光伏儲能系統建模及控制算法分析摘要能源枯竭問題日益加劇，世界各國開始著眼于于新能源領域，新能源發電得以得到大力發展，然而新能源發電往往受到環境因素影響，供能不穩，接導致了新能源發電難以得到推廣，通過在新能源發系統中加入儲能系統可以在一定程度上解決上述問題。儲能系統在光伏發電系統中起著重要作用，當前儲能系統主要使用蓄電池作為儲能系統的儲能裝置，主要用于平衡系統輸出功率和負載功率間的差異。本文通過對儲能系統的電路結構和控制算法進行優化，儲能元件為蓄電池，蓄電池的充放電由雙向DC-DC變換器控制，構建光伏儲能系統，以期提高光伏供電的穩定性，改善電能質量。關鍵詞：光伏發電，儲能系統，雙向DC-DC，蓄電池目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1緒論 11.1光伏發展 11.2儲能技術在光伏中的發展 31.3光伏儲能關鍵技術 51.4工作安排 62光伏儲能系統建模 72.1光伏電池 72.2儲能元件建模與分析 102.3直流變流電路分析 122.4本章小結 163控制算法 173.1光伏電池MPPT算法 173.2光伏電池恒壓控制 203.3儲能單元控制 223.4本章小結 244光伏并網 254.1并網逆變結構 254.2并網逆變仿真 255總結 265.1總結 265.2經濟性分析 26參考文獻 271緒論能源問題是關乎現代社會發展的重大問題,新能源的開發勢在必行，對于新能源來說,需滿足自然存儲量大,轉化效率高,同時也需要遵循綠色可持續發展的思想。在世界各國研究人員的深入研究下,太陽能憑借其綠色環保、儲量豐富的特點成受到各國能源研發部門的重點關注。經過各國專家實踐與研究分析，太陽能光伏發電技術發展迅猛，已在世界各地區肉如適用，光伏發電在新能源發電領域占重要地位[]。1.1光伏發展1.1.1發展背景隨著全球工業化進程的發展,能源短缺問題愈發嚴重。近百年來，隨著第二產業的發展，大量的一次能源被用于工業生產，人類的生存環境也遭到嚴重的破壞，現有的一次能源僅能供使用200年左右，一場能源危機即將到來。世界各國為解決能源問題，開始在新能源領域投入研究，尤其是新能源發電技術，電能是全球經濟的發展的關鍵。為解決供電、用電問題，需尋求和開發更多新能源。太陽能用之不盡，取之不竭，利用太陽能發電能給人類社會帶來極大的便利，根據光生伏特效應實現光能向電能的轉化。太陽能發電具有以下特點：①資源豐富；②綠色、環保；③不受資源分布的地域限制；④可就近發電；⑤質量高；⑥用戶在感情上容易接受；⑦能源獲取方便簡單。不足之處是：①光伏組件占地較大；②光能的獲取受到時間和環境因素影響。總而言之，太陽能，作為一種新能源，具有極高被開發的價值。要將光伏發電真正投入實際使用，一是要提高光伏電池的光電轉換效率，二是要做到太陽能光伏發電并網。

當前，市場上可購得的太陽能電池主要有單晶硅、多晶硅和非晶硅三種。其中單晶硅電池轉價格昂貴，換效率最高。而非晶硅電池價格較便宜，轉換效率較低，隨著生產技術的進步，非晶硅電池極有可能在未來用于一般電力生產。與此同時，實驗室中的太陽電池效率要高得多，如美國國家可再生能源實驗室開發的六結太陽能電池，其轉換效率可達47.1%，甚至據預測，該電池轉化效率甚至可超50%。本世紀，我國光伏產業發展極為迅速，如圖所1-1所示。2020年，我國光伏新增裝機規模48.2GW，同比增長約60%，近幾年我國年新增光伏機組均為世界第一。據估計，至2050年，我國可再生能源發電裝機容量占到電力裝機總容量的25%，其中光伏電站將占5%，累計裝機容量預計將達到100GW[]。圖1-12017年至2020年光伏裝機情況1.1.2發展趨勢(1)光伏發電站光伏電站的使用使光伏發電技術得到了良好的發展。光伏電站是一種用于光伏發電的設施，其直接影響發電量和能源消耗。目前，光伏發電廠大致分為分散式發電廠和集中式太陽能發電廠。分布式發電廠是電壓水平恒定且單機容量不超過20000kW的太陽能發電設備，所發電能主要供給變電站附近區域。集中式太陽能發電廠的電力傳輸有多個階段，設備復雜，通常包括以下步驟：首先，在轉換設備中太陽能完成向電能的轉換；然后，由逆變器接收轉換后的電能。最后，由逆變器將這部分直流電能轉換為交流電輸入電網。