溫室獨立型光伏儲能供電系統(tǒng)的仿真研究

范哲超 鄔明亮 賀雨凱

摘要：隨著我國現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)技術的不斷發(fā)展，開始大規(guī)模普及溫室種植，致使電力能耗增加，因此亟需研發(fā)可再生能源應用，以促進溫室生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。擬構建1種溫室獨立型光伏儲能供電系統(tǒng)仿真模型，設定光伏陣列的安裝容量、電路類型、逆變器輸出電壓和變壓器變比等參數(shù)，闡述光伏電池原理、最大功率點跟蹤原理和獨立型逆變器的控制方法，在MATLAB軟件的Simulink平臺上搭建系統(tǒng)仿真模型，通過仿真結果驗證了系統(tǒng)的可行性。

關鍵詞：溫室;光伏儲能供電系統(tǒng);仿真

中圖分類號： S624.4+1;S126 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）13-0272-05

隨著傳統(tǒng)能源的逐漸枯竭，能源危機逐漸成為當前人類發(fā)展所面臨的巨大挑戰(zhàn)之一，世界各國正積極尋找高效、環(huán)保的替代能源。光伏發(fā)電是一種無噪音、無污染、易維護的可再生能源發(fā)電形式，隨著光伏電池效率的提升，光伏發(fā)電越來越受到關注。根據(jù)負載類型的不同，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為并網(wǎng)型和獨立型[1]。并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)主要應用在分布式光伏與大型地面光伏電站，其負載就是電力系統(tǒng);獨立型光伏發(fā)電系統(tǒng)也稱為離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)，其負載是用電負荷，適用于微電網(wǎng)、用電困難的偏遠地區(qū)等。

近年來，我國溫室產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷發(fā)展，一方面農(nóng)業(yè)種植利潤逐步提高，另一方面能耗和成本也大幅提升。隨著黨的十九大精神得到深入貫徹，國家大力發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)，重點推行節(jié)能減排政策，增加可再生能源在溫室中的應用已經(jīng)成為現(xiàn)代溫室可持續(xù)發(fā)展的重要手段。因此，研究適用于溫室的獨立型光伏儲能（photovoltaic/energy storage，簡稱PV/ES）供電系統(tǒng)，保證溫室供電的可靠性，節(jié)約溫室電能損耗，具有比較重要的實際意義和推廣價值[2-3]。

1 獨立光伏儲能供電系統(tǒng)的設計

1.1 系統(tǒng)拓撲結構

溫室獨立型光伏儲能供電系統(tǒng)的拓撲結構如圖1所示，其中箭頭表示能量的流動方向。光伏陣列是系統(tǒng)的能量來源，由多個光伏組件串、并聯(lián)而成。由于光伏電池是一種非線性的直流電流源[4]，需要利用DC/DC（直流/直流）變換器來對其進行最大功率點跟蹤（maximum power point tracking，簡稱MPPT）控制，DC/DC變換器與蓄電池并聯(lián)，連接至直流母線電容，穩(wěn)定逆變器直流側電壓，確保蓄電池出現(xiàn)故障時，光伏陣列仍能向外輸出功率。蓄電池在系統(tǒng)中起到“削峰填谷”的作用，即當光伏輸出功率大于溫室負荷時，蓄電池充電;當光伏輸出功率小于溫室負荷時，蓄電池放電。由此可見蓄電池與直流母線之間的能量流動是雙向的。獨立型逆變器將光伏陣列和蓄電池產(chǎn)生的直流電能變換為交流電能向溫室負荷供電，同時溫室負荷也由市電進行供電。

1.2 系統(tǒng)的整體設計

1.2.1 光伏陣列容量的設計 在確定光伏陣列的安裝容量前，首先需要了解溫室負荷的功率及運行方式，溫室負荷功率與運行方式見表1。

根據(jù)表1所列負荷，統(tǒng)計溫室負荷的最大功率Pmax=2 kW，日用電量Egh≈11 kW·h。以呼和浩特市為例，各月日均峰值日照時數(shù)如圖2所示，一般用平均峰值日照時數(shù)乘以陣列的容量來估計每天的平均發(fā)電量（即1 kW的光伏裝機容量每天可發(fā)電度數(shù)）。

