隨著全球化石能源持續(xù)消耗，能源短缺危機(jī)與生態(tài)環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)峻，清潔可再生能源的開發(fā)與利用已成為能源領(lǐng)域的發(fā)展重點(diǎn)。太陽能憑借儲(chǔ)量無限、綠色清潔、分布廣泛等優(yōu)勢，成為具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉?。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)可有效緩解傳統(tǒng)能源供需矛盾、降低碳排放與環(huán)境污染，具備廣闊的工程應(yīng)用前景。
光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)與公共電網(wǎng)的連接方式，可分為并網(wǎng)運(yùn)行與獨(dú)立運(yùn)行兩類。其中，獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)無需依賴電網(wǎng)，能夠有效解決偏遠(yuǎn)山區(qū)、無電網(wǎng)覆蓋區(qū)域的供電難題，是光伏發(fā)電領(lǐng)域的重要應(yīng)用形式。由于太陽能電池的輸出功率易受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度影響，輸出電能具有間歇性、波動(dòng)性，且無法自主儲(chǔ)能，因此獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)必須配套蓄電池儲(chǔ)能單元，實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存與調(diào)節(jié)。
傳統(tǒng)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池直接接入直流母線，充放電電流缺乏有效管控。在負(fù)載突變工況下，蓄電池易出現(xiàn)過流充放電現(xiàn)象，大幅縮短使用壽命，甚至引發(fā)設(shè)備損壞。為解決該問題，本文在直流母線與蓄電池之間引入DC-DC變換器，通過精準(zhǔn)管控蓄電池充放電過程，提升系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性。本文構(gòu)建了一套“太陽能電池+蓄電池"的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，設(shè)計(jì)多工況能量管理控制策略，通過變換器多模式協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量優(yōu)化調(diào)配，并結(jié)合安科瑞光儲(chǔ)充一體化解決方案，為光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的工程化、商業(yè)化運(yùn)營提供技術(shù)支撐。
1 系統(tǒng)整體架構(gòu)與工作特性
本文搭建的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)以太陽能為一次能源、蓄電池為儲(chǔ)能核心，硬件架構(gòu)包含太陽能電池組件、儲(chǔ)能蓄電池、單向DC-DC變換器、雙向DC-DC變換器，具備結(jié)構(gòu)精簡、能耗可控、成本低廉、能量調(diào)度靈活等優(yōu)勢。系統(tǒng)核心特性如下：一是采用單雙向變換器組合架構(gòu)，蓄電池充放電共用一臺(tái)雙向變換器，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低設(shè)備重量，同時(shí)可精準(zhǔn)控制充放電電流，實(shí)現(xiàn)蓄電池保護(hù)；二是依托蓄電池儲(chǔ)能緩沖作用，系統(tǒng)過載能量可由蓄電池補(bǔ)充，太陽能電池僅需按系統(tǒng)額定功率配置，大幅降低設(shè)備投入成本；三是可根據(jù)光照、負(fù)載、蓄電池狀態(tài)切換變換器工作模式，實(shí)現(xiàn)全工況能量有序流動(dòng)與智能管理。
系統(tǒng)中單向DC-DC變換器選用Buck變換器，可將太陽能電池150~350V的寬范圍波動(dòng)直流電壓，轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的100V直流母線電壓；雙向DC-DC變換器采用Buck/Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，支持能量雙向流動(dòng)。系統(tǒng)可通過DC-AC逆變器接入交流負(fù)載，也可直接對接匹配電壓的直流負(fù)載，為簡化分析，本文采用直流電阻負(fù)載開展研究。
系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)采集太陽能電池電壓$$U_{PV}$$、蓄電池電壓$$U_{Bat}$$、蓄電池充放電電流$$I_{Bat}$$，結(jié)合預(yù)設(shè)閾值劃分工作工況。系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)閾值設(shè)置如下：太陽能電池工作電壓$$U_{PV\_min}=150\mathrm{V}$$，蓄電池最大充電電流$$I_{Bat\_max}=10\mathrm{A}$$，蓄電池過充電壓$$U_{Bat\_max}=56\mathrm{V}$$，過放電壓$$U_{Bat\_min}=44\mathrm{V}$$?；跈z測參數(shù)與閾值的匹配關(guān)系，將系統(tǒng)劃分為五種工作模式，覆蓋全場景運(yùn)行工況。
