独立光伏发电系统统一能量控制策略
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山东省科技攻关项目 (210GGX10706) ，山东电力集团公司科技项目 支持课题（ 2010A-61 ）。 收稿日期 2010-11-01 改稿日期 2011-05-19
1
引言
独立光伏发电系统使用蓄电池或可调负载来存
放和调节电能，蓄电池或可调负载容量与日平均负 载及自给天数、放电深度有很大关系
[1-2]
2011 年 第 26 卷增刊 1
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.26
Sup. 1 2011
独立光伏发电系统统一能量控制策略
袁建华
1
高
峰
1
高厚磊
1
刘
烟台
博
1
季笑庆
250061
2
王云波
2
（ 1.山东大学电气工程学院 2.烟台供电公司 摘要
第 26 卷增刊 1
袁建华 等
独立光伏发电系统统一能量控制策略
249
即有
工作点，即 P1→A← P2， P3→B← P4。
1 1 2 2 － CU bus1 （ 3） (Ppv－Po ) t = CU bus2 2 2 由式（ 3 ）可知， Ppv＜ Po 时， U bus2 ＜ Ubus1 ，母
图1 Fig.1 统一控制策略下独立光伏发电系统拓扑图 Topological illustration of stand-alone PV
3.2
直流母线电压与负载功率关系 本文论述的光伏发电系统应用中蓄电池经简单
generation system under the unified control strategy
Unified Energy Control Strategy of Stand-Alone Photovoltaic System
Yuan Jianhua1 Gao Feng 1 Gao Houlei1 Liu Bo 2 Jinan Yantai Ji xiaoqing 2 China China） 26400 Wang yunbo2 （ 1.Shandong University 2.Yantai Power Supply Company Abstract 250061
电功率之和为 Po，即 Po=PL +Pb，显然 Po≥ 0。
3
3.1
独立光伏发电系统统一能量控制策略
光伏电池输出特性 PV 电流 I pv 与电压 U pv 的关系由式（ 1 ）给出 [10]
qU pv I 0 exp （ 1） 1 nkT 式中， I r 为光生电流，其大小受光照强度 S 影响；
The stand-alone photovoltaic (PV) systems depend on batteries or adjustable load to
keep the balance of generated power and load. The control modes of PV generation transit among maximum power point tracking (MPPT), voltage regulating or current limiting modes using the traditional energy management system. This paper proposes a unified energy control strategy for stand-alone PV system to control PV generation, charging and discharging of battery, consumption as a whole according to the inherent theory of energy balance and DC bus voltage variation. The proposed strategy optimizes rear-end load power including battery by regulating dc bus voltage. And then it controls PV generation following load variation smoothly without using the traditional transition of control modes. Meanwhile, under the unified energy control strategy, an optimal searching method of PV working point is presented to avoid dc conversion failure. Matlab simulations show the performance of proposed control method with captured results presented for viewing. Keywords： PV generation, DC bus, unified control, power, energy, optimal PV 较频繁地在 MPPT 模式 [3-5] 及稳压模式、限流模 式之间切换，各模式下控制方法不同，需要能量管 理控制器指导模式转换并对各模式分别进行控制， 因此系统整体控制策略较复杂。 文献 [6-9] 介绍了独立光伏发电系统的结构、设 计及控制。其中，文献 [6] 对独立光伏发电系统使用 的蓄电池类型以及如何有效控制其充放电进行了论
池、DC/DC 电路、蓄电池和本地负载以及供电开关 S 组成，各部分依靠统一能量控制器协调工作。光 伏电池经 DC-DC 电路接入直流母线，蓄电池通过 简单限流电路挂接在母线上。
图2 Fig.2
光伏电池 P - U 曲线 The P -U curves of PV
由图 2 可见，光照强度 S 对 PV 功率影响极大， 其变化将导致 PV 输出具有间歇性和波动性 [10] 。
