙克 2（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 物理系，黑龍江哈爾濱150001；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系，黑龍江 哈爾濱150001）摘要： 提出一種基于直流母線互聯(lián)的電網(wǎng)功率可控型太陽能電池、電網(wǎng)以及蓄電池混合供電的不間斷逆變電源。 詳細分析了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及工作機理，建立了系統(tǒng)的功率模型。 進一步提出考慮電網(wǎng)正常、異常等多種情況下的

2、具有太陽能最大利用率的電網(wǎng)功率、太陽能電池發(fā)電功率、蓄電池供 充電功率協(xié)調(diào)策略。系統(tǒng)具有效率高、網(wǎng)側(cè)電流諧波低、直流母線電壓波動小等優(yōu)點。策略的正確性和可行性。和實驗結(jié)果證明了所提出系統(tǒng)及： 電力系統(tǒng)；不間斷電源； 混合供電； 電網(wǎng)功率可控； 太陽能電池； 蓄電池號：文獻標識碼：文章編號： 1006 6047（2011）06 0011 05TM 91A逆變器以及相應(yīng)的同步均流算法，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高，同時由于輸出電壓相角、幅值等誤差產(chǎn)生的環(huán)流使系統(tǒng)效率降低，可靠性下降。本文將 PWM 整流技術(shù)以及太陽能發(fā)電技術(shù)用于不間斷電源，采用共用直流母線實現(xiàn)能量耦合，無需復(fù)雜的同步均流并聯(lián)技術(shù)；通過對網(wǎng)側(cè)

3、電能、光伏引言不間斷電源是一種在主供電電源失電或異常時能夠提供持續(xù)電能供應(yīng)的電源，在實時性很強、對電能質(zhì)量要求較高的用電場合具有重要的實用價值。但早期的技術(shù)方案存在耗能高、對電網(wǎng)諧波污染大、0電能以及蓄電池的電能進行協(xié)調(diào)，在實現(xiàn)不間斷斷電后持續(xù)工作時間有限等問題1 3。隨著可再生能電源的長期持續(xù)運行的同時還可以將多余電能回饋到電網(wǎng)，以達到充分利用太陽能、提高系統(tǒng)運行效率源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，將其與傳統(tǒng)電能變換技術(shù)合，在獲得系統(tǒng)優(yōu)良性能的同時，還可以起到顯著的節(jié)能作用4 5。 太陽能發(fā)電在各種可再生能源發(fā)電技術(shù)中因其優(yōu)良的清潔特性而具有廣泛的發(fā)展前的目的。網(wǎng)側(cè)輸入端采用 PWM技術(shù)還可以實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)輸入

4、電流正弦化運行11，最大限度地降低對 電網(wǎng)的諧波污染。景4 7。而將太陽能發(fā)電與不間斷逆變電源合的混合式發(fā)電技術(shù)，不僅能夠起到節(jié)能作用，還能夠延長電網(wǎng)失電后的運行時間，成為當前的研究熱點。 現(xiàn)有混合式供電技術(shù)主要有 3 種方案。逆變電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及電能協(xié)調(diào)策略1所提出的電網(wǎng)功率可控型太陽能電池-電網(wǎng)-蓄電池混合供電不間斷逆變電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，各個模塊通過直流母線連接進行電能的傳遞。 輸a. 方案 1：太陽能電池和蓄電池供電8。b. 方案 2：太陽能電池為蓄電池充電，再由電網(wǎng)和蓄電池共同為負載供電9。c. 方案 3：太陽能電池、電網(wǎng)和蓄電池通過交流母線連接后共同為負載供電10。方案 1

