直流分布式電源的并網(wǎng)建模與仿真

劉美峰 楊旭

摘 要：為了研究直流分布式電源并網(wǎng)時(shí)的動(dòng)態(tài)性能，文章建立了由太陽(yáng)能電池和燃料電池混合組成的直流分布式發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，該模型包含太陽(yáng)能電池（PV）、最大功率跟蹤器（MPPT）、燃料電池（FC）、電壓控制系統(tǒng)、蓄電池、DC/DC變換器以及DC/AC逆變器等部分，并根據(jù)混合系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型在MATLAB軟件中進(jìn)行仿真，分析混合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效地與大電網(wǎng)并網(wǎng)，具有良好的穩(wěn)態(tài)特性，能夠滿足實(shí)際需求。

關(guān)鍵詞：直流分布式電源;太陽(yáng)能電池;燃料電池;混合發(fā)電系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2020）09-0001-03

近年來(lái)，環(huán)境污染和能源危機(jī)問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，尋求新的環(huán)保、清潔能源成為世界各國(guó)的共識(shí)[1]。太陽(yáng)能和燃料電池以其安全、經(jīng)濟(jì)和清潔等特點(diǎn)引起了人們的極大興趣。但太陽(yáng)能電池的運(yùn)行受環(huán)境和氣象條件的影響較大，而燃料電池不受這些因素的影響，且這兩種電池都屬于直流分布式電源?？梢钥紤]將燃料電池作為太陽(yáng)能電池的補(bǔ)充系統(tǒng)，用來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)的輸出電壓的質(zhì)量。所以，將這兩種電源相結(jié)合構(gòu)建混合發(fā)電系統(tǒng)是新能源研究的熱點(diǎn)方向之一[2]。目前，對(duì)混合發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)建模和控制等方面的研究相對(duì)較少。

文章以太陽(yáng)能電池和燃料電池混合構(gòu)成的直流分布式發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出了一個(gè)包含太陽(yáng)能電池、最大功率跟蹤器、燃料電池、電壓控制系統(tǒng)、蓄電池、DC/DC轉(zhuǎn)換器以及DC/AC逆變器的直流分布式電源并網(wǎng)模型。這種模型可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池的最大功率跟蹤，控制燃料電池的輸出電壓。同時(shí)，輸出電壓能夠跟蹤電網(wǎng)電壓的幅值、相位以及頻率，可以通過(guò)大電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)靈活地接入和切出配電網(wǎng)。作為一個(gè)整體，不會(huì)對(duì)大電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響，無(wú)需對(duì)大電網(wǎng)進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)即插即用[3]。將所建模型在matlab/simulink中進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果表明該模型可以有效地運(yùn)行，能夠滿足并網(wǎng)時(shí)對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的要求。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 混合發(fā)電系統(tǒng)介紹

太陽(yáng)能電池-燃料電池直流分布式混合發(fā)電系統(tǒng)包含太陽(yáng)能電池（PV）、最大功率跟蹤器（MPPT）、燃料電池（FC）、電壓控制系統(tǒng)、蓄電池、DC/DC變換器以及DC/AC逆變器等。微電網(wǎng)的運(yùn)行有兩種情況：獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行，文章只考慮并網(wǎng)運(yùn)行這種情況。該混合發(fā)電系統(tǒng)有以下幾種運(yùn)行方式：第一，大電網(wǎng)供給的功率能夠滿足負(fù)荷所需，太陽(yáng)能電池所發(fā)的電全部向蓄電池充電;第二，大電網(wǎng)供給的功率不能滿足負(fù)荷所需，太陽(yáng)能電池所發(fā)的電一部分向大電網(wǎng)供電，另一部分向蓄電池充電;第三，大電網(wǎng)和太陽(yáng)能電池所發(fā)的電都不能滿足負(fù)荷的需求，燃料電池開(kāi)始工作。圖1為太陽(yáng)能電池-燃料電池直流分布式混合發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

1.2 太陽(yáng)能電池的數(shù)學(xué)模型

太陽(yáng)能電池是利用光電效應(yīng)或光化學(xué)效應(yīng)把光能直接轉(zhuǎn)化為電能的光電半導(dǎo)體裝置。其輸出特性方程式為[4]。

其中，Isc—光生電流;I0—反向飽和電流;q—電子電量，取值1.6×10-19C;A—二極管理想因子，取值1;k—波爾茲曼系數(shù)，取值1.38×10-23J/K;T—電池表面溫度;V—輸出電壓;I—輸出電流;Rs—串聯(lián)等效電阻。

根據(jù)（1）式太陽(yáng)能電池的數(shù)學(xué)模型，在Matlab中使用Simulink工具建立仿真模型，得到電池的P-V曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，太陽(yáng)能電池的輸出功率隨光照強(qiáng)度的增加而增大，且在某個(gè)輸出電壓值達(dá)到最大輸出功率。

1.3 最大功率跟蹤器的數(shù)學(xué)模型

為了使光伏電池輸出功率實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，在混合系統(tǒng)中要有最大功率跟蹤器。目前，擾動(dòng)觀察法是實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤的常用方法之一，其控制原理如圖3所示。先周期性地給前一時(shí)刻光伏陣列輸出電壓Un-1加一擾動(dòng)值±△U，來(lái)改變當(dāng)前時(shí)刻太陽(yáng)能電池的輸出功率[5]。

