0 引言

隨著化石能源迅速消耗，以及由此帶來的能源危機(jī)與環(huán)境污染日益加劇，近年來世界各國都在積極尋找和開發(fā)新的、清潔的可再生能源。太陽能具有取之不盡、用之不竭等優(yōu)點，是理想的可再生能源。太陽能光伏發(fā)電能緩解能源危機(jī)和減少環(huán)境污染，并具有廣闊的應(yīng)用前景[7。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)按是否與公共電網(wǎng)相聯(lián)接，分為獨立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行2種方式。獨立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)是目前太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用的非常重要的一種方式，其應(yīng)用非常廣泛，可以解決偏遠(yuǎn)山區(qū)和無電網(wǎng)地區(qū)的供電問題。由于太陽能電池的輸出功率受太陽光強(qiáng)和環(huán)境溫度的影響變化很大，而且不能儲存能量，因此獨立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)必須配備貯能蓄電池來儲存和調(diào)節(jié)電能[8-12。在傳統(tǒng)的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池直接與直流母線相連接，其充放電電流不能得到有效的控制，當(dāng)負(fù)載突變時，可能導(dǎo)致蓄電池的充放電電流過大，損壞蓄電池;因此有必要在系統(tǒng)直流母線和蓄電池之間插入一個DC-DC變換器以控制蓄電池的充放電。

圖1為本文所構(gòu)建的一種采用太陽能作為一次能源、蓄電池作為儲能單元的太陽能獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，由太陽能電池、蓄電池、單向DC-DC變換器和雙向DC-DC變換器組成，系統(tǒng)具有以下特點:1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡單，蓄電池充放電共用一個雙向變換器來實現(xiàn)，可減輕系統(tǒng)的重量，同時通過雙向變換器還可以控制蓄電池充放電電流，保護(hù)蓄電池不受損壞;2)由于蓄電池的引入，系統(tǒng)過載所需的能量可由蓄電池放電來提供，太陽能電池的功率等級只需按照系統(tǒng)額定功率進(jìn)行配置，從而降低系統(tǒng)費用;3)根據(jù)系統(tǒng)的不同工作狀態(tài)，通過選擇2個變換器的工作模式，有效實現(xiàn)系統(tǒng)能量流動管理。

針對系統(tǒng)中有太陽能電池和蓄電池2個能量提供裝置的特點，本文提出一種能量管理控制策略，其核心是根據(jù)太陽能電池和蓄電池的工作狀態(tài)，控制單向變換器和雙向變換器分別工作在合適的模式，使得蓄電池和太陽能電池這2種電源協(xié)調(diào)工作，保證供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。實驗結(jié)果驗證了所提出的系統(tǒng)能量管理控制策略的有效性。

1 系統(tǒng)的工作模式與能量流動方式

圖1中，單向DC-DC變換器選用Buck變換器,它把太陽能電池組件的寬范圍直流輸出電壓(本實驗系統(tǒng)為 150~350VDC)轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流母線電壓(100VDC);雙向DC-DC變換器選用Buck/Boost雙向變換器。該系統(tǒng)可以通過DC-AC逆變器接交流負(fù)載，也可通過DC-DC變換器接直流負(fù)載;如果直流母線電壓與負(fù)載所需要的電壓相匹配，則可以直接外接直流負(fù)載。為簡化分析，本系統(tǒng)選擇直流母線直接外接直流電阻負(fù)載。

通過對太陽能電池電壓(UPv)、蓄電池電壓(Uhe)和蓄電池充放電電流(/ea)的檢測，可以將系統(tǒng)的工作情況劃分為5種工作模式，如表1所示。表1中，Upv>Upv_min和UPvUpv.min分別表示太陽能電池有能量輸出和沒有能量輸出的情況，本系統(tǒng)設(shè)置UPv min=150V;/Ba>0和/Bat<0分別對應(yīng)于蓄電池充電和放電的情況，/Bamax是所設(shè)置的蓄電池最大充電電流，本系統(tǒng)設(shè)置/Bamax=10A;UBat-mmgx和UBamin分別是設(shè)置的蓄電池過充電壓和過放電壓，本系統(tǒng)設(shè)置UBatmax=56V、UBatmin=44V。根據(jù)表1所劃分的5種工作情況，可以對應(yīng)得到系統(tǒng)的各種能量流動示意圖，如圖2所示。