5、 由于受光照、環(huán)境等因素的影響，電能的持續(xù)輸出難以保證，只適合于負載恒定、功率較小的場合。 方案 2 能夠長期輸出穩(wěn)定電能，但是沒有考慮太陽能的最大化利用問題，在蓄電池充滿電后，太陽能電池處于開路或弱發(fā)電狀態(tài)，系統(tǒng)總體效率沒有達 到最優(yōu)。 方案 3 能夠保證系統(tǒng)的長期運行，但是由于各個發(fā)電源基于交流母線并聯(lián)，需要增加直流-交流入側(cè)的整流器用于電網(wǎng)功率、輸入電流波PWM形以及網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)；升壓電路用于太陽能電池的輸出功率并具有最大功率跟蹤功能；儲能電容用于緩沖直流母線的電能；充放電模塊用于蓄電池的充放電調(diào)管理與；能量管理模塊用于整個系統(tǒng)的電能協(xié)。接負載交流電網(wǎng)電壓輸入直流 交流逆變電器太陽能電池

6、板升壓電路PWM整流器充放電電路蓄電池收稿日期：2010 07 23；日期：2011 04 08基金項目：黑龍江省自然科學(xué)基金資助項目（E200625） Project supported by the Natural Science Foundation of Hei longjiang Province of China（E200625）圖 1 所提出的不間斷逆變電源結(jié)構(gòu)原理圖Fig1 Schematic diagram of UPS能量管理模塊儲能電容電 力 自 動 化 設(shè) 備第 31 卷電能協(xié)調(diào)策略的流程圖如圖 2 所示。下面充滿，則太陽能電池仍然工作大功率輸出模對電網(wǎng)正常和電網(wǎng)異常

7、2 種情況進行分析。啟動式，充放電電路在對蓄電池進行充電的同時，保持直流母線電壓恒定。 若蓄電池已充滿，則充放電電路停止工作，Pbt= 0，多余電能將容中，此時的動態(tài)功率模型為在儲能電N電網(wǎng)正常？直流電壓達到上充放電電路 1 2乙YN22Cu （t）-U =（P - P ）dt（3）工作于直流電壓SE DCDCpvloadPWM 整流器工作于直流電壓閉環(huán)限值？Y閉環(huán)模式，升其中，CSE 為儲能電容值；UDC 為直流電壓正常工作壓電路工作模式，升壓電大功率輸出模式充放電電路停路工作率輸出大功模式值；u （t）為直流電壓瞬時值。DC止輸出， 升壓電路由式（3）可知，直流電壓 uDC（t）將上升，設(shè)

8、定略高于直流電壓正常工作值的直流電壓限定值，若直流電 壓達到直流電壓限定值，升壓電路工作于直流電壓限工 作 于 恒 壓 模 式Y(jié)停機蓄電池電壓低于保護值？蓄電池充電Y蓄電池 電量不足？壓模式，此時太陽能電池的實際輸出功率 Ppv1 為NNPpv1 = Pload（4）Ppv1 將小大輸出功率。 通過這種方式，可以解決啟動直流 交流逆變模塊在蓄電池和太陽能電池共同為負載供電時的電能耦圖 2 電能協(xié)調(diào)策略流程圖合以及蓄電池的投入與的問題。Fig2 Flowchart of coordinated control strategy電網(wǎng)正常電網(wǎng)正常時的穩(wěn)態(tài)功率模型為Ppv + Pgrid = Pbt

9、+ Pload各模塊的策略1.12根據(jù)上述電能協(xié)調(diào)策略對各個模塊的功能（1）要求，各個模塊采用了下述相應(yīng)的整流器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖 3 所示。策略。 PWM采用直流電壓外其中，Ppv 為太陽能電池輸出功率；Pgrid 為電網(wǎng)輸出功率，當電網(wǎng)提供電能時大于零，回饋電能時小于零； Pbt 為蓄電池輸出電能，處于充電模式時大于零，處于放電模式時小于零；Pload 為負載消耗的功率。環(huán)、輸入電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)12。儲能電容電網(wǎng)正常時的原則是，太陽能電池處大功率輸出模式，PWM 整流器工作于直流電壓恒定控Lre制模式，若蓄電池電壓低于充電值，則充放電控uaub uciaibicU*abcSVPWM制電路

