0 引言

隨著化石能源迅速消耗，以及由此帶來的能源危機與環(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)電能緩解能源危機和減少環(huán)境污染，并具有廣闊的應用前景[7。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)按是否與公共電網相聯(lián)接，分為獨立運行和并網運行2種方式。獨立運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)是目前太陽能光伏發(fā)電應用的非常重要的一種方式，其應用非常廣泛，可以解決偏遠山區(qū)和無電網地區(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，因此獨立運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)必須配備貯能蓄電池來儲存和調節(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，當負載突變時，可能導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)結構較簡單，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)額定功率進行配置，從而降低系統(tǒng)費用;3)根據系統(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)調工作，保證供電系統(tǒng)的正常運行。實驗結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逆變器接交流負載，也可通過DC-DC變換器接直流負載;如果直流母線電壓與負載所需要的電壓相匹配，則可以直接外接直流負載。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)設置UPv min=150V;/Ba>0和/Bat<0分別對應于蓄電池充電和放電的情況，/Bamax是所設置的蓄電池最大充電電流，本系統(tǒng)設置/Bamax=10A;UBat-mmgx和UBamin分別是設置的蓄電池過充電壓和過放電壓，本系統(tǒng)設置UBatmax=56V、UBatmin=44V。根據表1所劃分的5種工作情況，可以對應得到系統(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的電壓和反向電感電流(假設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載所需能量，即Ppv<P(Ppv為太陽能電池輸出功率，P。為負載消耗功率)，不足部分由蓄電池通過雙向變換器來補充(/Bet<0);如果太陽能電池輸出能量大于負載所需能量時，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管互補導通，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到過充電壓(56V)，或者充電電流達到最大允許充電電流(10A)時,雙向變換器應從Boost模式改變?yōu)锽uck模式，控制雙向變換器低壓側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電壓和反向電感電流,單獨提供能量給負載，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)給負載供電，可能會處于過放狀態(tài);那么當蓄電池放電電壓達到其過放電壓(44V)時，為了保護蓄電池，雙向變換器不能繼續(xù)工作，必須處于關斷模式，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連續(xù)較弱的天氣，蓄電池連續(xù)放電達到過放電壓而不能繼續(xù)放電;此時又由于太陽光強較弱，太陽能電池沒有足夠的能量提供給負載。因此，只能暫時讓負載不工作，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，根據系統(tǒng)不同的工作狀態(tài)，系統(tǒng)中2個變換器分別對應有3種工作模式:單向變換器可以工作在MPPT模式、恒壓模式或者關機(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或關機模式等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生的選通信號和雙向變換器的關斷信號。要實現(xiàn)該變換器雙向供電，功率管Q1和Q2需要互補導通;同時需要對雙向變換器兩端的電壓以及電感電流進行控制，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及其互補信號,Boost模式得到PWM2及其互補信號，然后通過模擬選通開關，由來自系統(tǒng)能量管理控制電路的選通信號 Ue選擇相應的脈沖寬度調制(pulse widthmodulation,PWM)控制信號(PWMl或PWM2)。模擬選通開關的真值表如圖3所示。

當U=0時，模擬選通開關選通PWM1及其互補信號，雙向變換器工作在Buck模式，此時Q1為主控管,22為被控管，雙向變換器通過調節(jié)21的占空比來調節(jié)輸出;當U=1時，選通PWM2及其互補信號，雙向變換器工作在Boost模式，此時22為主控管,21為被控管，雙向變換器通過調節(jié)22的占空比來調節(jié)輸出。被控管與主控管互補導通，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，對應的PI調節(jié)器需要不同的控制參數(shù)，因此，本控制方案分別利用2套獨立的電壓調節(jié)器和電流調節(jié)器來實現(xiàn)2個不同方向的穩(wěn)壓或限流控制，有利于控制電路設計和控制參數(shù)調節(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、恒壓工作模式或關機模式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生的選通信號U。和單向變換器的關斷信號UBuck_sD

當來自系統(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U=1時，模擬選通開關選通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。最終得到加于開關管3的驅動信號3-dre

2.4 系統(tǒng)能量管理控制電路

根據表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斷信號(設置高電平有效)。

1) 當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 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，制作一臺負載功率500W的原理樣機,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)對應太陽能電池的能量不足以提供負載所需能量，蓄電池放電時的實驗結果;(b)對應太陽能電池的能量大于負載所需能量，蓄電池充電時的實驗結果;(c)對應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果?？梢?，由于雙向變換器的功率管互補導通，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。當負載從半載突加到滿載時，太陽能電池陣列的電壓下降，而當負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，當負載突變時，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下負載不工作，此處不再贅述。

從以上實驗結果可以看出，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、并網合規(guī)性和運營安全風險大、油車占位、運維復雜等核心痛點，安科瑞以“光、儲、充、管（運營管理平臺）"全棧產品體系為底座，AcrelEMS智慧能源管理平臺提供源網荷儲充一體化閉環(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，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、簡化運維、多元增收，全面支撐光儲一體化充電站規(guī)模化、商業(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置ACCU-1000L協(xié)調控制器，采集站內微機保護、多功能儀表、電能質量監(jiān)測裝置、光伏逆變器、儲能柜、充電樁等設備數(shù)據，可以根據實際情況實現(xiàn)防逆流控制、新能源消納、峰谷套利、柔性擴容等多種策略，根據每個站的需求采用一站一策，平臺基于光伏發(fā)電預測和充電功率預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)并網保護控制

安科瑞為分布式光伏和儲能系統(tǒng)并網提供防孤島保護、電能質量監(jiān)測、防逆流保護和調控以及電力調度對接功能，實現(xiàn)有功功率/無功功率控制、發(fā)電預測、頻率電壓緊急控制等等，實現(xiàn)分布式場站可觀、可測、可調、可控“四可"要求，為光儲一體化電站安全、合規(guī)運行提供系統(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、站內視頻、設備狀態(tài)等數(shù)據，及時發(fā)現(xiàn)光儲充設備存在的異常風險，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"轉為“主動運維"，提高場站運營安全。

圖4 設備運行監(jiān)測

4.4高效運營

安科瑞AcrelCLoud-9000充電運營管理平臺可以實現(xiàn)對充電樁的監(jiān)控、調度和管理，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確的充電需求數(shù)據，方便后續(xù)的調度和管理。平臺支持掃碼/刷卡充電、尋樁導航、訂單管理、充電樁監(jiān)控、收益分析等功能。

圖5 充電場站運行監(jiān)測

5 結束語

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，一站式解決充電站成本、安全、協(xié)同、并網、運維、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，助力運營商打造安全、綠色、經濟、智能的新一代光儲充示范站，契合雙碳戰(zhàn)略與充電基礎設施升級趨勢，具備落地性與商業(yè)競爭力。