圖2中呼和浩特市光照條件最差的月份為12月，日均峰值日照時數(shù)為2.31 h;光照條件最好的月份為5、6月，日均峰值日照時數(shù)為6.46 h;全年日均峰值日照時數(shù)為4.55 h。在配置光伏陣列安裝容量時，需要考慮功率平衡與能量平衡2個方面，但是光伏陣列與負荷之間存在蓄電池這一緩沖介質(zhì)，并且光伏陣列的輸出功率受氣象條件影響，并不能保證負荷的最大功率與光伏陣列的最大輸出功率同時出現(xiàn)，因此只需要考慮能量平衡。設光伏陣列的安裝容量為CPV，峰值日照時數(shù)為TPV，為了滿足光伏陣列與負荷之前的能量平衡，有如考慮到多余的光伏電能無法通過獨立逆變器并網(wǎng)，為了避免能量浪費，使用最大日均峰值日照時數(shù)對光伏陣列安裝容量進行配置，得到CPV=1.7 kW，考慮到效率因素的影響并保留一定的裕量，取CPV=2 kW。

以JKM250P型號的光伏組件為例，將其作為光伏陣列的基本單元，其參數(shù)如下：標稱功率為250 W，開路電壓（Uoc）為37.7 V，最大功率點電壓（Ump）為30.5 V，短路電流（Isc）為 8.85 A，最大功率點電流（Imp）為8.20 A。由于光伏組件的標稱功率為250 W，因此需要將8塊光伏組件串、并聯(lián)后使用。

1.2.2 電路參數(shù)的設計 綜合考慮器件的耐壓與耐流水平，本研究將8塊光伏組件4串2并后使用。考慮到普適性，本研究選用48 V的鉛酸蓄電池作為儲能介質(zhì)，其正常工作電壓范圍約為42～56 V，這個電壓顯然低于串聯(lián)后光伏組件的工作電壓，因此選用Buck電路對蓄電池進行充電。

另一方面，溫室負荷需要380 V的交流電進行供電，顯然使用蓄電池進行逆變無法直接獲得此電壓，因此在逆變之后需要額外使用變壓器升壓。設變壓器的低壓側線電壓，即逆變器的輸出線電壓為Vinv，蓄電池的電壓為Vbat，根據(jù)逆變器的工作原理，直流側電壓必須高于交流側線電壓的幅值，即：

2 光伏發(fā)電相關研究

2.1 光伏電池的原理

光伏電池的發(fā)電原理是半導體P-N結半導體的光生伏特效應，其特性受到光照度、表面溫度以及自身參數(shù)的影響，表現(xiàn)出非常強的非線性。在工程中，通常使用光伏電池的工程數(shù)學模型對其進行建模[5]，這種? 利用光伏電池的工程數(shù)學模型，可以得到JKM250P型太陽能光伏組件在不同溫度、不同光照度下的輸出特性。由圖3、圖4可知，光伏電池最重要的輸出特性在于其在某一特定工作條件下有且只有1個最大功率點，這就要對光伏電池進行MPPT理論分析。

2.2 基于Buck電路的MPPT技術

根據(jù)光伏電池具有唯一最大功率點的特點，為了在最大程度上提高太陽能的利用效率，需要使用MPPT技術來控制光伏電池工作在最大功率點上。在本設計中，光伏電池經(jīng)過Buck電路實現(xiàn)MPPT并向蓄電池進行充電，Buck電路的拓撲結構如圖5所示。

假設Buck電路工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)下，占空比為D，同時電路中的器件均理想，有如式（5）所示Buck電路的輸入、輸出電壓關系：

2.3 擾動觀察算法（perturbation and observation control，簡稱P&O）的原理

MPPT算法的作用在于能夠得到使光伏電池工作在最大功率點的占空比。常用的MPPT算法包括固定電壓法、電導增量法、擾動觀察法等傳統(tǒng)算法，以及模糊控制、自適應算法、神經(jīng)網(wǎng)絡等智能算法。在本研究的仿真中，采用擾動觀察算法。

