基于智能建筑微電網(wǎng)的分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)研究

陳創(chuàng)業(yè)，雷乘龍

（1.甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學院-智能與信息學院，甘肅 武威 733006；

2.國網(wǎng)甘肅省電力公司天水供電公司，甘肅 天水 741000）

0 引言

圖1 傳統(tǒng)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

智能建筑微電網(wǎng)系統(tǒng)的提出，主要是為了解決能源短缺問題與電網(wǎng)可靠性問題，智能建筑微電網(wǎng)技術(shù)研究的是由分布式微型電源與智能建筑負荷共同構(gòu)成的微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行與控制，分布式微型電源滿足智能建筑負荷對電能質(zhì)量、供電可靠性的要求[1]。與其他分布式電源相比，光伏發(fā)電系統(tǒng)具有資源成本低、供電可靠性高、環(huán)境友好等諸多優(yōu)點[2]。對于電力系統(tǒng)而言，與傳統(tǒng)供電系統(tǒng)相比，智能建筑微電網(wǎng)系統(tǒng)的線路負荷與線路損耗減少，有利于提高公共電網(wǎng)運行可靠性，對于智能建筑而言，與傳統(tǒng)供電系統(tǒng)相比，智能建筑微電網(wǎng)系統(tǒng)將太陽能作為電能來源，有利于提高用戶用電經(jīng)濟性[3]。本文主要是以基于智能建筑微電網(wǎng)的分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)為研究對象，對智能建筑微電網(wǎng)系統(tǒng)所需要的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)進行分析與研究，通過理論分析與軟件仿真證明基于智能建筑微電網(wǎng)的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢。

1 基于智能建筑微電網(wǎng)的分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)功能需求分析

圖2 改進分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

2 基于智能建筑微電網(wǎng)的分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)控制流程分析

圖1所示為傳統(tǒng)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，對于智能建筑而言，采用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)進行供電，需要解決的主要問題就是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)電能的生產(chǎn)與消耗，在圖1中，當分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能無法滿足就地負荷的電能需求時，就需要由儲能裝置/公共電網(wǎng)為就地負荷供電，當分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能可以滿足就地負荷的電能需求時，剩余的電能可以儲存在儲能裝置中，作為備用電源。為了提高分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的能源利用率，也為了提高分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部的功率平衡效率，對傳統(tǒng)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行改進，如圖2所示，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)由分布式儲能裝置、分布式光伏電源和就地負荷組合而成，采用這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是降低運行成本、提高電能質(zhì)量、提高分布式系統(tǒng)利用率等。

分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)的流程分析，首先對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中的光伏電源、儲能裝置、就地負荷進行編號，（光伏電源1…光伏電源n、儲能裝置1…儲能裝置n、就地負荷1…就地負荷n），就地負荷1-n并不表示單一的用電負荷，而是該光伏電源供電范圍內(nèi)的用電負荷總和；編號完成后對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中的各分布式光伏電源、儲能裝置和就地負荷的功率分布情況進行初始化，初始化信息包括從1-n的n個分布式單元，各個單元內(nèi)的光伏電源的輸出功率PGi(i=1…n)、儲能裝置的輸出功率PSi(i=1…n)和就地負荷的用電功率PLi(i=1…n)。從編號1的分布式單元開始遍歷，首先判斷儲能裝置的狀態(tài)，PSi＞0則儲能裝置輸出電能，PSi＜0則儲能裝置儲存電能，PSi=0則儲能裝置不工作；其次判斷PGi+PSi與PLi的數(shù)值大小，判斷光伏電源和儲能裝置是否能夠滿足用電負荷需求。

3 基于智能建筑微電網(wǎng)的分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)的設(shè)計

圖3所示為分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)的設(shè)計示意，以兩個分布式單元為例進行說明，分布式單元1包含有光伏電源1、儲能裝置1和就地負荷1，分布式單元2包含有光伏電源2、儲能裝置2和就地負荷2。在不同的條件下，光伏電源1可以分別向就地負荷1、儲能裝置1和就地負荷2供電；儲能裝置1可以分別向就地負荷1、就地負荷2供電；同樣地，光伏電源2可以分別向就地負荷2、儲能裝置2、就地負荷1供電；儲能裝置2可以向就地負荷2、就地負荷1供電。

