光伏与市电联合供电系统的能量管理控制
张春龙;邵丽华;戴未然
【摘 要】选择市电作为补充能源，提出一种由太阳能光伏与市电联合的供电系统．该系统由太阳能电池、市电、DC—DC变换器和功率因数校正变换器组成,针对系统中存在两个供电电源问题,制定了合理的能量管理控制方案保证两个电源能协调工作,根据太阳能电池和负载的工作状态，确定控制系统合适的工作模式，以此来控制系统能量流,实验结果验证了所提出的能量管理控制方案的有效性.%The commercial power is lected as the back-up energy and a hybrid power system compod of photo- voltaic and commercial power is propod. The system is compod of a solar cell, the commercial power, a DC-DC converter, a power factor correction converter (PFC) and DC load. The power management is prented for the hy- brid power system to utilize the solar energy. The core of the power management strategy is to keep the system work under suitable mode to control the power flow of the system, according to the work status of the solar cells and the load. The experimental results have confirmed the effectiveness of the power management strategy.
恐怖炸弹【期刊名称】《南通大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2012(011)003
【总页数】6页(P5-10)
【关键词】太阳能光伏电池;市电;供电系统;能量管理
未来图片【作 者】木格措风景区张春龙;邵丽华;戴未然
【作者单位】南通职业大学电子信息工程学院,江苏南通226007;南通职业大学电子信息工程学院,江苏南通226007;南京航空航天大学自动化学院,江苏南京210016
【正文语种】中 文
【中图分类】TM461
随着社会和经济的发展，人们对能源的利用越来越多，这使得传统的化石能源日益枯竭，同时也造成严重的环境污染.清洁的可再生能源由于具有资源无限、不污染环境，以及可循
环利用的优点，因而得到广泛的应用，它包括风能、太阳能、地热能、生物质能和海洋能等[1-2].太阳能的利用方式与类型很多，太阳能光伏发电是其中重要的一种.由于太阳能光伏发电存在一些不足，例如随气候条件变化而随机性强、电力供应不稳定等，为了保证系统的稳定性和运行效率，必需有其他能源设备进行补充[3-4].目前在独立式太阳能光伏发电系统中一般采用蓄电池作为补充能源，但是由于蓄电池体积大，且会带来环境污染问题，因此在有市电的场合可以选择市电作为补充能源[5-8].
文献[9]利用燃料电池和太阳能电池联合供电，但只能应用在一些特殊的场合，因此有其局限性.文献[10]提出了一种风力发电、光伏发电和燃料电池混合供电系统，该系统结构和控制方式都比较复杂，目前应用并不广泛.在太阳能和市电都存在的场合，为了能最大限度地利用太阳能，使两类电源能协调工作向负载提供稳定的电能，需要制定合理的能量管理控制策略[11-13].系统能量管理的核心是根据太阳能电池和负载的工作状态，控制系统工作在合适的模式，以此来控制系统能量流.本文提出了一种系统能量管理控制方案，并搭建了一套2 kW 的太阳能光伏/市电联合供电系统，对所提系统能量管理控制策略的正确性和有效性进行了验证.
1 系统结构
由于太阳能电池输出的是不稳定的低压直流电，需要通过DC-DC 变换器将太阳能电池的输出电压转换成负载需要的稳定的380 V 直流电；此外因为采用市电作为补充能源，需要将220 V 的单相市电整流以后接到直流母线上，构成一套太阳能光伏/市电联合供电系统.为了满足国标，需要采用功率因数校正变换器（Power Factor Correction，简称PFC）.图 1 给出了太阳能光伏/市电联合供电系统的结构框图.系统由太阳能电池、市电、DC-DC 变换器和PFC 组成.
图1 太阳能光伏/市电联合供电系统示意图
一般单个太阳能电池组件的输出电压只有几十V，为了得到380 V 直流电，会使得DC-DC 变换器的升压比变得很高.非隔离Boost 变换器电路结构简单而且控制方便，但是当占空比超过0.9时，Boost 变换器优化设计会很困难，因此单级非隔离Boost 变换器不满足本系统要求.全桥DC-DC 变换器适用于功率较大的应用场合，采用移相控制，可以实现软开关，系统效率较高，但是其存在变压器副边占空比丢失现象.为了减小占空比丢失，要使谐振电感取值非常小，其中谐振电感包括变压器漏感.由于本系统的升压比很高，这就要求变压器副边和原边的匝比很大，匝比大会导致漏感大，变压器设计难以满足谐振电感的要求.推挽
变换器适用于大功率场合，但是由于其电路结构不完全对称会在变压器原边产生直流偏磁，容易造成元器件损坏，所以单级推挽变换器也不适合本系统的要求[14-15].
由于单级变换器不满足要求，本文采用两级式变换器.为了充分利用Boost 变换器和全桥直流变换器的优点，DC-DC 变换器采用Boost 变换器加全桥直流变换器的两级式结构.Boost 变换器将太阳能电池的输出电压升高到100 V 左右，再经过全桥直流变换器可以升高到380 V.
