光储充一体化全栈方案：智能协同调控・精益压降能耗・多元收益变现

0 引言

随着化石能源迅速消耗，以及由此带来的能源危机与环境污染日益加剧，近年来世界各国都在积极寻找和开发新的、清洁的可再生能源。太阳能具有取之不尽、用之不竭等优点，是理想的可再生能源。太阳能光伏发电能缓解能源危机和减少环境污染，并具有广阔的应用前景[7。太阳能光伏发电系统按是否与公共电网相联接，分为独立运行和并网运行2种方式。独立运行的光伏发电系统是目前太阳能光伏发电应用的非常重要的一种方式，其应用非常广泛，可以解决偏远山区和无电网地区的供电问题。由于太阳能电池的输出功率受太阳光强和环境温度的影响变化很大，而且不能储存能量，因此独立运行的光伏发电系统必须配备贮能蓄电池来储存和调节电能[8-12。在传统的独立光伏发电系统中，蓄电池直接与直流母线相连接，其充放电电流不能得到有效的控制，当负载突变时，可能导致蓄电池的充放电电流过大，损坏蓄电池;因此有必要在系统直流母线和蓄电池之间插入一个DC-DC变换器以控制蓄电池的充放电。

图1为本文所构建的一种采用太阳能作为一次能源、蓄电池作为储能单元的太阳能独立光伏发电系统，由太阳能电池、蓄电池、单向DC-DC变换器和双向DC-DC变换器组成，系统具有以下特点:1)系统结构较简单，蓄电池充放电共用一个双向变换器来实现，可减轻系统的重量，同时通过双向变换器还可以控制蓄电池充放电电流，保护蓄电池不受损坏;2)由于蓄电池的引入，系统过载所需的能量可由蓄电池放电来提供，太阳能电池的功率等级只需按照系统额定功率进行配置，从而降低系统费用;3)根据系统的不同工作状态，通过选择2个变换器的工作模式，有效实现系统能量流动管理。

针对系统中有太阳能电池和蓄电池2个能量提供装置的特点，本文提出一种能量管理控制策略，其核心是根据太阳能电池和蓄电池的工作状态，控制单向变换器和双向变换器分别工作在合适的模式，使得蓄电池和太阳能电池这2种电源协调工作，保证供电系统的正常运行。实验结果验证了所提出的系统能量管理控制策略的有效性。

1 系统的工作模式与能量流动方式

图1中，单向DC-DC变换器选用Buck变换器,它把太阳能电池组件的宽范围直流输出电压(本实验系统为 150~350VDC)转换为稳定的直流母线电压(100VDC);双向DC-DC变换器选用Buck/Boost双向变换器。该系统可以通过DC-AC逆变器接交流负载，也可通过DC-DC变换器接直流负载;如果直流母线电压与负载所需要的电压相匹配，则可以直接外接直流负载。为简化分析，本系统选择直流母线直接外接直流电阻负载。

通过对太阳能电池电压(UPv)、蓄电池电压(Uhe)和蓄电池充放电电流(/ea)的检测，可以将系统的工作情况划分为5种工作模式，如表1所示。表1中，Upv>Upv_min和UPvUpv.min分别表示太阳能电池有能量输出和没有能量输出的情况，本系统设置UPv min=150V;/Ba>0和/Bat<0分别对应于蓄电池充电和放电的情况，/Bamax是所设置的蓄电池最大充电电流，本系统设置/Bamax=10A;UBat-mmgx和UBamin分别是设置的蓄电池过充电压和过放电压，本系统设置UBatmax=56V、UBatmin=44V。根据表1所划分的5种工作情况，可以对应得到系统的各种能量流动示意图，如图2所示。

工作模式I:系统正常运行时，单向变换器工作在最大功率点跟踪(maximum power pointtracking，MPPT)模式，双向变换器工作在Boost模式，控制双向变换器高压侧的电压和反向电感电流(假设蓄电池充电时电感电流为正)，给直流母线提供稳定电压，如图2(a)所示。如果太阳能电池不足以提供负载所需能量，即Ppv<P(Ppv为太阳能电池输出功率，P。为负载消耗功率)，不足部分由蓄电池通过双向变换器来补充(/Bet<0);如果太阳能电池输出能量大于负载所需能量时，即Pw>P。，那么多余的能量通过双向变换器给蓄电池充电(Ba>0)。由于双向变换器的功率开关管互补导通，能量可以双向流动，即蓄电池可以在放电与充电状态之间自然切换，两者的区别仅是蓄电池能量流动方向相反。