圖3 分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)的設(shè)計示意

這里涉及到優(yōu)先級別的問題，對于光伏電源而言，用電設(shè)備的優(yōu)先級別應(yīng)當是本單元內(nèi)的就地負荷、其他單元內(nèi)的就地負荷、儲能裝置，對于儲能裝置而言，用電設(shè)備的優(yōu)先級別應(yīng)當是本單元內(nèi)的就地負荷、其他單元內(nèi)的就地負荷。按照第2節(jié)的控制流程分別對分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)中的各個模塊進行設(shè)計[4]。

光伏電源的輸出特性受到光照強度、環(huán)境溫度等因素的影響，對光伏電源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行等效模擬后，可以將光伏電源等效為由直流電流源、二極管和電阻構(gòu)成的數(shù)學模型，光伏電源輸出的電流分成兩部分，一部分電流流經(jīng)二極管以激勵二極管導(dǎo)通，一部分電流流徑負載電阻并產(chǎn)生電壓降。

光伏電源的數(shù)學模型可以表示為

其中，IL為光伏電源的總電流，U為負荷端電壓，RL為負荷電阻，Ibk為流徑二極管的電流。

儲能裝置通常為蓄電池，蓄電池的充放電過程較為復(fù)雜，通過簡化可以將蓄電池等效為由電動勢、電阻、電容等構(gòu)成的數(shù)學模型，儲能裝置的數(shù)學模型分為兩個支路，支路一包括電動勢、阻容并聯(lián)RC、過充電電阻和內(nèi)阻，是儲能裝置的主反應(yīng)支路；支路二由二極管構(gòu)成，是儲能裝置的寄生反應(yīng)支路，考慮的是儲能裝置在充電過程中的附加反應(yīng)。

儲能裝置的數(shù)學模型可以表示為

其中，E為電動勢，I為負荷電流，R0為儲能裝置內(nèi)阻，I1為阻容并聯(lián)RC里流過電阻的電流，R1為阻容并聯(lián)RC里的電阻，IE為負荷電流經(jīng)二極管分流后的電流，R2為過充電阻。

就地負荷分為恒功率負荷、恒電流負荷與恒阻抗負荷，恒功率負荷的負荷功率恒定，恒電流負荷的負荷電流恒定，恒阻抗負荷的負荷阻抗恒定。

在對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的各個模塊進行理論分析后，利用matlab建立系統(tǒng)模型并進行仿真分析，分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)的主要控制算法如下，

if PS1＞0//檢驗分布式單元1儲能裝置的狀態(tài)，充電/放電/既不充電也不放電

while(1)

if PG1+PS1-PL1==0 //如果分布式單元1輸出電能恰好等于用電負荷所需電能

out1=0 //out1=0表示分布式單元1功率平衡

break

elseif PG1+PS1-PL1＞0 //如果分布式單元1系統(tǒng)輸出電能大于用電負荷所需電能

out1=1 //out1=0表示分布式單元1在向分布式單元2提供電能

break

else out1=2 //如果分布式單元1系統(tǒng)輸出電能小于用電負荷所需電能，out1=2表示分布式單元2在向分布式單元1提供電能 break

end

end

PS1=0、PS1＜0以及分布式單元2的電能供應(yīng)情況與此類似，由于本次測試以兩個發(fā)電單元為例進行說明，因此可能存在分布式單元1功率平衡、分布式單元2供電不足的情況，此時算法輸出結(jié)果為out1=0，out2=1，即分布式單元2在接受分布式單元1提供的電能，這種輸出結(jié)果在此條件下并不符合邏輯，這種情況下的分布式單元2可能是在接受分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中其他分布式單元提供的電能，也可能是在接受公共電網(wǎng)提供的電能[5]。

分別設(shè)定五種情況，表1所示為不同情況下進行測試的結(jié)果，從表中可以看出，控制系統(tǒng)可以根據(jù)輸出結(jié)果判斷此時各個分布式光伏發(fā)電單元的功率平衡狀況。

表1 不同情況下的測試結(jié)果

4 結(jié)語

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)向著小型化與智能化的方向發(fā)展，它綠色環(huán)保、能源充足、供電可靠性高等優(yōu)點也非常適合應(yīng)用于智能建筑。采用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)進行供電，需要解決的主要問題就是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)電能的生產(chǎn)與消耗，分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)需要保證分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行與功率平衡，本文對該問題進行了理論分析與仿真測試，證明了設(shè)計結(jié)果的有效性與實用性。