工作模式I:系統(tǒng)正常運(yùn)行時，單向變換器工作在最大功率點跟蹤(maximum power pointtracking，MPPT)模式，雙向變換器工作在Boost模式，控制雙向變換器高壓側(cè)的電壓和反向電感電流(假設(shè)蓄電池充電時電感電流為正)，給直流母線提供穩(wěn)定電壓，如圖2(a)所示。如果太陽能電池不足以提供負(fù)載所需能量，即Ppv<P(Ppv為太陽能電池輸出功率，P。為負(fù)載消耗功率)，不足部分由蓄電池通過雙向變換器來補(bǔ)充(/Bet<0);如果太陽能電池輸出能量大于負(fù)載所需能量時，即Pw>P。，那么多余的能量通過雙向變換器給蓄電池充電(Ba>0)。由于雙向變換器的功率開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，能量可以雙向流動，即蓄電池可以在放電與充電狀態(tài)之間自然切換，兩者的區(qū)別僅是蓄電池能量流動方向相反。

工作模式II:在工作模式I中，在蓄電池充電電壓達(dá)到過充電壓(56V)，或者充電電流達(dá)到最大允許充電電流(10A)時,雙向變換器應(yīng)從Boost模式改變?yōu)锽uck模式，控制雙向變換器低壓側(cè)的電壓和電感電流給蓄電池充電;此時，單向變換器也需從MPPT模式改變?yōu)楹銐耗Ｊ?，控制變換器的輸出電壓給直流母線提供穩(wěn)定電壓，如圖2(b)所示。

工作模式IIl:如果在晚上或者陰雨天(Upv min150V)，太陽能電池陣列無能量輸出，即Pv=0時，單向變換器不工作，而雙向變換器工作在Boost模式，控制雙向變換器高壓側(cè)電壓和反向電感電流,單獨提供能量給負(fù)載，如圖2(c)所示。

工作模式IV:在工作模式III中，如果遇到連續(xù)陰雨天的時間過長，由于蓄電池連續(xù)給負(fù)載供電，可能會處于過放狀態(tài);那么當(dāng)蓄電池放電電壓達(dá)到其過放電壓(44V)時，為了保護(hù)蓄電池，雙向變換器不能繼續(xù)工作，必須處于關(guān)斷模式，也即整個系統(tǒng)停止工作，如圖2(d)所示。

工作模式V:在工作模式I的蓄電池放電過程中，一旦在某個時候意外遇到一段長時間的太陽光強(qiáng)連續(xù)較弱的天氣，蓄電池連續(xù)放電達(dá)到過放電壓而不能繼續(xù)放電;此時又由于太陽光強(qiáng)較弱，太陽能電池沒有足夠的能量提供給負(fù)載。因此，只能暫時讓負(fù)載不工作，而將太陽能電池可發(fā)出的少量電用于蓄電池充電。此時與工作模式II類似，不同的是此時負(fù)載切出不工作，如圖2(e)所示。

2系統(tǒng)控制電路的實現(xiàn)

2.1系統(tǒng)控制電路框圖

由以上分析可知，為了實現(xiàn)系統(tǒng)能量管理，有效控制蓄電池充放電過程，根據(jù)系統(tǒng)不同的工作狀態(tài)，系統(tǒng)中2個變換器分別對應(yīng)有3種工作模式:單向變換器可以工作在MPPT模式、恒壓模式或者關(guān)機(jī)(shut-down,SD)模式;雙向變換器可以工作在Boost模式、Buck模式或SD模式。這可通過系統(tǒng)能量管理控制電路實現(xiàn)。圖3為整個系統(tǒng)控制電路框圖，包括雙向變換器的控制電路、單向變換器的控制電路和系統(tǒng)能量管理控制電路3部分。