為了保證電能在傳輸過程中的安全使用，必須保證各種太陽能光伏組件的正常運行。(2)光伏建設一體化當前，綠色環保的概念逐漸滲透到人們的思想，因此光伏發電技術越來越受歡迎，并且被越來越多的應用到了我國的建筑設計中。例如：在一大型建筑物的屋頂上裝上太陽能電池板，用電線將太陽能電池板連接到電網，從而將能量轉化為電能，使人們在日常生活中得以應用。利用太陽能發電不僅可以節省大量資源，還可以體現綠色環保理念，有效促進社會的可持續發展。(3)光伏發電與LED照明結合太陽能已廣泛應用于各個領域,并且目前的新型太陽能光伏發電和其他新型材料、新能源技術正在不斷地與其相互和結合。LED路燈照明應用技術路燈是隨著現代科學照明技術的飛速發展而不斷產生的新一代照明技術,其應用的是將電能轉化為光能的原理,并發揮照明作用。通過將先進的太陽能和LED技術相互地融合,可以把先進的LED技術廣泛地應用于利用太陽能所提供的電力,然后再把其轉換成必要的光能,從而有效地節約了能源。(4)通信／通訊領域太陽能光伏發電廣泛應用于電信和通信領域，其內容非常豐富，直接影響著人們的日常生活和工作。建立這樣一個系統可以滿足人們生活的需要，將太陽能發電技術應用與各類生活用電系統，可以有效地傳輸電能，保證系統的連續穩定運行，提高系統的可靠性，為人們的生活提供的便利。同時，還開發了衛星通信、士兵GPS等項目。(5)太陽能水泵水被稱為生命之源，水泵作為一種水資源獲取工具直接影響著人們的日常生活，水質是全社會共同關注的問題。采用太陽能水泵可以有效地保證水質，改善人們的生活健康。太陽能泵由交流電驅動工作，因此，若要太陽能水泵正常運行，必須在光伏組件后加入逆變器，把直流電轉換成交流電。1.2儲能技術在光伏中的發展近年來，“光伏+儲能”成為行業內的熱點項目。將光伏和儲能的協同運作能有效彌補光伏發電因環境因素的變化而給電網帶來的波動干擾，在低谷時，光伏組件產生的電能被儲能裝置儲存起來，到用電高峰時儲能裝置再將這部分的電能向用電側輸送，由此可實現對電網的穩定供能。在光伏發電系統加入儲能裝置可在一定程度上解決“棄光”問題，實現對電網的穩定供電。此外，在光伏相關的政策補貼下，該模式還可以實現一定經濟收益，光伏發電的普及和平價上網指日可待。在這種背景下，人們將視線聚焦于儲能裝置的能量管理系統的研究，各大廠家對這一模式的雙向變流器的結構和控制策略進行了大量研究，并將之投入實際使用。在儲能方式上，除了傳統的儲能方式外，還有化學儲能方式，如鋰聚合物電池、鉛酸電池、液流電池等，以及一些采用物理儲能的示范項目，例如壓縮空氣儲能[]。儲能系統對光伏發電系統的作用主要體現在以下幾個方面：1.能量緩沖裝置。當光伏輸出功率高于負載功率時，儲能裝置進入充電狀態，吸收富余能量；當光伏系統輸出功率無法支持負載工作時，儲能裝置與光伏系統共同為負載供電。2.平滑光伏輸出，解決棄光問題。光伏輸出功率極易受環境影響，光伏與儲能裝置的協調運作可改善光伏功率輸出，提高能源利用效率。對于我國西部地區因電力基礎設施落后而造成的棄光現象，儲能裝置可在用電高峰時段輸出電能，在低谷時存儲電能，減少棄光現象，提高系統經濟效益。3.利用儲能裝置提高電網的自我調節能力，維持系統穩定運行。隨著光伏滲透率的提高，傳統調峰機組機組的容量小、響應速度緩慢的問題變得尤為突出[]。光伏的大量接入，系統對調頻要求更高，尤其是在光伏輸出波動的同時會使得配電網也出現波動，此時可能發生脫網事故。將儲能裝置的投入使用可以在電網出現此類故障時進行能量吸收或釋放，減少事故發生概率數，增加安全性。1.2.1國外儲能情況在美國，各州都有自己的儲能部署計劃，個別地區甚至計劃于2050年實現100%可再生能源。各州還采取頒布激勵政策來支持儲能部署。目前，儲能技術處于領先地位的州政府正嘗試將儲能系統接入電網，將其作為未來電網的關鍵組成部分，并且對其互聯過程有著明確的規定來確保靈活性和響應性。德國政府為完成能源轉型部署了大量電化學儲能、儲熱、制氫與燃料電池研發和應用示范項目。以柏林歐瑞府零碳能源科技園區其中的典型代表，內部建筑均獲得LEED能源性能標準認證及鉑金評級，整個園區采用了智能化管理系統實現了一種能源聯合供能的模式。