线电压下降；Ppv＞ Po 时，U bus2 ＞ U bus1 ，母线电压上 升；Ppv=Po 时，U bus2 =U bus1 ，母线电压维持不变。即 理想条件下，系统稳定时 Po 与 Ppv 大小应相等。 3.4 统一能量控制策略下 PV 功率控制 母线电压变化能调节、 优化系统后级负载功率， 其变化趋势亦反映出 PV 功率与后级负载功率的相 对关系。在独立光伏发电系统中，负载功率是系统 能量流动的自变量， PV 功率必须紧随负载功率的变 化而变化，是因变量。 统一能量控制策略下系统的控制，就体现出负 载功率是自变量而 PV 输出功率是其因变量的基本 思想：系统启动时 U bus 逐渐上升并靠近 U N ，负载总 功率缓慢增加；同时在负载功率逐渐优化的基础上 基于能量平衡原理，对 PV 进行负载追踪控制：若 PV 功率不足以维持 U bus 再次上升时，则 U bus 会在 U N（含）下的这个电压处小幅振荡；若 U bus 一直上 控制器会通过减少 PV 功率来减少 升到超过 U N 时， 剩余能量，直至 U bus 稳定在 U N 。 根据 P-U 特性曲线上 Ppv 最大值 Ppv_max 与理想 供电条件下负载总功率 Po 最大值 Po_max 的相对关 系，对统一能量控制策略分两种情况进行说明： （ 1 ）Ppv_max＞ Po_max：Po_max 穿越 P-U 曲线，并 交于 A、 B 两点， M 是 PV 最大功率点， A、 M、 B 将 P- U 曲线分成 4 段，如图 3 上图所示。
对 P- U 曲线各段（工作点）状态及追踪方向分 析如表 1 。 U = U pv （ n +1 ） U pv n ，即 n +1 时刻 PV 电压 ， 增加为 “ +” ， 采样值减去 n 时刻采样值， 减少为 “ ” 变量 P=Ppv( n+1) Ppvn 、 I =I pv( n+1) I pvn 规定与 U 相 同， U bus=Ubusn U N ，即 n 时刻母线电压 U bus 与额 定电压 UN 的差，其变化关系可由式（ 3 ）判断，记
限流电路接入母线，一般情况下母线电压即为蓄电 池端电压。为防止蓄电池过充和过放，对母线电压 范围必须加以限制，设定母线额定电压 U N 为蓄电 池浮充电压，最低电压为蓄电池过放电压。 本地负载类型整体上呈阻性，当不考虑负载投 切暂态过程，负载和蓄电池获取功率随母线电压成 单调增长关系，理想供电状态下其在 U N 处获取 Po 最大值 Po_max，此时负载功率 PL 最大，蓄电池充电 功率也最大。 3.3 系统发、用电功率差与母线电压变化关系 将母线看作一个节点，不考虑损耗，当其电压 稳 定 时 ， 发 电 和 用 电 是 平 衡 的 ， 即 经 极 短 时 间 t ，流入、流出电能应相等 （ t 1→ t 2） Ppv ∆t =Pc ∆t +Po ∆t （ 2） 1 1 2 2 Pc ∆t = CU bus2 － CU bus1 2 2 式中， Pc 为母线电容交换功率，充电为正，放电为 负； U bus1 为母线 t1 时刻电压； U bus2 为 t2 时刻电压。
I pv =I r
I 0 为饱和电流； n 为比例因子； q 、 k 分别为电荷常 数和玻耳兹曼常数； T 为绝对温度。 依据式（ 1）绘制出 PV 在光照不同、结温相同 （光照相同、结温不同本文控制策略同样适用）情 况下的 P- U 特性曲线，如图 2 所示。
2
2.1
独立光伏系统拓扑及工作原理
系统拓扑结构 图 1 为独立光伏发电系统拓扑，系统由光伏电
。此类应用
中，为了维持发电与用电平衡，保证系电路接入的独 立光伏发电系统，基于蓄电池充、放电状态，对其
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引言
独立光伏发电系统使用蓄电池或可调负载来存
放和调节电能，蓄电池或可调负载容量与日平均负 载及自给天数、放电深度有很大关系
[1-2]
2011 年 第 26 卷增刊 1
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.26
Sup. 1 2011
独立光伏发电系统统一能量控制策略
袁建华
1
高
峰
1
高厚磊
1
刘
烟台
博
1
季笑庆
250061
2
王云波
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（ 1.山东大学电气工程学院 2.烟台供电公司 摘要
第 26 卷增刊 1
袁建华 等
独立光伏发电系统统一能量控制策略
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即有
工作点，即 P1→A← P2， P3→B← P4。
1 1 2 2 － CU bus1 （ 3） (Ppv－Po ) t = CU bus2 2 2 由式（ 3 ）可知， Ppv＜ Po 时， U bus2 ＜ Ubus1 ，母
图1 Fig.1 统一控制策略下独立光伏发电系统拓扑图 Topological illustration of stand-alone PV
3.2
直流母线电压与负载功率关系 本文论述的光伏发电系统应用中蓄电池经简单
generation system under the unified control strategy
Unified Energy Control Strategy of Stand-Alone Photovoltaic System
Yuan Jianhua1 Gao Feng 1 Gao Houlei1 Liu Bo 2 Jinan Yantai Ji xiaoqing 2 China China） 26400 Wang yunbo2 （ 1.Shandong University 2.Yantai Power Supply Company Abstract 250061
电功率之和为 Po，即 Po=PL +Pb，显然 Po≥ 0。
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3.1
独立光伏发电系统统一能量控制策略
光伏电池输出特性 PV 电流 I pv 与电压 U pv 的关系由式（ 1 ）给出 [10]
qU pv I 0 exp （ 1） 1 nkT 式中， I r 为光生电流，其大小受光照强度 S 影响；
The stand-alone photovoltaic (PV) systems depend on batteries or adjustable load to
