儲能型光伏系統(tǒng)功率控制仿真分析

羅隆福， 黎 濤， 鄧建國， 陸格文

(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院， 長沙 410082)

儲能型光伏系統(tǒng)功率控制仿真分析

羅隆福， 黎 濤， 鄧建國， 陸格文

(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院， 長沙 410082)

光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率易受外部環(huán)境的影響，存在諸多不確定因素。該文采用蓄電池儲能單元作為光伏并網(wǎng)的能量緩沖裝置，以控制并網(wǎng)的功率輸出。文中建立了基于等效電路的電池儲能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)整體動態(tài)數(shù)學(xué)模型，設(shè)計相應(yīng)的控制策略，對系統(tǒng)的輸出功率進行控制，并以隨機光照強度的擾動為例，對系統(tǒng)輸出的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性進行仿真研究。結(jié)果表明，該并網(wǎng)系統(tǒng)靈活性強，能很好實現(xiàn)系統(tǒng)功率可控穩(wěn)定輸出。

光伏發(fā)電； 電池儲能系統(tǒng)； 功率控制； 并網(wǎng)； 動態(tài)模型

隨著新能源的日益普及，太陽能發(fā)電在電力系統(tǒng)中所占的比重將越來越大。而太陽能是一種間歇性能源，受氣候和環(huán)境的影響嚴重，輸出功率具有不穩(wěn)定性和不可預(yù)測性。大規(guī)模光伏并網(wǎng)裝置的投入，對電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量、穩(wěn)定性和安全運行都將造成無法忽略的影響。因此，光伏系統(tǒng)需要配置一定容量的儲能裝置，以確保其供電的持續(xù)性和可靠性。

目前正在研究的儲能技術(shù)有超導(dǎo)儲能技術(shù)、超級電容器儲能技術(shù)、飛輪儲能技術(shù)等，文獻[1，2]中介紹了超導(dǎo)儲能技術(shù)和飛輪儲能技術(shù)在風(fēng)電場中的運用，并建立數(shù)學(xué)模型和仿真運算，文獻[3，4]分析了蓄電池和超級電容混合儲能系統(tǒng)在獨立光伏系統(tǒng)中的運用，文獻[5]對光伏和蓄電池混合系統(tǒng)的幾種運行方式進行經(jīng)濟效益分析。綜合各項技術(shù)特征，蓄電池儲能在光伏并網(wǎng)中的運用，至今仍然是最經(jīng)濟有效的方式之一。

本文采用光伏發(fā)電(PV)系統(tǒng)與蓄電池儲能系統(tǒng)(BESS)聯(lián)合應(yīng)用的方案，實現(xiàn)裝置功率可調(diào)輸出，保證系統(tǒng)的發(fā)電可靠性與穩(wěn)定性，發(fā)揮光伏系統(tǒng)在電網(wǎng)削峰填谷中的作用；并適時充當(dāng)UPS電源，保障用戶側(cè)在電網(wǎng)斷電情況下的基本需求；提高電力設(shè)備利用率，獲取更大的經(jīng)濟價值。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1所示為本設(shè)計中PV-BESS混合系統(tǒng)電路布置圖及其控制方案。該系統(tǒng)主要包括一套PV系統(tǒng)、一個Boost升壓斬波器、一個蓄電池組和一個雙向交/直流轉(zhuǎn)換器。根據(jù)湖南省用電特性曲線分析，按每天的負荷特性可分為白天電網(wǎng)峰值階段、白天電網(wǎng)谷值階段、夜間電網(wǎng)峰值階段、夜間電網(wǎng)谷值階段四個時間段。因此可設(shè)置本系統(tǒng)的運行方案如下：

a)白天電網(wǎng)用電高峰時，PV-BESS可調(diào)負荷恒功率輸出。

b)白天電網(wǎng)用電低峰時，PV系統(tǒng)可以給蓄電池充電。

c)BESS在午夜電網(wǎng)用電高峰時可調(diào)負荷恒功率輸出。

d)BESS在午夜電網(wǎng)用電低峰時充電。

e)PV-BESS可作為UPS給重要負載充當(dāng)備用電源。

PV-BESS的具體運行條件和功能如表1所示。

圖1 PV-BESS拓撲圖及其控制方案

時刻光照條件系統(tǒng)功能白天電網(wǎng)峰值階段輻射充分PV?BESS混合供電輻射不充分PV?BESS混合供電無有效輻射BESS單獨供電白天電網(wǎng)谷值階段輻射充分PV向蓄電池充電輻射不充分PV?BESS停止工作無有效輻射PV?BESS停止工作夜間電網(wǎng)峰值階段無BESS單獨供電夜間電網(wǎng)谷值階段無電網(wǎng)向蓄電池充電