2.2 雙向DC-DC變換器的控制電路

雙向變換器可以在Boost、Buck或關(guān)機(jī)模式等3種工作狀態(tài)之間自由切換，而這受控于能量管理控制電路產(chǎn)生的選通信號和雙向變換器的關(guān)斷信號。要實現(xiàn)該變換器雙向供電，功率管Q1和Q2需要互補(bǔ)導(dǎo)通;同時需要對雙向變換器兩端的電壓以及電感電流進(jìn)行控制，使其可以自由地在2個方向分別實現(xiàn)穩(wěn)壓或限流工作。因此本文提出了一種新的雙向選通控制電路，如圖3所示。

要實現(xiàn)雙向變換器再2個方向分別穩(wěn)壓或限流工作，需要檢測變換器兩端電壓UBus、UBa以及蓄電池電流lBa。Buck模式的受控電壓和電流分別為蓄電池電壓UBa和充電電流/Bat，Boost模式的受控電壓和電流分別為母線電壓Ueus和蓄電池放電電流(-lea)。Buck模式得到PWMl及其互補(bǔ)信號,Boost模式得到PWM2及其互補(bǔ)信號，然后通過模擬選通開關(guān)，由來自系統(tǒng)能量管理控制電路的選通信號 Ue選擇相應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制(pulse widthmodulation,PWM)控制信號(PWMl或PWM2)。模擬選通開關(guān)的真值表如圖3所示。

當(dāng)U=0時，模擬選通開關(guān)選通PWM1及其互補(bǔ)信號，雙向變換器工作在Buck模式，此時Q1為主控管,22為被控管，雙向變換器通過調(diào)節(jié)21的占空比來調(diào)節(jié)輸出;當(dāng)U=1時，選通PWM2及其互補(bǔ)信號，雙向變換器工作在Boost模式，此時22為主控管,21為被控管，雙向變換器通過調(diào)節(jié)22的占空比來調(diào)節(jié)輸出。被控管與主控管互補(bǔ)導(dǎo)通，即工作在同步整流狀態(tài)。實際電路是采用2個PWM控制器SG3525構(gòu)成具體的控制電路。

Buck工作模式與Boost工作模式下雙向變換器小信號模型不同，對應(yīng)的PI調(diào)節(jié)器需要不同的控制參數(shù)，因此，本控制方案分別利用2套獨立的電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)2個不同方向的穩(wěn)壓或限流控制，有利于控制電路設(shè)計和控制參數(shù)調(diào)節(jié)。

2.3 單向DC-DC變換器的控制電路

單向DC-DC變換器的兩端分別連接高壓端太陽能電池和低壓端直流母線，其選通控制電路如圖3所示，圖中，UPv和UBus分別代表太陽能電池電壓和直流母線電壓，/ev為太陽能電池輸出電流。根據(jù)系統(tǒng)不同的工作狀態(tài)，單向變換器的控制電路要確保其可以自由地在MPPT工作模式、恒壓工作模式或關(guān)機(jī)模式3種狀態(tài)之間自由切換，而這同樣受控于能量管理控制電路所產(chǎn)生的選通信號U。和單向變換器的關(guān)斷信號UBuck_sD

當(dāng)來自系統(tǒng)能量管理控制電路的選通信號為低電平，即UE=0時，模擬選通開關(guān)選通PWM3信號，單向變換器工作在恒壓工作模式，給直流母線提供穩(wěn)定電壓;當(dāng)U=1時，模擬選通開關(guān)選通PWM4信號，單向變換器工作在MPPT工作模式，使太陽能電池輸出最大功率。最終得到加于開關(guān)管3的驅(qū)動信號3-dre

2.4 系統(tǒng)能量管理控制電路

根據(jù)表1中的系統(tǒng)5種工作模式，可以得出一種系統(tǒng)能量管理控制電路，其功能如圖3中的下方框圖所示，其具體電路如圖4所示，圖中/Bat和UBam分別是蓄電池的電流和電壓，UPv是太陽能電池的電壓，UE是單向變換器和雙向變換器工作模式選通信號,UBueksD和UBisD分別為單向變換器和雙向變換器的關(guān)斷信號(設(shè)置高電平有效)。