日本政府頒布《能源環境技術創新戰略2050》對儲能做出部署，提出研究一種成本低廉、安全性能良好、質量可靠的快速充放電技術，其能量密度達預計將到鋰電池的7倍，而成本僅為十分之一，該充電技術將主要用于小型新能源汽車，提高其續航里程。對于新能源市場，日本政府采取積極的政策指引，對參與儲能部署的家庭及與獎勵。此外，日本政府要求公用事業太陽能發電廠裝備一定比例的電池以穩定電力輸出，要求電網公司在輸電網上安裝電池以穩定頻率，對配電網或微電網使用電池進行獎勵等。為鼓勵新能源家用化，同時還要緩解大量分布式太陽能發電的接入給電網帶來的干擾，日本政府發放了一系列補貼，以此鼓勵住宅采用儲能系統，推動國家的能源轉型。1.2.2國內儲能情況中國的儲能產業起步較晚，但近年來發展迅速。自2018年電網參與儲能市場,我國對光伏電力應用已擴展到許多領域。特別是在某些偏遠地區，光伏發電的應用可以為當地帶來良好的發展。但是在現階段，光伏發電系統的研究成本和建造成本比較高，并且所產生的電量受環境的影響大，因此大規模使用仍然受到技術限制。預計到2024年，中國儲能部署基數將增加25倍，儲能功率和儲電量分別達到12.5GW和32.1GW·h，將成為亞太地區最大的儲能市場。政府頒布的激勵政策是促進行業快速發展的主要原因，也是刺激儲能部署增長主要推動力。緊隨新能源產業發展，儲能裝置的應用在世界各國中越來越受到重視，由于各國儲能技術的發展情況不同，儲能政策的特點也有所不同。在儲能行業的早期階段，政府使用稅收優惠或補貼政策來降低儲能成本并擴大規模；當儲能得到廣泛普及時，政府通常鼓勵相關能源公司參與輔助服務市場，以實現更多價值。1.3光伏儲能關鍵技術針對光伏儲能系統的研究主要集中在拓撲結構和控制策略上。拓撲結構主要分為直流母線型和交流母線型，其中前者的主要研究方向為雙級式儲能結構。控制策略領域的研究主要集中于各種逆變器以及能量管理和調制方法的研究。（1）儲能電池的充放電控制技術蓄電池對系統的穩定運行起著巨大的作用，控制蓄電池的充放電可有效平衡系統內部的能量。蓄電池的充電方法有以控制充電電流恒定為目的的恒流充電、以控制充電電壓恒定為目的的恒壓充電以及結合前兩者優點，充電電流接近理想的三階段充電等[]。其中，三階段充電這種控制方法較為簡單，但也可能會出現過充過放的現象。基于以上考慮，目前一些智能化的充電策略也被提了出來，包括脈沖充電、涓流充電等。(2)光伏陣列MPPT控制技術光伏電池輸出功率易受外界條件影響，但無論外界條件如何改變，光伏電池有且只有一個最大功率點。為最大限度盡可能地利用光伏發電，可利用最大功率點追蹤技術使光伏電池始終工作在最大功率點，使其功率輸出維持在最大。最大功率追蹤常用的方法有導納增量法、擾動觀察法、恒壓法以及一些改進算法。(3)DC-DC與DC-AC變換器控制技術光伏儲能系統中的變換器主要包括光伏側的Boost變換器，用于儲能設備的雙向DC-DC轉換器和電網側的能量DC-AC轉換器。雙向DC-DC變換器主要功能是控制能量存儲裝置和系統之間的雙向傳送，當系統能量有盈余時，儲能裝置處于充電狀態，當系統能量不足時，儲能裝置將電能向系統輸出。雙向DC-DC變換器通常有隔離型與非隔離型兩種。目前運用比較多的主要有Buck/Boost、Cuk、Forward、反激、半橋、、推挽全橋變換器等[]。(4)能量管理控制技術能量管理策略主要有兩種，集中控制法與分散控制法。集中控制法其控制結構如圖1-1所示，包括系統管理層與個體單元管理層兩個層面，系統管理層負責整個系統的能量流動與控制，個體單元管理層負責各獨立單元的穩定運行，能量的協調管理指令依靠通信協議傳達。分散控制法中各單元采用單獨控制器，不與其他單元建立通訊，穩定性好且更利于系統的擴展。圖1-2集中控制法結構框圖1.4工作安排本文以光伏儲能系統為研究對象，搭建了光伏陣列組件、儲能裝置、控制器及電網輸出端，對系統的控制和能量管理進行了相應的研究。第一章論述了光伏的時代背景，國內外儲能行業的發展動態。儲能在光伏發電中的應用分析，以及光伏儲能系統中不同單元的控制策略研究概述。第二章使用光伏電池和蓄電池的數學模型分析了各自的輸出特性，通過仿真驗證了不同光照溫度條件下，在蓄電池電池充電和放電期間，光伏電池的輸出功率和端電壓隨SOC的變化。然后對光伏陣列Boost電路和蓄電池雙向DC-DC電路工作原理進行研究并設計了相應的參數。第三章對光伏儲能單元的控制策略進行了研究，包括光伏電池的MPPT控制、恒壓控制以及蓄電池的充放電控制。第四章將光伏儲能系統并入電網，通過改變其輸出，觀察其對電網的干擾。第五章總結上文工作。