與傳統(tǒng)的蓄電池儲能光伏系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)增加了蓄電池容量，從而滿足PV-BESS混合系統(tǒng)恒功率輸出的要求，消除環(huán)境因素對電網(wǎng)所產(chǎn)生的波動，并極大地提高了雙向交/直流轉(zhuǎn)換器的利用率，同時在電網(wǎng)故障情況下滿足了居民的基本生活用電。

2 控制原理分析

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)原理分析

光伏發(fā)電系統(tǒng)包括太陽能電池和DC/DC電路兩部分，傳統(tǒng)的太陽能電池模型如圖2所示[6]。

圖2 太陽能電池等效電路模型

它包括等效電流源Iph(電池所產(chǎn)生的光生電流)，光伏電池內(nèi)部等效串聯(lián)電阻Rs和一個二極管，其輸出電流-電壓方程如下：

Is=Iph-ID=

(1)

其中：ID為太陽能電池在無光照時的飽和電流(A)；ISC為短路電流(A)；Ir為光照強度(%)；I0為PN結(jié)的反向飽和電流(A)；VS為太陽能電池的輸出電壓(V)；e為電子電荷(1.6×10-19C)；k為波爾茲曼常數(shù)(0.86×10-4eV/K)；T為熱力學(xué)溫度(K)；m為PN結(jié)的曲線常數(shù)。

光伏電池板是太陽能電池使用的基本單元，它通常是由多塊單體電池片經(jīng)過串、并聯(lián)連接構(gòu)成，其輸出電壓一般為十幾至幾十伏左右。本文建立的光伏電池板的模型由兩個支路并聯(lián)，每條支路由36塊單體電池串聯(lián)構(gòu)成，取PN結(jié)的曲線常數(shù)為2。其I-U特性和P-U特性如圖3所示，由圖可知，在一定的溫度和輻射強度下，光伏電池具有唯一的最大功率輸出點，但在實際運行中，無法保證光伏電池總是工作在最大功率點上。因此，在光伏電池和蓄電池組之間加入Boost升壓電路，根據(jù)上述光伏電池特性，改變VS的值就可以控制光伏陣列的輸出功率。由于Boost變換器的另一側(cè)為蓄電池組，輸出電壓Ud被箝位于蓄電池組兩端的電壓，根據(jù)其輸入輸出的電壓關(guān)系Ud=E/(1-D)可知：改變占空比D就可以改變光伏陣列的工作點，并導(dǎo)致輸出功率的變化。如圖3，在25℃、輻射強度為1 kW/m2條件下，光伏電池板工作在Vs=17V，Is=3 A時，有最大輸出功率51 W。

圖3 光伏電池板在不同輻射下的I-V和P-V特性

2.2 電池儲能系統(tǒng)原理分析

BESS主要由蓄電池組、逆變器、控制裝置等組成。蓄電池作為本套系統(tǒng)的主要儲能設(shè)備，它的荷電狀態(tài)SOC(state of charge)以及對蓄電池的端電壓的預(yù)測是整套系統(tǒng)發(fā)電規(guī)劃的運行平衡的重要環(huán)節(jié)。本文采用圖4所示電池組等效電路[7]。圖中：電容Cb兩端電壓表示電池的電動勢，電阻Rb與Cb并聯(lián)用以描述電池自放電；電阻Rovc、Rovd與電容Cov組成的電路網(wǎng)絡(luò)用以描述電池的超電勢；電阻Rbc、Rbd為電池內(nèi)阻。充電過程中，電流通過電阻Rovc、Rbc，放電時，電流通過電阻Rovd、Rbd，理想二極管起到不同狀態(tài)下選擇電路理想電阻值的作用。

圖4 電池組等效模型

根據(jù)基爾霍夫電壓電流定律，以蓄電池放電狀態(tài)為例，由圖4所示等效模型可知：

(2)

(3)

(4)

PV系統(tǒng)給蓄電池充電和電網(wǎng)給蓄電池充電的方法及控制方案在文獻[8～10]等中均有提及，本文重點對PV-BESS并網(wǎng)供電方案進行研究。

(5)

式中Vgm和δ表示電網(wǎng)電壓幅值和相位，Igm和δ1表示PV-BESS輸出電流幅值和相位。由于本系統(tǒng)能夠排除環(huán)境因素對系統(tǒng)產(chǎn)生的波動影響，滿足額定狀態(tài)恒功率輸出，設(shè)取光照充分時PV輸出功率為參考額定輸出功率值PN，因此可得給定值Igm=2PN/Vgm。網(wǎng)側(cè)采用LCL濾波電路，適當(dāng)設(shè)置阻尼電阻[12]，有效消除PWM逆變電路產(chǎn)生的特性諧波。由于電流閉環(huán)是一階系統(tǒng)，具有較高的穩(wěn)定性，而且在電流反饋作用下，能提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