1) 當(dāng)IBat<IBat_max、 UBat min<UBat<UBat.max且Upv>Upv_min時，輸出選通信號UE=1、UBuck_SD=0、UBi_SD=0,此時系統(tǒng)處于工作模式l。

2) 當(dāng)IBatIBat_max或UBatUBat_max,且.Upv>Upv_min時，輸出選通信號UE=0、UBuck_SD=0、UBi_SD=0，此時系統(tǒng)處于工作模式Il。

3) 當(dāng)IBat<0、 UBat>UBat_min 且UpvUpv_min 時，輸出選通信號 UE=1、UBuck SD=1、UBiSD=0，此時系統(tǒng)處于工作模式IIl。

4) 當(dāng) IBat<0、UBatUBat_min且 UpvUpv_min時，輸出選通信號UE=1、UBuck_SD=1、UBi_SD=1，此時系統(tǒng)處于工作模式IV。

5) 當(dāng)IBat<IBat_max、 UBatUBat_min,且.Upv>Upv_min時，輸出選通信號UE=0、UBuck_SD=0、UBiSD=0，此時系統(tǒng)處于工作模式V。

為避免系統(tǒng)在切換點高、低電平之間來回切換，實際電路中采用了滯環(huán)比較器。

3 實驗驗證

為了驗證本文提出的系統(tǒng)能量管理控制策略的正確性和有效性，制作一臺負(fù)載功率500W的原理樣機(jī),表2給出了實驗系統(tǒng)各個組成部分的參數(shù)。工作模式I下從半載突加到滿載，以及從滿載突減到半載時。、ina、1v和1Bus的實驗波形如圖5所示:(a)對應(yīng)太陽能電池的能量不足以提供負(fù)載所需能量，蓄電池放電時的實驗結(jié)果;(b)對應(yīng)太陽能電池的能量大于負(fù)載所需能量，蓄電池充電時的實驗結(jié)果;(c)對應(yīng)蓄電池由充電到放電，以及由放電到充電自然切換時的實驗結(jié)果?？梢姡捎陔p向變換器的功率管互補(bǔ)導(dǎo)通，能量可以在雙向變換器中自由地雙向流動，即蓄電池可以在放電與充電狀態(tài)。

之間自然切換，系統(tǒng)保持正常工作。

圖6給出了工作模式下從半載突加到滿載，以及從滿載突減到半載時io、1pv、1mat和1Bus的實驗波形。從圖中可看出，單向變換器一直處于恒壓模式，UBs保持恒定;雙向變換器一直處于Buck模式給蓄電池充電，系統(tǒng)正常工作。當(dāng)負(fù)載從半載突加到滿載時，太陽能電池陣列的電壓下降，而當(dāng)負(fù)載從滿載突減到半載時，太陽能電池陣列的電壓升高。

圖7給出了工作模式III下負(fù)載從半載突加到滿載和從滿載突減到半載時i。、iBat、/Ba和1/Bus的實驗波形。從圖中可以看出，當(dāng)負(fù)載突變時，雙向變換器一直處于Boost工作模式，直流母線電壓UBs保持恒定，系統(tǒng)正常工作。

工作模式V的實驗波形與工作模式II的實驗波形類似，不同的是工作模式V下負(fù)載不工作，此處不再贅述。

從以上實驗結(jié)果可以看出，系統(tǒng)在各種情況下均可正常工作，蓄電池的能量流向方向通過雙向變換器可以自由切換，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的能量管理，驗證了系統(tǒng)能量管理策略的正確性和有效性。