PFC 采用广泛应用的Boost 变换器，工作在电感电流连续模式，它具有输入电流连续、电磁干扰小、射频干扰低等优点.图2 给出了系统主电路结构图.
2 系统能量的管理控制
2.1 工作模态
根据太阳能电池的输出功率和负载大小，系统有3种工作模态.其能量流动示意图如图3所示.
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工作模态Ⅰ：当负载所需功率小于太阳能电池最大输出功率时，控制DC-DC 变换器工作在稳压工作状态，得到直流母线电压为380 V，太阳能电池提供负载所需功率.
工作模态Ⅱ：当负载所需功率大于太阳能电池最大输出功率时，控制DC-DC 变换器工作在最大功率点跟踪控制状态，同时PFC 工作，提供不足功率，并控制直流母线电压为380 V.
图2 系统主电路结构图
图3 不同工作模态下的系统能量流动示意图
工作模态Ⅲ：太阳能电池无法工作；关闭DCDC 变换器，PFC 单独工作，市电提供负载所需功率，并控制直流母线电压为380 V.
2.2 系统控制电路的实现
在本文的太阳能光伏与市电联合供电系统中，太阳能电池为主供电电源（1#源），市电为补充供电电源（2#源）.为了保证负载正常工作，必须确保直流母线电压稳定，此外要尽可能地多利用太阳能电池，因此DC-DC 变换器要具有最大功率点跟踪（Maximum Power Po
int Tracking， 简称 MPPT）控制功能.图4 给出了系统的控制策略框图，包括电流调节器、电压调节器、最大功率点跟踪（MPPT）控制器、PWM 电路以及门极驱动电路等.D1为DC-DC变换器中Boost 开关管Q1 的控制信号，D2为PFC开关管Q2 的控制信号.
MPPT 控制器采用传统的扰动观察法得到太阳能电池最大功率点电流ipv_m，电流调节器控制得到最大功率点电流，电压调节器控制直流得到稳定的直流母线电压.
图4 系统控制策略框图
根据系统工作模态，对控制电路的具体工作情况分析如下：
1）当负载所需功率小于太阳能电池的最大输出功率时，此时太阳能电池单独向负载供电，如图5a所示.如果保持iin1_ref=ipv_m，则太阳能电池一直会工作在最大功率点，由于其输出功率大于负载所需的功率，这将导致直流母线电压升高.此时电压调节器的输出使PFC 开关管的占空比D2为0，同时使Dc 导通，电压调节器的输出将作为调整信号使iin1_ref 减小，即使得太阳能电池的输出电流减小.此时电流调节器与电压调节器组成双闭环控制结构，电压环为外环，电流环为内环，调节Boost 开关管Q1 的占空比D1 使直流母线电压一直稳定在380 V.
2）当负载所需功率大于太阳能电池的最大输出功率时，此时由太阳能电池和市电同时向负载进行供电，如图 5b所示.此时由电压调节器调节PFC 开关管Q2 的占空比，以控制直流母线电压为380 V，Dc 阻断，电流调节器和电压调节器分别独立工作.其中最大功率点跟踪（MPPT）控制器计算得到ipv_m 作为电流调节器的给定，使太阳能电池一直能输出最大功率，市电仅仅提供负载所需的不足功率.
3）当太阳能电池无法工作时，关闭DC-DC 变换器，此时仅仅由市电提供负载所需要的功率，如图5c所示.此时，电压调节器控制PFC 电路的开关管Q2 的占空比，以保证直流母线电压稳定在380 V.
肉英语怎么说3 实验验证
为了验证本文提出的太阳能光伏发电与市电联合供电系统能量管理控制方案的正确性和有效性，搭建了一套2 kW 的实验系统，如图6所示.具体参数如下.
1#源采用太阳能电池阵列，参数如下：
最大输入功率Pin1=1 240 W；
最大功率点电压Vin1_m=34.4 V；
最大功率点电流Iin1_m=36.1 A；
开路电压Vin1_oc=43.2 V；
短路电流Iin1_sc=39.2 A.
旧楼改造系统采用市电作为补充供电电源，则2#源的参数为：
输入额定功率Pin2=2 100 W；
四时之景不同
图5 系统控制电路工作模式示意图人才测评师
图6 系统原理样机
输入电压Vin2=220 V ±20%；
输入电流Iin2=0～12 A.
系统其他主要技术指标为：
输出电压Vo=380 V；
额定功率Po=2 000 W.
图7 给出了DC-DC 变换器单独工作时的实验波形.其中vQ1为Q1 的控制电压；iLf1为DC-DC 变换器中Boost 变换器的电感电流；vAB为全桥直流变换器变压器的原边电压；vo为直流母线电压.
图8 给出了PFC 单独工作时的实验波形.其中vg为市电输入电压；iLf2为市电输入电流.
图9 给出了太阳能电池单独供电时负载突变的系统动态实验波形.t1时刻之前太阳能电池单独向负载供电，控制输出电压稳定在380 V.t1时刻负载功率突然减小，此时负载仍小于太阳能电池的最大输出功率，DC-DC 变换器仍然工作在稳压状态.