2 系統(tǒng)五種工作模式與能量流動(dòng)機(jī)制
2.1 工作模式Ⅰ：正常協(xié)同運(yùn)行模式
當(dāng)$$U_{PV}>U_{PV\_min}$$、$$U_{Bat\_min}且$$I_{Bat}時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入正常協(xié)同運(yùn)行模式。此時(shí)單向Buck變換器工作在最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）模式，利用太陽能；雙向Buck/Boost變換器工作在Boost模式，穩(wěn)定直流母線電壓。
該模式下系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)能量自適應(yīng)調(diào)配：當(dāng)太陽能輸出功率$$P_{PV}$$小于負(fù)載功率$$P_{L}$$時(shí)，蓄電池放電補(bǔ)充能量（$$I_{Bat}<0$$），彌補(bǔ)光伏功率缺口；當(dāng)$$P_{PV}>P_{L}$$時(shí)，光伏多余能量通過雙向變換器為蓄電池充電（$$I_{Bat}>0$$）。得益于雙向變換器功率管互補(bǔ)導(dǎo)通特性，蓄電池可在充放電狀態(tài)間無沖擊自然切換，保障系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定供電。
2.2 工作模式Ⅱ：蓄電池限壓限流充電模式
在工作模式Ⅰ運(yùn)行過程中，當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到過充電壓56V，或充電電流達(dá)到最大限值10A時(shí)，系統(tǒng)切換至模式Ⅱ。此時(shí)單向變換器由MPPT模式切換為恒壓模式，穩(wěn)定直流母線輸出電壓；雙向變換器由Boost模式切換為Buck模式，精準(zhǔn)管控蓄電池端電壓與充電電流，實(shí)現(xiàn)限壓限流充電，避免蓄電池過充損壞，保障儲(chǔ)能單元安全運(yùn)行。該模式適用于光照充足、負(fù)載功耗低、蓄電池接近滿電的工況。
2.3 工作模式Ⅲ：蓄電池獨(dú)立供電模式
在夜間、陰雨天等無有效光照工況下，$$U_{PV}\leq U_{PV\_min}$$，光伏陣列無功率輸出（$$P_{PV}=0$$），系統(tǒng)進(jìn)入蓄電池獨(dú)立供電模式。此時(shí)單向變換器停機(jī)休眠，雙向變換器工作在Boost模式，將蓄電池低壓電能升壓至母線額定電壓，單獨(dú)為負(fù)載提供穩(wěn)定電能，保障無光照環(huán)境下系統(tǒng)持續(xù)供電，充分發(fā)揮儲(chǔ)能單元的兜底供電作用。
2.4 工作模式Ⅳ：蓄電池過放保護(hù)停機(jī)模式
系統(tǒng)長期處于模式Ⅲ運(yùn)行時(shí)，蓄電池持續(xù)放電，電壓不斷降低。當(dāng)蓄電池電壓降至過放閾值44V時(shí)，為防止蓄電池深度放電導(dǎo)致容量衰減、壽命受損，系統(tǒng)啟動(dòng)保護(hù)機(jī)制。此時(shí)雙向變換器強(qiáng)制關(guān)斷，整個(gè)系統(tǒng)停止供電，杜絕蓄電池過放故障，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能單元的被動(dòng)安全防護(hù)。該模式主要應(yīng)對長期陰雨、光伏長期失效的工況。
2.5 工作模式Ⅴ：弱光蓄電池補(bǔ)電模式
在光伏弱光、負(fù)載持續(xù)工作的工況下，蓄電池持續(xù)放電至過放電壓，同時(shí)光伏輸出功率無法滿足負(fù)載需求，系統(tǒng)進(jìn)入模式Ⅴ。此時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)切除負(fù)載供電，單向變換器切換為恒壓模式，雙向變換器工作在Buck模式，將光伏微弱電能用于蓄電池補(bǔ)電，優(yōu)先恢復(fù)儲(chǔ)能單元電量。該模式兼顧了蓄電池保護(hù)與光伏能源利用，避免能源浪費(fèi)，為后續(xù)系統(tǒng)重啟運(yùn)行儲(chǔ)備能量。
3 系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
為適配系統(tǒng)五種工作模式的切換需求，實(shí)現(xiàn)變換器多工況精準(zhǔn)控制，本文設(shè)計(jì)一套完整的分層能量管理控制電路。其中，單向變換器支持MPPT、恒壓、關(guān)機(jī)三種工作模式，雙向變換器支持Boost、Buck、關(guān)機(jī)三種工作模式，通過能量管理主控電路輸出選通與關(guān)斷信號(hào)，實(shí)現(xiàn)各模式的精準(zhǔn)切換與穩(wěn)定運(yùn)行。
3.1 雙向DC-DC變換器控制電路