2光伏儲能系統建模本設計主電路主要包含光伏組件、負荷、儲能裝置、最大功率跟蹤電路、充放電電路、逆變電路、五部分。其拓撲結構圖2-1所示。控制器控制器光伏組件光伏組件Mppt電網Mppt電網逆變器 雙向DC-DC雙向DC-DC變換器儲能裝置圖2-1光伏儲能拓撲結構框圖光伏儲能系統包含光伏陣列和儲能裝置，在最大限度利用光伏能源的前提下，利用蓄電池對系統的功率調節功能，維持系統內部功率穩定。系統內的各個變流器依據系統運行狀態的變化，選擇能量流動的方向，改變光伏單元與儲能單元的工作狀態，當系統處于并網狀態時，除實現向電網輸送電能，還可以獲得一定的經濟收益。2.1光伏電池2.1.1光伏電池建模光照與溫度恒定條件下，可以將光伏電池視為一個受控電流源，其等效電路如圖2-2所示[]，由理想電流源Iph、旁漏電阻Rsh、串聯電阻Rs、和一個圖2-2光伏電池等效電路根據該等效模型可以得出光伏電池的I-V特性方程IL式中Iph為光生電流，A；I0為二極管的反向飽和電流，A；q為電子電荷(1.6×1019CQUOTE×1019C)QUOTE×1019C；K為玻耳茲曼常數(1.38×10?23JKQUOTE1.38×10?23JK)；A為二極管因子；T為絕對溫度，K；Rsh為旁漏電阻[]，Ω。由于表達式中的5個參數，IL、IDIL式中：Iph為光生電流，A；Isc為光伏電池短路電流，A；Im為最大工作電流，A；Um為最大工作電壓，V在任意環境條件下，Isc、Im、Uoc、Um，都會隨著光照強度S和溫度T發生改變，在此引入在一般工程實踐中，光照射強度S與溫度T與標況下參數的差值可以表示如下：?S=SSnom?1?T=T?Tnom式中，Snom通常取1000Wm2；Tnom通常取25°C。參考過標準條件下的光照強度與溫度對應的Im、Isc、Um、Uoc，可以推算出新的溫度和光照強度下的Isc,Im,Um,Uoc,其中a=0.0025/°C，e為自然對數，b=0.5,c=0.00288/°C[]。2.1.2光伏電池分析圖2-3（a）為光伏陣列的I-V特性曲線，圖2-3（b）表示P-V特性曲線。由圖可知，光伏輸出電流在大部分電壓范圍內基本上恒定的，但是，當輸出電壓接近本身開路電壓，輸出電流下會迅速下降，最終趨于零。光伏電池的P-V特性曲線呈現成一條單峰曲線，該峰值點就是光伏電池的最大功率點，通過對該點進行追蹤，可使光伏電池工作在最大功率點。（a）I-V曲線（b）P-V曲線圖變化圖2-3光伏電池輸出特性曲線光伏電池的輸出功率對光照強度和溫度等環境因素較為敏感，外部環境的變化直接影響光伏電池的輸出性能。圖2-4為在環境溫度T保持25°C的情況下，光照強度S分別為1000Wm2、800Wm2、600Wm圖2-4溫度一定光照不同的特性曲線由圖2-4可知，在在恒定的環境溫度下，光伏組件的短路電流Isc隨著光照強度的增加而增幅顯著，開路電壓Uoc變化幅度較小。光伏輸出功率隨著光照強度的增大而增大，但是最大功率點所對應的電壓變化較小。綜上所述，光伏組件的輸出功率與光照強度成正比圖2-5給出了，光照強度S=1000Wm圖2-5光照一定溫度不同的特性曲線由圖2-5可知，在光照強度恒定的情況下，隨著環境溫度的變化，光伏組件的短路電流Isc基本不變，開路電壓Uoc略微降低，并且光伏電池的輸出功率略微降低。可知，溫度對光伏電池輸出影響較小，溫度越低，光伏電池輸出功率越大。對比光照強度與溫度變化時光伏電池的功率輸出情況可知，光照強度的變化2.2儲能元件建模與分析2.2.1儲能元件選擇儲能裝置是光伏儲能發電系統重要組成部分，其作用為維護系統的穩定運行。儲能單元與光伏單元的協調運作，可有效調節整個系統的運行狀態，在系統能量有盈余的時候，吸收過剩的功率；當系統能量不足時，儲能裝置向系統供能，維持系統正常運作。目前常用的儲能方式包括蓄電池儲能、超級電容儲能、飛輪儲能、抽水儲能、壓縮空氣儲能等。不同類別的儲能元件的功密度與能量密度各不相同，適用于不同類型的儲能需求。蓄電池由于其能量密度大，電能轉換效率高等優點，在儲能市場中獲得了廣泛的應用。