keep the balance of generated power and load. The control modes of PV generation transit among maximum power point tracking (MPPT), voltage regulating or current limiting modes using the traditional energy management system. This paper proposes a unified energy control strategy for stand-alone PV system to control PV generation, charging and discharging of battery, consumption as a whole according to the inherent theory of energy balance and DC bus voltage variation. The proposed strategy optimizes rear-end load power including battery by regulating dc bus voltage. And then it controls PV generation following load variation smoothly without using the traditional transition of control modes. Meanwhile, under the unified energy control strategy, an optimal searching method of PV working point is presented to avoid dc conversion failure. Matlab simulations show the performance of proposed control method with captured results presented for viewing. Keywords： PV generation, DC bus, unified control, power, energy, optimal PV 较频繁地在 MPPT 模式 [3-5] 及稳压模式、限流模 式之间切换，各模式下控制方法不同，需要能量管 理控制器指导模式转换并对各模式分别进行控制， 因此系统整体控制策略较复杂。 文献 [6-9] 介绍了独立光伏发电系统的结构、设 计及控制。其中，文献 [6] 对独立光伏发电系统使用 的蓄电池类型以及如何有效控制其充放电进行了论
池、DC/DC 电路、蓄电池和本地负载以及供电开关 S 组成，各部分依靠统一能量控制器协调工作。光 伏电池经 DC-DC 电路接入直流母线，蓄电池通过 简单限流电路挂接在母线上。
图2 Fig.2
光伏电池 P - U 曲线 The P -U curves of PV
由图 2 可见，光照强度 S 对 PV 功率影响极大， 其变化将导致 PV 输出具有间歇性和波动性 [10] 。
线电压下降；Ppv＞ Po 时，U bus2 ＞ U bus1 ，母线电压上 升；Ppv=Po 时，U bus2 =U bus1 ，母线电压维持不变。即 理想条件下，系统稳定时 Po 与 Ppv 大小应相等。 3.4 统一能量控制策略下 PV 功率控制 母线电压变化能调节、 优化系统后级负载功率， 其变化趋势亦反映出 PV 功率与后级负载功率的相 对关系。在独立光伏发电系统中，负载功率是系统 能量流动的自变量， PV 功率必须紧随负载功率的变 化而变化，是因变量。 统一能量控制策略下系统的控制，就体现出负 载功率是自变量而 PV 输出功率是其因变量的基本 思想：系统启动时 U bus 逐渐上升并靠近 U N ，负载总 功率缓慢增加；同时在负载功率逐渐优化的基础上 基于能量平衡原理，对 PV 进行负载追踪控制：若 PV 功率不足以维持 U bus 再次上升时，则 U bus 会在 U N（含）下的这个电压处小幅振荡；若 U bus 一直上 控制器会通过减少 PV 功率来减少 升到超过 U N 时， 剩余能量，直至 U bus 稳定在 U N 。 根据 P-U 特性曲线上 Ppv 最大值 Ppv_max 与理想 供电条件下负载总功率 Po 最大值 Po_max 的相对关 系，对统一能量控制策略分两种情况进行说明： （ 1 ）Ppv_max＞ Po_max：Po_max 穿越 P-U 曲线，并 交于 A、 B 两点， M 是 PV 最大功率点， A、 M、 B 将 P- U 曲线分成 4 段，如图 3 上图所示。
对 P- U 曲线各段（工作点）状态及追踪方向分 析如表 1 。 U = U pv （ n +1 ） U pv n ，即 n +1 时刻 PV 电压 ， 增加为 “ +” ， 采样值减去 n 时刻采样值， 减少为 “ ” 变量 P=Ppv( n+1) Ppvn 、 I =I pv( n+1) I pvn 规定与 U 相 同， U bus=Ubusn U N ，即 n 时刻母线电压 U bus 与额 定电压 UN 的差，其变化关系可由式（ 3 ）判断，记
限流电路接入母线，一般情况下母线电压即为蓄电 池端电压。为防止蓄电池过充和过放，对母线电压 范围必须加以限制，设定母线额定电压 U N 为蓄电 池浮充电压，最低电压为蓄电池过放电压。 本地负载类型整体上呈阻性，当不考虑负载投 切暂态过程，负载和蓄电池获取功率随母线电压成 单调增长关系，理想供电状态下其在 U N 处获取 Po 最大值 Po_max，此时负载功率 PL 最大，蓄电池充电 功率也最大。 3.3 系统发、用电功率差与母线电压变化关系 将母线看作一个节点，不考虑损耗，当其电压 稳 定 时 ， 发 电 和 用 电 是 平 衡 的 ， 即 经 极 短 时 间 t ，流入、流出电能应相等 （ t 1→ t 2） Ppv ∆t =Pc ∆t +Po ∆t （ 2） 1 1 2 2 Pc ∆t = CU bus2 － CU bus1 2 2 式中， Pc 为母线电容交换功率，充电为正，放电为 负； U bus1 为母线 t1 时刻电压； U bus2 为 t2 时刻电压。
I pv =I r
I 0 为饱和电流； n 为比例因子； q 、 k 分别为电荷常 数和玻耳兹曼常数； T 为绝对温度。 依据式（ 1）绘制出 PV 在光照不同、结温相同 （光照相同、结温不同本文控制策略同样适用）情 况下的 P- U 特性曲线，如图 2 所示。
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2.1
独立光伏系统拓扑及工作原理
系统拓扑结构 图 1 为独立光伏发电系统拓扑，系统由光伏电
。此类应用
中，为了维持发电与用电平衡，保证系电路接入的独 立光伏发电系统，基于蓄电池充、放电状态，对其
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