工作模式II:在工作模式I中，在蓄电池充电电压达到过充电压(56V)，或者充电电流达到最大允许充电电流(10A)时,双向变换器应从Boost模式改变为Buck模式，控制双向变换器低压侧的电压和电感电流给蓄电池充电;此时，单向变换器也需从MPPT模式改变为恒压模式，控制变换器的输出电压给直流母线提供稳定电压，如图2(b)所示。

工作模式IIl:如果在晚上或者阴雨天(Upv min150V)，太阳能电池阵列无能量输出，即Pv=0时，单向变换器不工作，而双向变换器工作在Boost模式，控制双向变换器高压侧电压和反向电感电流,单独提供能量给负载，如图2(c)所示。

工作模式IV:在工作模式III中，如果遇到连续阴雨天的时间过长，由于蓄电池连续给负载供电，可能会处于过放状态;那么当蓄电池放电电压达到其过放电压(44V)时，为了保护蓄电池，双向变换器不能继续工作，必须处于关断模式，也即整个系统停止工作，如图2(d)所示。

工作模式V:在工作模式I的蓄电池放电过程中，一旦在某个时候意外遇到一段长时间的太阳光强连续较弱的天气，蓄电池连续放电达到过放电压而不能继续放电;此时又由于太阳光强较弱，太阳能电池没有足够的能量提供给负载。因此，只能暂时让负载不工作，而将太阳能电池可发出的少量电用于蓄电池充电。此时与工作模式II类似，不同的是此时负载切出不工作，如图2(e)所示。

2系统控制电路的实现

2.1系统控制电路框图

由以上分析可知，为了实现系统能量管理，有效控制蓄电池充放电过程，根据系统不同的工作状态，系统中2个变换器分别对应有3种工作模式:单向变换器可以工作在MPPT模式、恒压模式或者关机(shut-down,SD)模式;双向变换器可以工作在Boost模式、Buck模式或SD模式。这可通过系统能量管理控制电路实现。图3为整个系统控制电路框图，包括双向变换器的控制电路、单向变换器的控制电路和系统能量管理控制电路3部分。

2.2 双向DC-DC变换器的控制电路

双向变换器可以在Boost、Buck或关机模式等3种工作状态之间自由切换，而这受控于能量管理控制电路产生的选通信号和双向变换器的关断信号。要实现该变换器双向供电，功率管Q1和Q2需要互补导通;同时需要对双向变换器两端的电压以及电感电流进行控制，使其可以自由地在2个方向分别实现稳压或限流工作。因此本文提出了一种新的双向选通控制电路，如图3所示。

要实现双向变换器再2个方向分别稳压或限流工作，需要检测变换器两端电压UBus、UBa以及蓄电池电流lBa。Buck模式的受控电压和电流分别为蓄电池电压UBa和充电电流/Bat，Boost模式的受控电压和电流分别为母线电压Ueus和蓄电池放电电流(-lea)。Buck模式得到PWMl及其互补信号,Boost模式得到PWM2及其互补信号，然后通过模拟选通开关，由来自系统能量管理控制电路的选通信号 Ue选择相应的脉冲宽度调制(pulse widthmodulation,PWM)控制信号(PWMl或PWM2)。模拟选通开关的真值表如图3所示。

当U=0时，模拟选通开关选通PWM1及其互补信号，双向变换器工作在Buck模式，此时Q1为主控管,22为被控管，双向变换器通过调节21的占空比来调节输出;当U=1时，选通PWM2及其互补信号，双向变换器工作在Boost模式，此时22为主控管,21为被控管，双向变换器通过调节22的占空比来调节输出。被控管与主控管互补导通，即工作在同步整流状态。实际电路是采用2个PWM控制器SG3525构成具体的控制电路。

Buck工作模式与Boost工作模式下双向变换器小信号模型不同，对应的PI调节器需要不同的控制参数，因此，本控制方案分别利用2套独立的电压调节器和电流调节器来实现2个不同方向的稳压或限流控制，有利于控制电路设计和控制参数调节。

2.3 单向DC-DC变换器的控制电路

单向DC-DC变换器的两端分别连接高压端太阳能电池和低压端直流母线，其选通控制电路如图3所示，图中，UPv和UBus分别代表太阳能电池电压和直流母线电压，/ev为太阳能电池输出电流。根据系统不同的工作状态，单向变换器的控制电路要确保其可以自由地在MPPT工作模式、恒压工作模式或关机模式3种状态之间自由切换，而这同样受控于能量管理控制电路所产生的选通信号U。和单向变换器的关断信号UBuck_sD