2.2.2蓄電池建模與分析儲能單元是光伏儲能系統的重要組成部分，其輸出電壓Uoc以及電池的荷電狀態（SOC）是蓄電池工作狀態與供電能力的重要體現，合理的控制蓄電池的這兩項參數不但可以優化其充放電過程，還可以提高效率，延長工作壽命。蓄電池的等電路型可視為由一個被控電壓源E和一個等效電阻R串聯組成，圖2-6蓄電池等效電路圖根據電路關系可得：Uoc=E?IR式中Uoc為蓄電池輸出端電壓，R表示蓄電池內阻，I為蓄電池充放電電流。蓄電池的內阻由蓄電池的容量、充放電深度、外界溫度等因素，并非固定值Ub=Soc=100（1+式中：Rb為蓄電池內阻；UO為蓄電池的開路電壓；ib為蓄電池短路電流；K為蓄電池的極化電壓；Q為電池容量；A為蓄電池電壓系數；B為蓄電池容量系數。通過的對蓄電池建立仿真模型如圖2-7所示圖2-7蓄電池仿真模型圖2-8蓄電池充、放電輸出特性曲線2.3直流變流電路分析2.3.1光伏陣列Boost變換電路本文建立的光伏發電系統額定功率為85kW，標準工況下，參數如下：Isc=300A，Im=294A，Uoc=363V，Um=290V。本文中的直流母線電壓為750V，光伏陣列通過Boost變換器接入直流母線，光伏陣列Boost變換電路如圖2-9所示。圖2-9boost變換電路圖2-9中，U1為光伏輸出電壓，I1為光伏輸出電流，U2為Boost電路輸出側電壓，I2為電感電流，RPV為Boost電路等效輸入阻抗。Boost電路能夠在電感電流連續和斷續下工作，在光伏發電系統中，電感電流必須保持連續。設IGBT的周期為T，占空比為D，則Boost電路的工作狀態如下[]當0<t<DT時，IGBT導通，電感L兩端電壓為：UL=U當DT<t<T時，IGBT關斷，電感L兩端電壓為：UL穩態工作時,由電感電壓在一個周期內伏秒平衡可得：U1式（2-14）簡化后可得Boost電路輸出與輸入電壓的關系為：U2忽略Boost變換器的功率損耗，即輸出的功率等于輸入的功率，則有：I2可得到Boost變換器的輸入阻抗為：RPV當光伏等效阻抗等于外部輸入阻抗時，光伏輸出功率達到最大，因此可以調節Boost電路的占空比以實現最大輸出功率輸出。由圖2-9可知，電路中的參數包括電感L、輸出電容C，光伏電池額定輸出功率為60kW左右，最大功率點的電壓為Um=330V，電壓范圍200V到380V（1）光伏陣列輸出側電感L系統設計的直流母線輸出電壓為750V，工作模式為電感電流連續模式，電感電流包括紋波分量和直流平均值，電感紋波電流為：?i=U1忽略內部損耗U1IIL為使電感電流連續，需滿足IL>I/2，可以得到在L≥U對式(2-21)求導，可以得出電感電流連續情況下，電感L的最大值在D=1/3處取得。最大值為：L≥2U式中f為開關頻率，設置為10kHz。考慮到電感飽和問題和IGBT的峰值電流及電壓損耗問題，在實際電感取值需留取一定裕量，文中光伏側電感取為0.5mH。（2）光伏陣列出口側電容CBoost電路出口電容可了減小變換器最大輸出電壓紋波。當IGBT導通時，電容C給負載提供電能；當IGBT關斷時,U1和L一起給電容C充電并向負載提供電能。在Boost電路中，紋波電流全部從電容C流過，則紋波電壓??U定義紋波系數為：ηv=由電路升壓參數可得最大占空比為：D通常需要把輸出的紋波電壓限制在2％，聯立上式可知電容C滿足：C≥PDTηU在實際電路設計中由于電解電容存在ESR，需要為系統留取一定的裕量，因此光伏電池出口側電容選取600μF。2.3.2雙向DC-DC變換電路在光伏儲能系統中，雙向DC-DC變換器起重要作用，儲能裝置通過逆變器連接到直流母線，該雙向變換器可根據直流母線和儲能裝置的狀態轉換自己的工作狀態，既能實現儲能裝置與系統之間能量的雙向傳輸，又能通過儲能裝置的充放電使母線電壓保持恒定。（1）雙向DC-DC變換器工作原理本文選用的雙向DC-DC變換器為雙向Buck-Boost變換器，圖2-10為該變換器處在個工作狀態下的等效電路圖。儲能單元充電時，T1管導通，T2管關斷，T1管、T2管的續流二極管、電感L、電容組成Buck電路，蓄電池處于充電狀態；在儲能單元放電時，T1管斷開，T2管關斷，T2管、T1管的續流二極管、電感L、電容組成其放電Boost電路，蓄電池向負載供電。