雙向變換器通過功率管互補(bǔ)導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)，電路實(shí)時(shí)檢測母線電壓$$U_{Bus}$$、蓄電池電壓$$U_{Bat}$$與充放電電流$$I_{Bat}$$，區(qū)分兩種控制工況：Buck模式以蓄電池電壓、充電電流為控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)恒壓限流充電；Boost模式以母線電壓、蓄電池放電電流為控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓放電。
系統(tǒng)采用雙PWM控制器SG3525搭建控制電路，分別生成Buck模式PWM1、Boost模式PWM2兩組驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過模擬選通開關(guān)根據(jù)主控信號(hào)$$U_{E}$$切換工作模式：當(dāng)$$U_{E}=0$$時(shí)，選通PWM1，變換器工作在Buck充電模式；當(dāng)$$U_{E}=1$$時(shí)，選通PWM2，變換器工作在Boost放電模式。同時(shí)，針對兩種模式下變換器小信號(hào)模型差異，配置兩套獨(dú)立PI調(diào)節(jié)器，分別適配穩(wěn)壓、限流控制需求，降低參數(shù)調(diào)試難度，提升控制精度。
3.2 單向DC-DC變換器控制電路
單向Buck變換器連接光伏陣列與直流母線，可在MPPT、恒壓、關(guān)機(jī)模式間智能切換，控制邏輯由能量管理電路信號(hào)管控。當(dāng)選通信號(hào)$$U_{E}=0$$時(shí)，系統(tǒng)選通恒壓PWM3信號(hào)，變換器工作在恒壓模式，穩(wěn)定母線電壓；當(dāng)$$U_{E}=1$$時(shí)，選通MPPT專用PWM4信號(hào)，實(shí)現(xiàn)光伏最大功率追蹤，提升新能源利用率。同時(shí)設(shè)置關(guān)斷信號(hào)$$U_{Buck\_SD}$$，實(shí)現(xiàn)無光照、故障工況下的設(shè)備停機(jī)保護(hù)。
3.3 能量管理主控電路
能量管理主控電路是系統(tǒng)工況切換的核心，基于光伏電壓、蓄電池電壓、蓄電池電流的實(shí)時(shí)檢測信號(hào)，結(jié)合閾值邏輯輸出模式選通信號(hào)$$U_{E}$$、單向變換器關(guān)斷信號(hào)$$U_{Buck\_SD}$$、雙向變換器關(guān)斷信號(hào)$$U_{Bi\_SD}$$，精準(zhǔn)匹配五種工作模式。為解決工況切換臨界點(diǎn)的信號(hào)震蕩問題，電路引入滯環(huán)比較器，保障模式切換的穩(wěn)定性與可靠性，杜絕系統(tǒng)頻繁誤切換。
4 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
為驗(yàn)證本文所提能量管理控制策略的可行性與有效性，研制一臺(tái)500W獨(dú)立光伏發(fā)電原理樣機(jī)，搭建實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)，匹配系統(tǒng)預(yù)設(shè)參數(shù)開展全工況負(fù)載擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，測試負(fù)載突變、光照波動(dòng)、蓄電池充放電切換等典型工況的系統(tǒng)響應(yīng)特性。
工作模式Ⅰ實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：負(fù)載半載、滿載突變工況下，系統(tǒng)可自適應(yīng)匹配光伏功率與負(fù)載功率。光伏功率不足時(shí)，蓄電池平穩(wěn)放電補(bǔ)能；光伏功率過剩時(shí)，蓄電池穩(wěn)定充電儲(chǔ)能，充放電狀態(tài)切換無沖擊，母線電壓始終保持穩(wěn)定，能量雙向流動(dòng)順暢。
工作模式Ⅱ工況下，單向變換器穩(wěn)定運(yùn)行于恒壓模式，母線電壓無波動(dòng)，雙向變換器精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)蓄電池限壓限流充電。負(fù)載突變僅引起光伏端電壓小幅波動(dòng)，系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定，有效規(guī)避蓄電池過充風(fēng)險(xiǎn)。
工作模式Ⅲ獨(dú)立供電工況下，無光伏能量輸入時(shí)，雙向變換器持續(xù)穩(wěn)定升壓，負(fù)載突變過程中母線電壓恒定，蓄電池放電平穩(wěn)，可滿足無光照環(huán)境下的可靠供電需求。
工作模式Ⅴ實(shí)驗(yàn)波形與模式Ⅱ基本一致，負(fù)載切除后，系統(tǒng)可利用微弱光伏電能為虧電蓄電池補(bǔ)能，實(shí)現(xiàn)能源高效利用與儲(chǔ)能單元保護(hù)。綜上，全工況實(shí)驗(yàn)均驗(yàn)證了本文控制系統(tǒng)響應(yīng)迅速、工況切換穩(wěn)定、能量調(diào)度精準(zhǔn)，控制策略具備良好的實(shí)用性與可靠性。
5 光儲(chǔ)充一體化充電站運(yùn)營管理解決方案