10、工作于充電模式輸出電能。充電完成后停止工作不 DC，+uuU*U*sin e KPI下面分析電能光線不足時，即 P過程。P cos ed qiisin e，則 P > 0，此時電< P + Ppvbtloadgridcos edq網(wǎng)向系統(tǒng)提供電能，由于 PWM 整流器工作于直流電U*U*dqiiq*d電流前饋解壓恒定模式，其輸入電流與輸入功率成正比9。iqi*0耦算法d光線充足或輕載運行時，即 Ppv > Pbt + Pload， 則有圖 3 PWM 整流器的 VOC 系統(tǒng)原理圖Fig3 Schematic diagram of VOC system of PWM recti

11、fier輸入電流內(nèi)環(huán)采用電流前饋解耦電壓定向矢量P < 0，此向電網(wǎng)回饋電能，同時保持直流電grid壓恒定。 在整個過，太陽能電池始終處大功率輸出模式，進而充分利用了太陽能。VOC（Voltage Oriented Control）策略， 為器的電網(wǎng)異常電網(wǎng)異常時 PWM 整流器停止工作，由蓄電池和太陽能電池共同為負載供電，其穩(wěn)態(tài)功率模型為1.2表 乙乙K +K乙乙dIU =-*（i - i ） + u + L i*乙dPddddre q乙s乙乙乙乙P = P + P（2）pvbtload（5） 乙K +K乙光線不足時，即 P < P ，由上式可知，P < 0，由乙qIpvl

12、oadbt乙 *U =-（i - i ） + u - L i*qP乙qqqqre ds蓄電池和太陽能電池共同為負載供電，此時太陽能電乙乙其中，KdP、KdI、KqP、KqI 分別為 d、q 軸電流調(diào)節(jié)器比例、池工作大功率輸出模式，不足電能部分由蓄電池補系數(shù)為逆變電壓軸分量給定值充，通過充放電電路工作于恒定電壓模式來實；U 、U*qd、q；i 、*dd為網(wǎng)側(cè)電流軸分量的給定值與實際值現(xiàn)，此時仍然可以充分利用太陽能。 在極限情況下， 即無光照同時蓄電池電能不足以滿足負載需求時，系*i 、i 、id、q；d q q為電網(wǎng)角頻率。 這樣 d、q 軸電流可以實現(xiàn)解耦。直流電壓外環(huán)用于直流母線電壓恒定統(tǒng)停

13、機。光線充足或輕載運行時，即 Ppv > Pload，同樣由式，采（2）可知，Pbt > 0，即對蓄電池進行充電，若蓄電用 PI 調(diào)節(jié)方式，調(diào)節(jié)器輸出作為 q 軸電流給定，d 軸第 6 期吳鳳江，等：電網(wǎng)功率可控型太陽能電池 電網(wǎng) 蓄電池混合供電不間斷逆變電源電流給定為零，以實現(xiàn)功率因數(shù)運行。在電網(wǎng)輸能量管理模塊接收 PWM 整流器傳送的電網(wǎng)狀出電能時，q 軸電流為正值，而向電網(wǎng)饋入電能時，q 軸電流為負值，這樣在保持直流電壓恒定的同時，能態(tài)信號，以及升壓電路、充放電電路和輸出側(cè)的直流-交流逆變電路的狀態(tài)，并采用圖 2 的協(xié)調(diào)夠?qū)崿F(xiàn)電能的自動雙向。策略，向各個模塊發(fā)出相應(yīng)的命令。升

14、壓電路原理圖如圖 4 所示，包括采用電導(dǎo)增量系統(tǒng)性能根據(jù)所提出的逆變電源系統(tǒng)及電能協(xié)調(diào)法的最大功率點跟蹤 MPPT（3um Power PointTracking） 13 和采用 PI 調(diào)節(jié)器的直流電壓限壓2 種模式，直流電壓限定值略大于直流電壓正常工作值，用于在電網(wǎng)異常且太陽能電池發(fā)電功率大于 負載功率時保持直流電壓穩(wěn)定，以保證系統(tǒng)可靠運策略，采用 PSIM其性能進行軟件根據(jù)圖 1 搭建了模型,對參數(shù)為：系統(tǒng)額定功率 10 kW，。電網(wǎng)輸入電壓為三相 380 V，直流電壓正常工作值600 V，限定值 620 V，輸出電壓為三相 380 V，頻率 50行。本文采用 2 路器的占空比加和的方式來