通過控制T1管和T2管的導和關斷時間可實現電能的雙向傳輸，即實現蓄電池的充放電功能，最后光伏電池的Boost變換器并聯通過直流母線接入電網系統。電路中的IGBT采用互補PWM控制，即T1管和T2管的控制信號是互補的[]。為防止上下同時橋臂導通，需設置死區時間，這樣可實現電路在Boost和Buck之間平滑切換[]。(a)Buck工作模式（b）Boost工作模式圖2-10雙向DC-DC變換器工作模式（2）參數計算雙向DC-DC變換器可在Buck模式和Boost模式兩種工作狀態之間切換，電感L的取值與工作狀態、電流紋波、以及開關頻率等因素有關。工作在Buck模式時，保持L上的紋波在一定限度內，可求得電感L：L=U式中?IL為電感L的紋波電流;UC1為電容C1的電壓;kL為電感電流的紋波系數;IL為電感電流。蓄電池的輸出電壓為157V至215V，UC1為750V，可計算得出Buck模式下的占空比為0.21工作在Boost模式下時，電感L滿足：L=U式中UC2為電容C2的電壓，PB為蓄電池輸出最大功率。電感電流最大紋波取10%，通過計算可的電容C1按照Boost模式設計，考慮電容C1上的紋波電壓，電容C1UC1電容C2按照Buck模式設計，同理，電容CC2上述兩式中，?UC1、?UC2分別為電容C1、C2的電壓紋波，kC1、kC2分別為C1、C2的紋波系數，計算中取為0.2%2.4本章小結本章介紹了光伏儲能系統的基礎結構，首先利用光伏電池的數學模型分析其輸出特性，得到了不同環境條件下光伏電池的輸出特性曲線。然后對蓄電池進行建模，分析得到其充放電時電壓電流變化曲線。最后分析了光伏陣列的Boost電路與蓄電池雙向DC-DC電路，并設計相應電感電容參數。

3控制算法3.1光伏電池MPPT算法光伏電池的能量利用率除了與其內部性質有關，還受光照強度、環境溫度和負荷等因素的影響，外界環境的變化會改變光伏電池的輸出功率，由前文介紹的光伏電池輸的輸出特性曲線可知，不論外界環境如何變化，光伏電池都有且僅有一個最大功率輸出點。在實際控制中，一般采用電壓外環電流內環的雙閉環控制策略，使實際工作點不斷逼近最大功率點，最后穩定在最大功率點處，光伏最大功率點追蹤（MPPT）的控制框圖3-1所示。首先獲取光伏電池的輸出電壓Upv和輸出電流Ipv，經過MPPT控制算法計算得出得出參考電壓Upv_ref，算出光伏電池輸出電壓Upv與參考電壓Upv_ref的差值，經過PI控制器后得到光伏電池輸出電流的參考值Ipv_ref，再與光伏電池實際輸出電流Ipv求出差值后，經過PI控制器后生成PWM載波，將生成的載波與調制波進行比較后得到PWM信號，用生成的P圖3-1光伏MPPT控制原理圖3.1.1常用MPPT算法目前常用的MPPT算法主要有三種，分別為恒定電壓法，導納增量法與擾動觀察法，通過不同的控制策略分別跟蹤光伏電池的最大功率點。（1）恒定電壓法由光伏電池的輸出特性曲線可知,在不同的光強度或外部溫度下,與光伏電池的最大功率相對應的電壓幾乎是恒定值。基于這種輸出特性,無需實時調整光伏電池的輸出電壓，只需從光伏電池的出廠參數中獲取光伏電池的最大功率點、工作電壓Um（2）導納增量法導納增量法是一種MPPT控制經常采用的方法，通過光伏電池的P-U曲線可以看出,該特性曲線只有一個峰值點，在該點處有dpdu=0，由dpdu=I+U由于dpdu=0dIdu在光伏電池運行中，通過不斷比較dpdu與-I/U的值,可以判斷此時的工作點是在最大功率點的左邊或是右邊，然后通過調整電壓的偏移量來使工作點向最大功率點靠近,使系統輸出功率達到最大。導納增量法控制準確且響應速度相對較快，適用于大氣條件變化迅速的情況，但是對硬件的要求，尤其是對傳感器要求的精度較高，系統各部分響應速度都要求較快，因而整個系統的硬件成本會比較高。