基于上述獨(dú)立光儲(chǔ)系統(tǒng)的控制技術(shù)，針對當(dāng)前光儲(chǔ)充一體化充電站存在的多能協(xié)同性差、并網(wǎng)合規(guī)性不足、運(yùn)營安全風(fēng)險(xiǎn)高、運(yùn)維繁瑣、盈利模式單一等行業(yè)痛點(diǎn)，安科瑞推出全棧式光儲(chǔ)充一體化充電站運(yùn)營管理解決方案。方案以“光、儲(chǔ)、充、管"一體化產(chǎn)品體系為核心，依托AcrelEMS智慧能源管理平臺(tái)，構(gòu)建源網(wǎng)荷儲(chǔ)充閉環(huán)管控體系，實(shí)現(xiàn)場站安全可控、降本增效、智能協(xié)同、合規(guī)并網(wǎng)，支撐光儲(chǔ)充場站規(guī)?；虡I(yè)落地。
5.1 多能協(xié)同智能控制
場站配置ACCU-1000L協(xié)調(diào)控制器，全域采集光伏逆變器、儲(chǔ)能柜、充電樁、保護(hù)裝置、電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。平臺(tái)結(jié)合光伏發(fā)電預(yù)測、用戶充電負(fù)荷預(yù)測，定制“一站一策"的能源調(diào)度策略，可實(shí)現(xiàn)防逆流控制、新能源就地消納、峰谷電價(jià)套利、電網(wǎng)柔性擴(kuò)容等多元化功能，大幅提升光伏、儲(chǔ)能設(shè)備利用效率，有效降低場站用電成本。
5.2 合規(guī)并網(wǎng)與電能質(zhì)量管控
方案集成防孤島保護(hù)、防逆流保護(hù)、電能質(zhì)量監(jiān)測、頻率電壓緊急控制、有功無功功率精準(zhǔn)調(diào)控功能，可精準(zhǔn)對接電網(wǎng)調(diào)度要求，滿足分布式光伏儲(chǔ)能場站“可觀、可測、可調(diào)、可控"的四可并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，有效規(guī)避并網(wǎng)合規(guī)性風(fēng)險(xiǎn)，保障場站長期穩(wěn)定并網(wǎng)運(yùn)行。
5.3 安全運(yùn)維
AcrelEMS平臺(tái)實(shí)時(shí)采集光伏、儲(chǔ)能、消防、環(huán)境、視頻安防等多維度數(shù)據(jù)，可精準(zhǔn)識(shí)別光伏發(fā)電異常、儲(chǔ)能熱失控、變壓器過載、設(shè)備過熱、局部放電、柜體非法開啟等故障隱患，實(shí)現(xiàn)7×24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測、異常自動(dòng)報(bào)警，將傳統(tǒng)被動(dòng)搶修模式轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)預(yù)防性運(yùn)維，提升場站運(yùn)行安全性。
5.4 智能化高效運(yùn)營管理
依托AcrelCloud-9000充電運(yùn)營管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)充電樁遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能調(diào)度、訂單管理與收益分析。平臺(tái)支持小程序/APP預(yù)約充電、掃碼刷卡啟停、尋樁導(dǎo)航等便民功能，依托第三方平臺(tái)引流，提升場站利用率。同時(shí)通過精準(zhǔn)的負(fù)荷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，為場站能源調(diào)度、運(yùn)營優(yōu)化、盈利升級提供數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)維、多元增收。
6 結(jié)語
本文針對傳統(tǒng)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)充放電管控缺失、儲(chǔ)能易損壞、能量利用率低等問題，構(gòu)建了單/雙向變換器協(xié)同工作的獨(dú)立光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)，劃分五種全場景工作模式，設(shè)計(jì)配套的分層能量管理控制電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制策略可實(shí)現(xiàn)光伏與儲(chǔ)能的智能協(xié)同調(diào)度，蓄電池充放電切換平穩(wěn)，母線電壓穩(wěn)定，有效保護(hù)儲(chǔ)能設(shè)備、提升系統(tǒng)運(yùn)行可靠性與能源利用效率。
結(jié)合工程應(yīng)用需求，本文引入安科瑞光儲(chǔ)充一體化解決方案，依托智慧能源管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)場站多能協(xié)同、合規(guī)并網(wǎng)、安全運(yùn)維、高效運(yùn)營，一站式解決行業(yè)核心痛點(diǎn)。整套技術(shù)方案兼具理論可行性與工程落地性，契合“雙碳"戰(zhàn)略與新能源基礎(chǔ)設(shè)施升級趨勢，可為獨(dú)立光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、光儲(chǔ)充一體化場站商業(yè)化運(yùn)營提供重要的技術(shù)參考。
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