15、獲得最終的占空比，在直流電壓低定值時，直流電壓環(huán)輸出值為零，功率器件的占空比等大功率點為分析方便，系統(tǒng)帶動三相額定對稱電阻負載。下面首先分析電網(wǎng)正常時的系統(tǒng)工作情況。Hz。跟蹤環(huán)的輸出，在直流電壓達到限定值時，占空在比的值為 2 個環(huán)的和 dsum，由于直流電壓環(huán)初始時刻，太陽能電池輸出功率為零，此時完全由電網(wǎng)提供電能；在 0.25 s 將太陽能電池最大可輸出功率變?yōu)?5 kW，此時由電網(wǎng)和太陽能電池共同為負載供電；在 0.3 s 將太陽能電池最大可輸出功率變?yōu)?10 kW， 此時由太陽能電池單獨為負載供電；在 0.35 s 將太陽能電池最大可輸出功率變?yōu)?15 kW，此時太陽能電池的發(fā)電電能

16、一部分向負載供電，另一部分回饋到電的輸出占空比值為負值，因此直流電壓瞬時變化越高，則 dsum 越小，進而可以實現(xiàn)太陽能電池輸出功率的該方案與傳統(tǒng)設(shè)置滯環(huán)器的方法6相。比，可以實現(xiàn) 2 種模式的柔性切換，并減小直流電壓的波動。濾波器儲能電容VD1太陽能電池VT1網(wǎng)。結(jié)果如圖 6 所示，由圖可見，網(wǎng)側(cè)輸入電流為正弦波形，諧波含量較低，其幅值隨著供電功率的變化而變化，各個模塊的輸出功率隨著太陽能電池的 變化而變化，在 0.35 s 之后，網(wǎng)側(cè)電流相位與電網(wǎng)電電壓電流直流電壓檢測檢測檢測PWM 信號產(chǎn)生及驅(qū)動壓相位相反，電能回饋到電網(wǎng)。 在整個變化過，dsumuDC直流電壓處于給定值，其誤差小于 0

17、.25 %。在整個過u*ddpv12pvPIPI+ +，輸出電壓、電流為正弦波形，幅值保持恒定。下面分析蓄電池和太陽能電池共同為負載供電+限幅器 1限幅器 2圖 4 升壓電路原理圖U*DCL時的性能，以模擬電網(wǎng)異常的情況。直流電壓Fig4 Schematic diagram of Boost circuit正常工作給定值為 600 V，限定值給定為 620 V。在初充放電電路原理圖如圖 5 所示，采向變始時刻太陽能電池不輸出電能，負載由蓄電池單獨供電；在 0.25 s 將太陽能電池最大可輸出功率變?yōu)? kW，此時由蓄電池和太陽能電池共同為負載供電； 在 0.3 s 將太陽能電池最大可輸出功率變

18、為 10 kW， 此時由太陽能電池單獨為負載供電；在 0.35 s 將太陽能電池最大可輸出功率變?yōu)?15 kW，此時升壓電路工換器結(jié)構(gòu)，有升壓和降壓 2 種工作模式，降壓模式用于實現(xiàn)蓄電池的充電，采用先恒流后恒壓的方式14。升壓模式用于對蓄電池輸出功率進行，通過采用直流電壓恒定來實現(xiàn)。 根據(jù)當前直流電壓值、電網(wǎng)是否正常和蓄電池的電壓來決定充放電 電路的工作模式。直流-交流逆變電路采用三構(gòu)，采用輸出電作壓模式，太陽能電池發(fā)出一部分電能。 仿壓外環(huán)、電感電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)電壓定向矢量策略，以產(chǎn)生對稱的三相輸出交流電壓15。真結(jié)果如圖 7 所示，由圖可見，各個模塊很好地跟隨功率的變化，直流電壓保持平穩(wěn)