(3)擾動觀察法擾動觀察法也稱為爬山法（P&O），擾動參量可以是\o"電壓"電壓，\o"電流"電流或占空比。其工作原理是基于一個擾動信號，再測量并計算其功率的變化，并與加入擾動之前的功率值相比，根據比較結果調整擾動方向。這種方法的特點是算法簡單，實現容易，沒有涉及復雜的計算。3.1.2擾動觀察法流程擾動觀察法流程如圖3-2所示，首先采集光伏側任意的輸出電壓和電流求出其輸出功率，將之與上一時刻的功率相比較，再根據光伏P-V特性曲線判斷功率走向判斷功率的走趨勢，在比較電壓的大小，從而確定該時刻功率點位于最大功率點的左邊或是右邊，進而逐漸向最大功率建靠近，總而達到對最大功率點的追蹤的目的，光伏輸出功率達到最大。-圖3-3擾動干擾法流程圖3.1.3擾動觀察法仿真在MATLAB/SIMULINK中搭建擾動觀察法的仿真模型，離散步長選擇8×10?6s,圖3-4擾動觀察法仿真模型Function模塊程序如下：functionVref=Regen(V,I)Vrefmax=363;Vrefmin=0.0;Vrefinit=300;deltaVref=0.0005;persistentVoldPoldVrefolddataType="double";ifisempty(Vold)Vold=0;Pold=0;Vrefold=Vrefinit;endp=V*I;dv=V-Vold;dp=p-Pold;ifdp~=0ifdp<0ifdv<0Vref=Vrefold+deltaVref;elseVref=Vrefold-deltaVref;endelseifdv<0Vref=Vrefold-deltaVref;elseVref=Vrefold+deltaVref;endendelseVref=Vrefold;endifVref>=Vrefmax||Vref<=VrefminVref=Vrefold;endVrefold=Vref;Vold=V;Pold=p;3.2光伏電池恒壓控制在光伏儲能系統并網運行時，為使能源利用率達到最大，光伏組件始終保持最大功率輸出。但是在部分特殊情況下，光伏電池的輸出需進行一定調整。其光伏儲能系統的內部功率必須由系統自行調節，當系統內部功率有盈余時，由儲能單元吸收多余的功率，但是當儲能裝置充滿退出運行時，若光伏輸出功率仍有多余，則直流測電壓的將持續升高，系統內的電子設備可能會遭到損壞，此時光伏電池必須改變工作模式，運行在恒壓控制（CVC）模式，降低光伏輸出功率，維持系統內能量平衡。光伏電池恒壓控制（CVC）如圖3-5所示：圖3-5光伏電池恒壓控制恒壓控制采用電壓外環電流內環雙閉環控制策略，電壓外環采集直流母線的電壓Udc，通過與直流母線的參考電壓Udc?ref相比較，通過PI控制器得到電流內環的參考電流iL?ref，電流內環會將采集到的電感電流iL與參考電流iL?ref相比較，將得到的差值通過PI在本文中，恒壓控制與上文Mppt控制均用于Boost變換器，通過Boost輸出側的電壓來判斷下個時間的工作，因此，具體系統模型如圖3-6所示。本系統中判斷值為直流母線電壓750V。當Boost輸出側電壓大于750V時，采用恒壓控制，反之側采用Mppt控制。圖3-6恒壓控制與Mppt控制的選擇圖3-10恒壓控制效果如圖3-10所示，控制效果3.3儲能單元控制3.3.1蓄電池充放電方法儲能裝置作為光伏儲能系統的重要組成部分，其投資成本占全系統20%～25%，還是系統中容易出故障的環節。對于蓄電池，應采用合理的充放電控制策略，既要保證蓄電池供電效率，穩定運作，又要盡量延長其使用壽命，這些在控制策略設計時尤為重要。下面簡要介紹蓄電池的常用充放電方法。（1）恒流充電恒流充電，即維持蓄電池的充電電流不變。由前文介紹的蓄電池充放電曲線可以知道蓄電池的端電壓與其荷電狀態正相關。在蓄電池充電過程中，蓄電池電壓會逐漸升高，而充電電流逐漸下降，為防止蓄電池充電電流因蓄電池端電壓升高而減小，充電過程必須不斷升高電壓，以維持充電電流始終不變恒定，這對于充電設備的自動化程度要求較高，一般簡陋的充電設備是不能滿足恒流充電要求的。恒流充電法，在蓄電池最大答應的充電電流情況下，充電電流越大，充電時間就可以縮短。若從時間上考慮，采用此法有利的。但在充電后期若充電電流仍不變，這時由于大部分電流用于電解水上，電解液出氣泡過多而顯沸騰狀，這不僅消耗電能，而且輕易使極板上活性物質大量脫落，溫升過高，造成極板彎曲，容量迅速下降而提前報廢。所以，這種充電方法很少采用。（2）恒壓充電恒壓充電就是保持蓄電池充電電壓恒定。由于恒壓充電開始至后期，電源電壓始終保持一定，所以在充電開始時充電電流相當大，大大超過正常充電電流值。但隨著充電的進行，蓄電池端電壓逐漸升高，充電電流逐漸減小。