圖5 PV-BESS控制結(jié)構(gòu)圖

3 算例仿真與分析

3.1 系統(tǒng)簡化圖和參數(shù)設(shè)置

本算例中仿真一臺能夠恒定輸出功率為2KW的小型PV-BESS單相并網(wǎng)模型，如圖6所示。

光伏陣列由40塊上述光伏電池板串并聯(lián)組成。假設(shè)系統(tǒng)的額定工作狀態(tài)為光照強度1 kW/m2、環(huán)境溫度25℃，在此狀態(tài)下，光伏陣列的工作電壓為DC170V，工作電流為DC12A，輸出功率為DC2040 W。蓄電池容量計算按照最壞情況分析，即連續(xù)陰雨天氣，太陽能電池不工作，而PV-BESS系統(tǒng)需要在用電高峰時期滿負荷運行(計8 h)。按照蓄電池容量計算公式：

(6)

可算出容量C=30 kWh。蓄電池組電壓為DC425 V。其中，日用電量：Q=16 kWh，支持天數(shù)D=1，溫度修正系數(shù)K=1.2，逆變器效率η1=0.92，蓄電池充放電效率η2=0.85，放電深度S=0.8。可得電池儲能系統(tǒng)參數(shù)為[13]：Cb=70.6F，RS=10 kΩ，Rvod=0.001 Ω，Cov=1 F，Rbd=0.013 Ω。

圖6 PV-BESS并網(wǎng)簡化圖

3.2PV-BESS恒功率出力

考慮到光伏系統(tǒng)穩(wěn)定性主要受到光照強度的影響，仿真過程中用光照強度的突變來研究系統(tǒng)的動態(tài)性能。隨機產(chǎn)生用于仿真的光強信號如圖7所示，光伏電池的環(huán)境溫度選取為T=25℃。圖8所示為PV-BESS在光強變化下的動態(tài)響應(yīng)情況，由圖可知，BESS具有快速的功率吞吐能力，能夠補償光伏陣列產(chǎn)生的功率輸出波動，保證系統(tǒng)恒功率出力。圖9為PV系統(tǒng)與PV-BESS系統(tǒng)在環(huán)境變化時并網(wǎng)情況對比分析，由圖8、9可知：沒有BESS時，光強的變化導(dǎo)致并網(wǎng)電流輸出隨之波動，而PV-BESS系統(tǒng)則響應(yīng)迅速，使得并網(wǎng)電流輸出穩(wěn)定，提高系統(tǒng)的可靠性。

圖7 用于仿真的光強信號

圖8 PV-BESS動態(tài)響應(yīng)

圖9 PV系統(tǒng)與PV-BESS系統(tǒng)公共連接點電流波形

4 結(jié)語

蓄電池儲能管理系統(tǒng)的應(yīng)用，可以極大地提高光伏等可再生能源發(fā)電的性能和穩(wěn)定性。本文針對光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，設(shè)計了一種輸出功率可控性型混合方案，提出相應(yīng)的控制策略，滿足系統(tǒng)恒功率出力，減小環(huán)境因素對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響。仿真結(jié)果表明，PV-BESS能夠在光照強度大幅變化的情況下反映迅速，始終保持恒定出力，并網(wǎng)電流波動小，降低環(huán)境波動對電網(wǎng)所產(chǎn)生的沖擊。這種混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活，對解決光伏等可再生能源的不穩(wěn)定性具有理論和現(xiàn)實意義。

[1] 阮軍鵬，張建成，汪娟華(Ruan Junpeng,Zhang Jiancheng,Wang Juanhua).飛輪儲能系統(tǒng)改善并網(wǎng)風(fēng)電場穩(wěn)定性的研究(Improvement of stability of wind farms connected to power grid using flywheel energy storage system) [J].電力科學(xué)與工程(Electric Power Science and Engineering),2008, 24(3):5-8.

[2] 陳星鶯，劉孟覺，單淵達(Chen Xingying,Liu Mengjue, Shan Yuanda).超導(dǎo)儲能單元在并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用(Application of supper conducting magnetic energy storage system-SMES in wind power system of network-forming)[J].中國電機工程學(xué)報(Proceedings of the CSEE)，2001，21(12):63-66.