系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)當(dāng)前陣列輸出電壓和電流來(lái)獲取當(dāng)前功率值。如果在某一時(shí)刻測(cè)得的功率值比前一時(shí)刻測(cè)得的功率值大，則表明給予的擾動(dòng)方向正確，將輸出電壓繼續(xù)朝同一方向改變;反之，則需要將輸出電壓朝相反方向擾動(dòng)。如此反復(fù)的擾動(dòng)、觀察及比較，使陣列工作在最大功率點(diǎn)附近，擾動(dòng)觀察法流程圖如圖4所示。

1.4 燃料電池的數(shù)學(xué)模型及電壓控制模型

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）具有無(wú)污染、無(wú)腐蝕、工作溫度低等優(yōu)點(diǎn)，適用于可移動(dòng)動(dòng)力源、電動(dòng)車(chē)以及分散電站，是一種極具吸引力的新能源[6]。文章應(yīng)用質(zhì)子燃料電池作為混合系統(tǒng)的一部分。

質(zhì)子交換膜燃料電池單體輸出電壓Vcell的表達(dá)式為：

式中：E為化學(xué)熱動(dòng)力學(xué)理論電動(dòng)勢(shì)，為活化過(guò)電壓，為歐姆電壓降，為濃差極化過(guò)電壓。

Vcell受工作溫度和氫氣壓力的影響，需要對(duì)輸出電壓進(jìn)行控制。目前，廣泛使用的是模糊—PID控制法，此種控制方法能明顯改善燃料電池的動(dòng)態(tài)特性，使系統(tǒng)輸出更加穩(wěn)定的電壓。

1.5 蓄電池的數(shù)學(xué)模型

蓄電池在太陽(yáng)能電池和燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)中起著重要的作用，作為儲(chǔ)能設(shè)備，蓄電池能夠消除負(fù)荷擾動(dòng)對(duì)大電網(wǎng)的不利影響。文章只考慮蓄電池充放電的過(guò)程，不考慮其控制和管理[7]。其數(shù)學(xué)模型為：

放電狀態(tài)：

充電狀態(tài)：

（4）

式中：E為開(kāi)路電壓;E0為恒定電壓;V為端電壓;Q為電池容量;Q1為充電量（或放電量）;K為極化常數(shù);I*為低通濾波后的電流;I為蓄電池電流;A為指數(shù)電壓系數(shù);B為指數(shù)容量系數(shù);R為電池內(nèi)阻。

1.6 DC/DC轉(zhuǎn)換器

文章采用的是一種隔離型雙向軟開(kāi)關(guān)DC/DC變換器[8]，這種變換器所有的開(kāi)關(guān)元件和二極管都能夠?qū)崿F(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，可以降低開(kāi)關(guān)損耗和電壓、電流應(yīng)力以及電磁噪聲。其電路圖如圖5所示。

1.7 逆變器模型

逆變器使用Matlab/Simulink里Universal Bridge模塊中的IGBT inverter模型。同時(shí)，搭建PWM generator模塊，如圖6所示。

2 微網(wǎng)仿真模型

利用MATLAB/Simulink仿真工具依照前面介紹的數(shù)學(xué)模型分別建立光伏電池、MPPT控制器、燃料電池、電壓控制器、蓄電池、DC/DC轉(zhuǎn)換器、逆變器等仿真模型。電網(wǎng)使用three-phase source模型。按照相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)上述模型進(jìn)行組合，構(gòu)建太陽(yáng)能電池-燃料電池直流分布式混合發(fā)電系統(tǒng)，便可以對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析。

3 仿真結(jié)果

考慮微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的兩種運(yùn)行狀態(tài)：其一是電網(wǎng)提供的功率能夠滿足負(fù)荷的需求，微網(wǎng)向蓄電池輸送電能;其二是電網(wǎng)提供的功率不能夠滿足負(fù)荷的需求，微網(wǎng)向電網(wǎng)供電。分別對(duì)兩種情況進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖7所示。

由仿真圖可以看出，電網(wǎng)為兩種運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電壓與電流的相位和頻率均基本一致，功率因數(shù)基本為1;當(dāng)電網(wǎng)為第二種運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電壓的幅值沒(méi)有改變，電流增大。分析表明，該混合發(fā)電系統(tǒng)能夠滿足負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

文章根據(jù)太陽(yáng)能電池、燃料電池和蓄電池的特點(diǎn)，分別建立了其數(shù)學(xué)模型和控制算法，并按照微電網(wǎng)的特點(diǎn)構(gòu)建了直流分布式混合發(fā)電系統(tǒng)。分別對(duì)微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的兩種工況進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果證明該模型是可行和有效的，為微網(wǎng)平臺(tái)的建立提供了參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 李昕蕾.全球清潔能源治理的跨國(guó)主義范式——多元網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的特點(diǎn)、動(dòng)因及挑戰(zhàn)[J].國(guó)際觀察，2017（06）：137-154.

[2] 劉暢，陳啟卷，陳桂月，等.光伏-燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2018（11）：3113-3119.

[3] 崔冬曉.基于云智能控制器燃料電池/光伏最大功率跟蹤策略研究[D].吉林：東北電力大學(xué)，2018.

[4] 濱川圭弘.太陽(yáng)能光伏電池及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[5] 魏巍.光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率點(diǎn)跟蹤方法的研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2010.

[6] 肖剛.燃料電池技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[7] Tremblay O，Dessaint L -A，Dekkiche A -I. A generic battery model for the dynamic simulation of hybrid electric vehicles[C].Vehicle Power and Propulsion Conference，2007：284-289.

[8] 劉勝永，唐安瓊.一種新穎的軟開(kāi)關(guān)雙向DC/DC變換器分析與設(shè)設(shè)計(jì)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2012（03）：28-31.