當蓄電池端電壓和充電電壓相等時，充電電流減至最小甚至為零。由此可見，采用恒壓充電法的優點在于，可以避免充電后期充電電流過大而造成極板活性物質脫落和電能的損失。但其缺點是，在剛開始充電時，充電電流過大，電極活性物質體積變化收縮太快，影響活性物質的機械強度，致使其脫落。而在充電后期充電電流又過小，使極板深處的活性物質得不到充電反應，形成長期充電不足，影響蓄電池的使用壽命。所以這種充電方法一般只適用于無配電設備或充電設備較簡陋的特殊場合。（3）三段式充電三段式充電是將恒流充電與恒壓充電結合起來的一種充電方法，它的充電曲線如圖3-5所示。在第一階段采用恒流充電模式，以較大的電流給蓄電池充電，在保證充電速度的同時避免了初期電流過大給蓄電池帶來的沖擊，隨著電量的增加，蓄電池電壓持續升高，當達到某一定值時，切換到恒壓充電模式。在恒壓階段，蓄電池充電電壓保持不變，充電電流隨著電量的增加逐漸減小，當蓄電池的SOC達到90%時停止充電，進入浮充階段。在浮充階段，由于此時蓄電池已經接近充滿，此時降低充電壓，以一個微小的充電電流對蓄電池進行浮充，給蓄電池充滿的同時不對蓄電池造成傷害。圖3-5三階段充電特性目前蓄電池常用的放電方法為恒流放電與恒壓放電。在光伏儲能系統中，一般使用改進的功率外環電流內環和電壓外環電流內環的控制方式控制蓄電池來維持系統能量穩定。功率外環電流內環的控制方式可以使蓄電池的輸出功率根據系統需求自動調整，電壓外環電流內環的控制方式是以直流母線電壓為信號，通過直流母線電壓的大小來選擇電池的運行狀態，保持電壓穩定。由于本文采用的是基于母線電壓穩定的控制策略，因此選擇電壓外環電流內環的蓄電池控制策略。3.3.2蓄電池DC-DC變換器控制策略上文介紹了雙向DC-DC變換器的工作原理以及本文光伏儲能系統采用的蓄電池充放電控制策略。在光伏儲能系統中，通過合理的控制策略來控制變換器兩個IGBT的導通和關斷，可實現蓄電池在兩種工作模式的切換，實現能量的雙向傳輸。本文以維持直流母線電壓穩定為控制目標，為了使蓄電池有更好的動態響應速度與穩態特性，對蓄電池的采用電壓外環電流內環的雙閉環控制控制，其中，用電壓外環來維持直流母線電壓恒定；電流內環實現電感電流的快速響應和自動調節。控制框圖如圖3-6所示。圖3-6蓄電池控制框圖電壓外環的控制原理是：采集直流母線電壓Udc與參考值Udc?求出差值，若Udc>Udc?,表明系統功率可滿負載工作，蓄電池處于充電狀態，吸收多余的能量,此時PI控制器采集得蓄電池充電電流的參考值ia?；當直流母線電壓Udc低于參考值Udc?時，表明系統內功率不足，蓄電池轉入放電狀態，通過PI控制器電流內環的控制原理是：當DC-DC變換器中電感電流ia大于參考值ia?時，通過PI控制器調節減小功率開關1的占空比，從而減小電感電流ia；當DC-DC變換器中電感電流ia小于參考值ia?時，通過PI控制器調節增加功率開關G2的占空比，從而增大電感電流ia；最終實現電感電流i3.3.3蓄電池充放電仿真基于以上討論，建立蓄電池充放電仿真模型，如圖3-12所示，蓄電池額定電壓為250V，額定容量為50Ah，初始SOC為80%，蓄電池充放電的電流限±20A。光伏陣列額定功率為60kW，直流母線電壓為750V。圖3-8蓄電池充放電電路圖3-9蓄電池控制策略3.4本章小結本章對光伏輸出端及儲能單元的控制策略進行了研究，首先利用擾動觀察法對光伏陣列的最大功率點進行追蹤，使得光伏陣列的輸出功率達到最大。然后，對于光伏功率過剩這一情況，加入了恒壓控制，并驗證其可行性。最后，對蓄電池的充放電電路雙向DC-DC變換器的控制策略，文中選用電壓外環電流內環的雙閉環控制策略，有效控制蓄電池的充放電并維持流母線電壓穩定。

4光伏并網逆變器是光伏并網的核心部件，光伏側的直流電能和蓄電池的直流電能均需通過逆變器才能供應給電網，逆變器根據其電源性質，可分為電壓型逆變器和電流型逆變器。鑒于接入方為電網，本文用的逆變器為電壓型逆變器，能有效抑制浪涌電壓，使并網更順利。4.1并網逆變結構本文使用的逆變器為三相并網逆變器，其結構如圖所示，由6個IGBT組成三條橋橋臂，通過PWM信號控制IGBT的導通和關斷。圖中VT1-VT6中，相鄰的信號相位差60°，三條橋臂中上部與下部相位差180°，在此基礎上相互導通和