[3] 唐西勝,武鑫,齊智平(Tang Xisheng,Wu Xin, Qi Zhiping).超級電容器蓄電池混合儲能獨立光伏系統(tǒng)研究(Study on a stand-alone PV system with battery/ultracapacitor hybrid energy storage)[J].太陽能學(xué)報,(Acta Energiae Solaris Sinica) 2007, 28(2):178-183.

[4] Glavin M E,Chan Paul K W,Armstrong S,etal.A stand-alone photovoltaic supercapacitor battery hybrid energy storage system[C]// International Power Electronics and Motion Control Conference, Poznan, Poland: 2008.

[5] Su Wei-Fu, Huang Shyh-Jier. Economic analysis for demand-side hybrid photovoltaic and battery energy storage system[J].IEEE Trans on Industry Applications,2001,37(1): 171-177.

[6] Walker G. Evaluating MPPT converter topologies using a Matlab PV model[J]. Journal of Electrical and Electronics Engineering,2001,21(1): 49-55.

[7] Salameh Ziyad M, Casacca Margaret A , Lynch William A.A mathematical model for lead-acid batteries[J]. IEEE Trans on Energy Conversion,1992,7(1): 93-98.

[8] 趙宏偉，任震，黃雯瑩(Zhao Hongwei,Ren Zhen,Huang Wenying). 基于可靠性約束的電力系統(tǒng)蓄電池蓄能容量的優(yōu)化(Realiability constrained optimal capacity of battery storage in power systems)[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(Proceedings of the CSU-EPSA), 1995,7(3):48-52.

[9] 任柱，陳淵睿，張淼(Ren Zhu,Chen Yuanrui, Zhang Miao).獨立光伏系統(tǒng)中蓄電池充電控制策略(Battery charge control strategy in stand-alone photovoltaic system)[J].控制理論與應(yīng)用(Control Theory & Applications), 2008,25(2):361-363.

[10]劉建戈，周建華(Liu Jiange,Zhou Jianhua). 用電側(cè)蓄電池儲能裝置的研究(Study on storage battery device used for consumer) [J].電氣應(yīng)用(Electrotechnical Application), 2008,27(13): 65-68.

[11]程軍照，李澍森，張騰飛(Chen Junzhao,Li Shusen, Zhang Tengfei).多路并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真與分析(Simulations and analysis on a multi- branch grid-connected photovoltaic system)[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(Proceedings of the CSU-EPSA), 2009, 21(4):58-62.

[12]趙仁德，趙強，李芳，等(Zhao Rende,Zhao Qiang,Li Fang,etal). LCL濾波的并網(wǎng)變換器中阻尼電阻影響分析(Impact of damping resistance on grid inverter with LCL-filter) [J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(Proceedings of the CSU-EPSA),2009,21(6): 112-116.

[13]Gareis G E, Carroll D P, Ong C M,etal. The interaction of battery and fuel cells with electrical distribution system: force commutated converter interface [J].IEEE Trans Power Apparatus Systems,1977,96(4):1242-1250．

SimulationAnalysisforConstantPowerControlofPhotovoltaicSystemwithBatteryEnergyStorage

LUO Long-fu， LI Tao， DENG Jian-guo， LU Ge-wen

(College of Electric and Information Engineering， Hunan University,Changsha 410082,China)

The output power of photovoltaic(PV) system is vulnerable to the impact of changes in the external environment and exists many uncertainties.The research on the possibility of employing a battery energy storage method in PV grid-connected power generation system to enhance the performance of its power quality and stability was done. A mathematic model of battery energy storage system(BESS) based on equivalent circuit and a photovoltaic based on global dynamic mathematical model for PV-BESS grid-connected were built,and corresponding conrtol srtategy was developed to control the output power. Based on these models,illumination change random for example, a simulaiton platform of PV-BESS was developed by Simulink of the Matlab to analyze the power quality and stability. Simulation results show that it is flexible and can improve the stability of output power.

photovoltaic； battery energy storage system(PV-BESS)； power control； grid-connected； dynamic model

2010-05-24；

2010-07-09

TM615

A

1003-8930(2011)06-0087-05

羅隆福(1962-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，中國電機工程學(xué)會高級會員，研究方向為現(xiàn)代電器設(shè)備的設(shè)計和優(yōu)化、新型換流變壓器的研制和高壓直流輸電新理論等。Email:llf@hnu.cn 黎 濤(1986-)，男，碩士研究生在讀，研究方向為交直流電能變換技術(shù)與裝備、太陽能發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)。Email:lakestephen@163.com 鄧建國(1956-)，男，教授，研究方向為電機瞬變過程及電機控制系統(tǒng)的仿真。Email:hudadjg@163.com