KEY WORDS: solar cell; battery; photovoltaic power system; energy management
摘要：随着能源危机和环境污染问题日益严重，太阳能光伏 发电正成为世界关注的热点。提出一种新的太阳能独立光伏 发电系统能量管理控制策略。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，太阳能电 池提供负载稳定工作时所需要的能量，多余或不足的能量由 蓄电池来动态调节。系统能量管理的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工作在 合适的模式，从而使太阳能电池和蓄电池协调工作，确保供 电系统高效稳定运行以及快速的动态响应。通过原理样机验 证了所提的系统能量管理控制策略的有效性。
关键词：太阳能电池；蓄电池；光伏发电系统；能量 管理
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[1-7]。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[13-15]。
通过对太阳能电池电压(UPV)、蓄电池电压(UBat) 和蓄电池充放电电流(IBat)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 UPV ≤ UPV_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 = 150 V；IBat > 0 和 IBat < 0 分别对应于蓄电池 充电和放电的情况，IBat_max 是所设置的蓄电池最大 充电电流，本系统设置 IBat_max = 10 A；UBat_max 和 UBat_min 分别是设置的蓄电池过充电压和过放电压， 本系统设置 UBat_max = 56 V、UBat_min = 44 V。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。
基金项目：国家自然科学基金重点项目(50837003)；国家自然科学 基金青年科学基金项目(50807024)；江苏省“六大人才高峰”项目计划 (07-E-022)；教育部新世纪优秀人才支持计划项目；江苏大学高级专业 人才科研启动基金项目(09JDG010)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50837003, 50807024)．
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 150~350 VDC)转换为稳定的直流母线电 压(100 VDC)；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。
蓄电池电压 UBat ≤ UBat_min UBat_min< UBat< UBat_max UBat ≥ UBat_max
表 1 系统的工作模式 Tab. 1 Operation modes of the proposed system
UPV ≤ UPV_min IBat < 0
工作模式 IV： 单向变换器：关机模式 双向变换器：关机模式
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 point tracking，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 < Po(Ppv 为太阳能电
双向变换器 (Boost 模式)
(c) 工作模式 III
直流母线
单向变换器 (关断)
负载
太阳能电池 蓄电池
双向变换器 (关断)
(d) 工作模式 IV
直流母线
单向变换器 (恒压模式)
负载 (不工作)
太阳能电池 蓄电池
双向变换器V
图 2 系统不同工作模式下的能量流动示意图 Fig. 2 Energy flow in different operation modes
工作模式 III： 单向变换器：关机模式 双向变换器：Boost 模式
工作模式 III： 单向变换器：关机模式 双向变换器：Boost 模式
太阳能电池电压与蓄电池充放电电流
UPV > UPV_min
IBat < IBat_max
IBat ≥ IBat_max
工作模式 V： 单向变换器：恒压模式 双向变换器：Buck 模式
独立光伏发电系统能量管理控制策略
廖志凌 1，阮新波 2
(1．江苏大学电气信息工程学院，江苏省 镇江市 212013； 2．南京航空航天大学自动化学院，江苏省 南京市 210016)
Energy Management Control Strategy for Stand-alone Photovoltaic Power System
图 1 太阳能独立光伏发电系统框图 Fig. 1 Proposed stand-alone photovoltaic system
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
第 29 卷 第 21 期 46 2009 年 7 月 25 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.29 No.21 Jul. 25, 2009 ©2009 Chin.Soc.for Elec.Eng.
文章编号：0258-8013 (2009) 21-0046-07 中图分类号：TK 514 文献标志码：A 学科分类号：470⋅40
LIAO Zhi-ling1, RUAN Xin-bo2
(1. College of Electronic and Information Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu Province, China; 2. College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016, Jiangsu Province, China)
池输出功率，Po 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(IBat < 0)；如果太阳能 电池输出能量大于负载所需能量时，即 Ppv > Po，那 么多余的能量通过双向变换器给蓄电池充电(IBat > 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。
IPV +
UPV
太阳能 电池
−
150~350 VDC
Q3 C1
C L2 iL2
直流母线 100 VDC + Io +
D3
C2
UBus RL Uo
D
−
−
单向 DC-DC 变换器
iBat iL1
D1
+
L1 A
Q1
UBat
CL Q2 D2
CH
蓄电池 − 48 V/100 A⋅h
B 双向 DC-DC 变换器
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
第 21 期
廖志凌等： 独立光伏发电系统能量管理控制策略
47
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[16]。
(负载不工作)
工作模式 II： 单向变换器：恒压模式 双向变换器：Buck 模式
工作模式 I： 单向变换器：MPPT 模式 双向变换器：Boost 模式
工作模式 II： 单向变换器：恒压模式 双向变换器：Buck 模式