当来自系统能量管理控制电路的选通信号为低电平，即UE=0时，模拟选通开关选通PWM3信号，单向变换器工作在恒压工作模式，给直流母线提供稳定电压;当U=1时，模拟选通开关选通PWM4信号，单向变换器工作在MPPT工作模式，使太阳能电池输出最大功率。最终得到加于开关管3的驱动信号3-dre

2.4 系统能量管理控制电路

根据表1中的系统5种工作模式，可以得出一种系统能量管理控制电路，其功能如图3中的下方框图所示，其具体电路如图4所示，图中/Bat和UBam分别是蓄电池的电流和电压，UPv是太阳能电池的电压，UE是单向变换器和双向变换器工作模式选通信号,UBueksD和UBisD分别为单向变换器和双向变换器的关断信号(设置高电平有效)。

1) 当IBat<IBat_max、 UBat min<UBat<UBat.max且Upv>Upv_min时，输出选通信号UE=1、UBuck_SD=0、UBi_SD=0,此时系统处于工作模式l。

2) 当IBatIBat_max或UBatUBat_max,且.Upv>Upv_min时，输出选通信号UE=0、UBuck_SD=0、UBi_SD=0，此时系统处于工作模式Il。

3) 当IBat<0、 UBat>UBat_min 且UpvUpv_min 时，输出选通信号 UE=1、UBuck SD=1、UBiSD=0，此时系统处于工作模式IIl。

4) 当 IBat<0、UBatUBat_min且 UpvUpv_min时，输出选通信号UE=1、UBuck_SD=1、UBi_SD=1，此时系统处于工作模式IV。

5) 当IBat<IBat_max、 UBatUBat_min,且.Upv>Upv_min时，输出选通信号UE=0、UBuck_SD=0、UBiSD=0，此时系统处于工作模式V。

为避免系统在切换点高、低电平之间来回切换，实际电路中采用了滞环比较器。

3 实验验证

为了验证本文提出的系统能量管理控制策略的正确性和有效性，制作一台负载功率500W的原理样机,表2给出了实验系统各个组成部分的参数。工作模式I下从半载突加到满载，以及从满载突减到半载时。、ina、1v和1Bus的实验波形如图5所示:(a)对应太阳能电池的能量不足以提供负载所需能量，蓄电池放电时的实验结果;(b)对应太阳能电池的能量大于负载所需能量，蓄电池充电时的实验结果;(c)对应蓄电池由充电到放电，以及由放电到充电自然切换时的实验结果。可见，由于双向变换器的功率管互补导通，能量可以在双向变换器中自由地双向流动，即蓄电池可以在放电与充电状态。

之间自然切换，系统保持正常工作。

图6给出了工作模式下从半载突加到满载，以及从满载突减到半载时io、1pv、1mat和1Bus的实验波形。从图中可看出，单向变换器一直处于恒压模式，UBs保持恒定;双向变换器一直处于Buck模式给蓄电池充电，系统正常工作。当负载从半载突加到满载时，太阳能电池阵列的电压下降，而当负载从满载突减到半载时，太阳能电池阵列的电压升高。

图7给出了工作模式III下负载从半载突加到满载和从满载突减到半载时i。、iBat、/Ba和1/Bus的实验波形。从图中可以看出，当负载突变时，双向变换器一直处于Boost工作模式，直流母线电压UBs保持恒定，系统正常工作。

工作模式V的实验波形与工作模式II的实验波形类似，不同的是工作模式V下负载不工作，此处不再赘述。

从以上实验结果可以看出，系统在各种情况下均可正常工作，蓄电池的能量流向方向通过双向变换器可以自由切换，实现了整个系统的能量管理，验证了系统能量管理策略的正确性和有效性。

4 安科瑞光储一体化充电站运营管理解决方案

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图1 光储一体化充电站系统示意图

4.1多能协同控制策略

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图2 光储一体化充电站多能协同策略示意图

4.2合规并网保护控制

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4.3场站安全

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图4 设备运行监测

4.4高效运营

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图5 充电场站运行监测

5 结束语

安科瑞光储充一体化解决方案，以AcrelEMS智慧能源管理为大脑、安全可靠为根基、高效集成为手段、降本增收为目标，一站式解决充电站成本、安全、协同、并网、运维、盈利六大核心痛点，以全功率覆盖、全场景适配、全链路安全、云边端一体化为特点，助力运营商打造安全、绿色、经济、智能的新一代光储充示范站，契合双碳战略与充电基础设施升级趋势，具备落地性与商业竞争力。