擾動觀察算法通過對光伏電池的輸出電壓進行周期性擾動，實時比較擾動前后光伏電池輸出功率的大小，從而確定下一時刻電壓調(diào)節(jié)的方向。當光伏電池的輸出電壓增大時，若ΔP>0，應當繼續(xù)增大電壓;若ΔP<0，應當改變電壓調(diào)整方向。當光伏電池的輸出電壓減小時，若ΔP>0，應當繼續(xù)減小電壓;若ΔP<0，應當改變電壓調(diào)整方向。擾動觀察算法可以用圖6所示的流程來表示。

3 獨立逆變器控制方法

目前逆變器的控制方法主要包括恒功率控制（PQ control）、恒壓/恒頻控制（V/f control）和下垂控制（droop control）[6]，獨立型光伏儲能供電系統(tǒng)需要在無市電的情況下向負荷提供電壓，因此需要采用V/f控制。

當采用V/f控制時，逆變器相當于一個受控的電壓源，所有負荷需求都需要由它滿足。V/f控制策略采用輸出電壓/電流瞬時雙閉環(huán)控制，如圖7所示。內(nèi)環(huán)是電感電流瞬時調(diào)節(jié)環(huán)，構成電流隨動系統(tǒng)，能夠加快抗擾的動態(tài)過程，用以提高系統(tǒng)的動態(tài)性能;外環(huán)是瞬時電壓控制環(huán)，用于改善系統(tǒng)輸出電壓的波形，使其具有較高的輸出精度。

V/f控制的電壓電流雙閉環(huán)控制策略框如圖8所示。電流環(huán)采用比例調(diào)節(jié)，增加逆變器的阻尼系數(shù)，使整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定;電壓環(huán)采用比例積分調(diào)節(jié)，使得輸出電壓波形瞬時跟蹤給定值。引入電流、電壓狀態(tài)反饋量來實現(xiàn)d、q軸間的解耦控制;同時引入負載電壓、電流前饋補償，在負載變化時對電

壓進行補償。

4 系統(tǒng)仿真驗證

根據(jù)上文介紹的原理，在Simulink中搭建獨立型光伏儲能供電系統(tǒng)的仿真模型，如圖9所示。

假設負載為2 kW，其余仿真參數(shù)見表2。假設初始時刻的光照度為1 000 W/m2，在0.1 s時光照度突變?yōu)?500 W/m2，運行仿真后，光伏陣列的輸出功率、負載側的三相電壓、A相電壓快速傅里葉變化（FFT）分析的結果分別如圖10、圖11、圖12所示。

5 結論

由圖10可以看出，在仿真開始運行后，在擾動觀察法的作用下，光伏陣列的輸出功率能夠在0.01 s內(nèi)跟蹤到最大功率點，此后保持穩(wěn)定輸出;當光照度突變時，光伏陣列的輸出功率能夠在0.02 s內(nèi)跟蹤到新的最大功率點，從而驗證了MPPT的有效性。由圖11可以看出，負載側的三相電壓能夠保持平衡，并且畸變情況良好，根據(jù)圖12所示的FFT分析結果，逆變器輸出電壓的基波幅值為319.7 V，即有效值約為226 V，符合供電電壓要求;電壓諧波總畸變率為0.6%，低于國標要求范圍，能夠保證溫室用電設備的正常工作。仿真結果驗證了所設計系統(tǒng)的可行性。

參考文獻：

[1]張 瑩，侯鵬飛. 獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT功能的設計與仿真[J]. 電力學報，2015，30（1）：45-48.

[2]范哲超，陸 明. 基于國產(chǎn)PLC的光伏供電溫室控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2017，45（15）：223-227.

[3]余 情，楊金明. 光伏發(fā)電技術在溫室中的應用[J]. 新能源進展，2015，3（4）：251-255.

[4]鄔明亮，戴朝華，鄧惠文，等. 基于單體光伏/單體儲能電池模組的新型光伏儲能發(fā)電系統(tǒng)[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制，2017，45（3）：56-61.

[5]傅 望，周 林，郭 珂，等. 光伏電池工程用數(shù)學模型研究[J]. 電工技術學報，2011，26（10）：211-216.

[6]溫 鎮(zhèn)，唐 昕，許金明，等. 不同控制策略影響下光伏發(fā)電電能質(zhì)量特性研究[J]. 水電能源科學，2015（11）：202-206.