4 安科瑞光儲一體化充電站運(yùn)營管理解決方案

針對光儲充一體化充電站能量協(xié)同難、并網(wǎng)合規(guī)性和運(yùn)營安全風(fēng)險大、油車占位、運(yùn)維復(fù)雜等核心痛點，安科瑞以“光、儲、充、管（運(yùn)營管理平臺）"全棧產(chǎn)品體系為底座，AcrelEMS智慧能源管理平臺提供源網(wǎng)荷儲充一體化閉環(huán)解決方案，可接入數(shù)以百計的光儲一體化充電站數(shù)據(jù)，集成市電、光伏、儲能、充電樁、消防、動環(huán)系統(tǒng)等，實現(xiàn)安全可控、降本增效、智能協(xié)同、合規(guī)并網(wǎng)、簡化運(yùn)維、多元增收，全面支撐光儲一體化充電站規(guī)?；⑸虡I(yè)化落地。

圖1 光儲一體化充電站系統(tǒng)示意圖

4.1多能協(xié)同控制策略

在每個光儲一體化充電站設(shè)置ACCU-1000L協(xié)調(diào)控制器，采集站內(nèi)微機(jī)保護(hù)、多功能儀表、電能質(zhì)量監(jiān)測裝置、光伏逆變器、儲能柜、充電樁等設(shè)備數(shù)據(jù)，可以根據(jù)實際情況實現(xiàn)防逆流控制、新能源消納、峰谷套利、柔性擴(kuò)容等多種策略，根據(jù)每個站的需求采用一站一策，平臺基于光伏發(fā)電預(yù)測和充電功率預(yù)測提供能源控制策略，幫助充電站優(yōu)化光儲使用效率，降低用電成本。

圖2 光儲一體化充電站多能協(xié)同策略示意圖

4.2合規(guī)并網(wǎng)保護(hù)控制

安科瑞為分布式光伏和儲能系統(tǒng)并網(wǎng)提供防孤島保護(hù)、電能質(zhì)量監(jiān)測、防逆流保護(hù)和調(diào)控以及電力調(diào)度對接功能，實現(xiàn)有功功率/無功功率控制、發(fā)電預(yù)測、頻率電壓緊急控制等等，實現(xiàn)分布式場站可觀、可測、可調(diào)、可控“四可"要求，為光儲一體化電站安全、合規(guī)運(yùn)行提供系統(tǒng)保障。

4.3場站安全

AcrelEMS智慧能源管理平臺采集站內(nèi)光伏系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、環(huán)境溫濕度、浸水、站內(nèi)視頻、設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)光儲充設(shè)備存在的異常風(fēng)險，如光伏發(fā)電偏差過大、儲能熱失控、變壓器過載、電氣柜異常發(fā)熱、局部放電、電氣柜門非正常打開等異常情況監(jiān)測和報警等，將“被動搶修"轉(zhuǎn)為“主動運(yùn)維"，提高場站運(yùn)營安全。

圖4 設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測

4.4高效運(yùn)營

安科瑞AcrelCLoud-9000充電運(yùn)營管理平臺可以實現(xiàn)對充電樁的監(jiān)控、調(diào)度和管理，基于第三方引流平臺為充電站引流。用戶可以通過APP或小程序提前預(yù)約充電，避免在充電站排隊等待的情況，同時也能為充電站提供更準(zhǔn)確的充電需求數(shù)據(jù)，方便后續(xù)的調(diào)度和管理。平臺支持掃碼/刷卡充電、尋樁導(dǎo)航、訂單管理、充電樁監(jiān)控、收益分析等功能。

圖5 充電場站運(yùn)行監(jiān)測

5 結(jié)束語

安科瑞光儲充一體化解決方案，以AcrelEMS智慧能源管理為大腦、安全可靠為根基、高效集成為手段、降本增收為目標(biāo)，一站式解決充電站成本、安全、協(xié)同、并網(wǎng)、運(yùn)維、盈利六大核心痛點，以全功率覆蓋、全場景適配、全鏈路安全、云邊端一體化為特點，助力運(yùn)營商打造安全、綠色、經(jīng)濟(jì)、智能的新一代光儲充示范站，契合雙碳戰(zhàn)略與充電基礎(chǔ)設(shè)施升級趨勢，具備落地性與商業(yè)競爭力。