19、，在 0.35 s 之后，升壓電路工作 壓模式，直流電壓維持在限定值。濾波器實驗驗證搭建了小功率實驗平臺，參數(shù)如下：三相交流輸入相電壓 50 V，直流母線電壓 150 V，三相輸出相電壓 48 V，頻率 50 Hz。 帶動三相對稱阻性負載，阻值為 15 ，太陽能電池采用可調(diào)直流電壓源串聯(lián)電阻儲能電容4V蓄電池TB1VTB2直流電壓檢測VVTB2TB1電壓檢測電流檢測PWM 信號產(chǎn)生及驅(qū)動uDC充電算法模式切換PI+的方式模擬。圖 8 為電網(wǎng)和太陽能電池共同供電時限幅器U*DC的穩(wěn)態(tài)實驗波形，由圖可知，輸入電流為正弦波形，輸出電壓幅值恒定，具有較好的正弦性。圖 5 充放電電路原理圖Fig5 Sc

20、hematic diagram of charge discharge control circuitMPPT 算法u +電力自動化設(shè)備第 31 卷uBuC400uA ua ia0iCiAiB0.254000.20t：5 ms div網(wǎng)側(cè)輸入電壓、電流波形uA0.30t s0.350.40（a）（a） 三相輸出電壓、電流（電流放大 5 倍）uGA uGB400uGCiA0t：20 ms div輸出電壓、電流波形iGC iGA iGB0.254000.20（b）0.30t s0.350.40圖 8 穩(wěn)態(tài)實驗波形Fig8 Static experimental waveforms（b） 三相輸出電

21、網(wǎng)電壓、電流（電流放大 5 倍）20Pload10PgridiaPpv10 uDCPpvr100.200.250.30t s0.350.40t：50 ms div突增太陽能電池發(fā)電功率ia（a）（c） 各模塊輸出功率（Ppvr 為太陽能電池最大可輸出功率）601.5600.0 uDC t：50 ms div突減太陽能電池發(fā)電功率598.50.200.250.30t s0.350.40（b）圖 9 直流電壓、網(wǎng)側(cè)輸入電流暫態(tài)實驗波形直流母線電壓（d）Fig9 Dynamic experimental waveforms of DClink voltages and grid side input

22、 currents圖 6 電網(wǎng)正常波形Fig6 Simulative waveforms when grid is normal網(wǎng)側(cè)電流上升，電網(wǎng)輸出功率上升。終使直流電壓保持平穩(wěn)。2 種情況下均最2015105050.20PpvrPload結(jié)論所提出的不間斷電源及其電能協(xié)調(diào)實現(xiàn)最大利用太陽能的同時，輸出電壓好，網(wǎng)側(cè)輸入電流正弦性好，系統(tǒng)以5Ppv1Pbt策略在性能較0.250.30t s0.350.40功率因數(shù)運各模塊輸出功率（a）行，在光線充足時，能夠使系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行，使系統(tǒng)具有節(jié)能、低諧波污染、高功率因數(shù)、可實現(xiàn)長期625不間斷運行等優(yōu)良特性，進而擴展了系統(tǒng)的能，進一步提高了可再生能源

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25、uGA GB GC V，iGA GB GC AuA B C V，iA B C AUDC VP kWP kWuDC：100 V divia：2 A divuDC：100 V divia：2 A divuA：50 V diviA：5 A divua：50 V divia：2 A div第 6 期吳鳳江，等：電網(wǎng)功率可控型太陽能電池 電網(wǎng)蓄電池混合供電不間斷逆變電源of SPWM inverter for UPS purpose J. IEEE Trans on PowerElectronics，2003，18（3）：784-792.summary of three-phase voltage so

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