光儲一體化供電系統(tǒng)仿真分析

高遙，胡石峰，朱瑞金

（1.西藏農(nóng)牧學(xué)院 水利土木工程學(xué)院，西藏林芝，860000；2.西藏農(nóng)牧學(xué)院 電氣工程學(xué)院，西藏林芝，860000）

0 引言

當(dāng)前全球能源需求大幅增加,煤炭、石油等資源枯竭,二氧化碳及PM2.5 排放等環(huán)境污染問題日益突出,以光伏為代表的清潔能源取代化石能源成為第三次世界工業(yè)革命主要標(biāo)志之一[1]。2011 年，各國政府相繼推出光伏補(bǔ)貼政策，推動太陽能大規(guī)模商業(yè)化，同時太陽能發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步推動該產(chǎn)業(yè)成本持續(xù)下降，部分國家地區(qū)已可以實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)，太陽能發(fā)電達(dá)到了迅速上升的重要時期。2017 年，各地區(qū)光伏市場增長迅速，太陽能產(chǎn)業(yè)新增裝機(jī)容量將近100GW，同比增長29%左右，各地區(qū)累計(jì)裝機(jī)容量已經(jīng)超過400GW[2]。2020 年后，全球太陽能裝機(jī)量緩慢增長，到2025 年底有望達(dá)到約700GW。光伏發(fā)電技術(shù)經(jīng)實(shí)踐證明是切實(shí)可行的，近年來國家在大力發(fā)展新能源方面給出了很多支持政策，推動可再生能源的利用，鼓勵光伏產(chǎn)業(yè)的前進(jìn)，光伏行業(yè)發(fā)展前景廣闊。

但是，隨著可再生新能源滲透率的不斷提高，其固有的并網(wǎng)容量小、出力的隨機(jī)性和波動性、地理位置分散等特點(diǎn)對新型電力系統(tǒng)建設(shè)提出了更多的挑戰(zhàn)。儲能系統(tǒng)作為能平抑光伏發(fā)電波動性和隨機(jī)性的有效手段，可以平滑光伏電力輸出，提升光伏電力質(zhì)量[3]。儲能與光伏的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了對能源的存儲以及發(fā)出，光儲技術(shù)在提升了光伏適用性的同時使其更加便于調(diào)節(jié)，有利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的可再生能源并網(wǎng)發(fā)電，對光伏廣泛利用是不可或缺的支撐技術(shù)。因此，分布式光伏儲能技術(shù)的研究有重要意義。

基于以上分析和研究，本文針對光伏發(fā)電系統(tǒng)，提出光儲一體協(xié)調(diào)控制運(yùn)行技術(shù)。運(yùn)用MATLAB 中的Simulink 仿真軟件，首先建立光伏發(fā)電系統(tǒng)模型，包括太陽能電池板模塊和逆變器控制模塊。然后編寫MPPT 程序調(diào)試系統(tǒng)各參數(shù)輸出，使光伏板工作在最大功率狀態(tài)。最后搭建電池控制模塊，編寫電池控制程序，調(diào)節(jié)儲能電池的充放電時間和光伏的輸出時間與功率，通過電池的儲能作用，達(dá)到平抑光伏發(fā)電的隨機(jī)性與波動性、保證供電質(zhì)量的目的。仿真結(jié)果表明，MPPT 算法能使光伏板在電壓穩(wěn)定的前提下工作在最大功率點(diǎn)附近。通過電池儲能和光伏板協(xié)調(diào)控制，可以保證光儲一體化系統(tǒng)24 小時的輸出電壓穩(wěn)定在48V，既可直接對發(fā)電站二次設(shè)備供電，也可經(jīng)逆變后對其他設(shè)備供電或直接并網(wǎng)。

1 光儲一體化供電系統(tǒng)概述

光儲一體化供電系統(tǒng)可以視作為綜合性系統(tǒng)，它由光伏單元和能量儲存單元組成。光儲一體化供電系統(tǒng)不僅可以并網(wǎng)運(yùn)行，也可以離網(wǎng)運(yùn)行，既可以在電網(wǎng)需要供電時提供電能，也可離網(wǎng)時通過儲能單元把能量儲存起來。實(shí)現(xiàn)電力削峰填谷等服務(wù)，有效保證了電能可靠地供應(yīng)，使得整個系統(tǒng)方便、可靠、安全和穩(wěn)定。

■1.1 光伏發(fā)電原理

光伏電池的 I-V 物理特性會隨著外界環(huán)境和溫度發(fā)生改變，光伏電池簡化模型如圖1 所示。由圖1 可以看出，光伏電池模型可以等效成二極管[4]，當(dāng)環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度都不變時，光照所產(chǎn)生的電流Iph也保持不變，所以光伏板可等效成一個電流源。Rsh為等效電阻，其阻值與漏電流成反比，即漏電流越大Rsh越小，漏電流越小Rsh就越大。

圖1 光伏電池簡化模型

光伏電池的I-V 數(shù)學(xué)模型表示為：

其中：Iph為光生電流，I0為二極管反向飽和電流，Rsh為光伏等效并聯(lián)電阻，Rs為光伏等效串聯(lián)電阻，Upv為輸出電壓，Ipv為輸出電流,A為二極管特性因子，K為玻爾茲曼常數(shù)，為1.38×10-23J/K，T為絕對溫度。

■1.2 儲能系統(tǒng)

儲能系統(tǒng)在光伏電站中的作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

（1）確保系統(tǒng)穩(wěn)定性。在光伏電站系統(tǒng)中，光伏輸出功率曲線和負(fù)載曲線有很大的不同，并且都具有不可預(yù)測的波動特性。通過能量存儲系統(tǒng)的能量存儲和緩沖，即使光伏功率快速波動，系統(tǒng)仍能以穩(wěn)定的輸出水平運(yùn)行[5]。

（2）充當(dāng)能量儲備。當(dāng)光伏發(fā)電不能正常運(yùn)行時，儲能系統(tǒng)可以起到后備和過渡的作用[6]。例如，當(dāng)電池陣列無法在夜間或雨天發(fā)電時，能量存儲系統(tǒng)可以作為電源，實(shí)現(xiàn)對負(fù)荷的平穩(wěn)供電。儲能容量取決于負(fù)載需求[7]。

（3）提高電能質(zhì)量和可靠性。光伏發(fā)電系統(tǒng)存在不穩(wěn)定性，其電壓尖峰和電壓降以及負(fù)載側(cè)的其他部件都會引起電網(wǎng)波動，從而影響整個電力系統(tǒng)。加入足夠容量的儲能后可以削減電壓尖峰，填補(bǔ)負(fù)荷低估，從而保證電能的質(zhì)量和可靠性[8]。

■1.3 最大功率點(diǎn)追蹤算法

最大功率點(diǎn)追蹤是常用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)及光伏太陽能系統(tǒng)的技術(shù)，目的是在各種情形下都可以得到最大的功率輸出[9]。主要包括固定電壓法、短路電流法、極限追蹤控制法、擾動觀察法以及現(xiàn)代智能算法等多種算法。光伏板控制器可以依靠多種策略來找到模組的最大功率輸出。所以最大功率點(diǎn)追蹤控制器有多種不同的算法，并且根據(jù)運(yùn)作條件選擇適當(dāng)?shù)乃惴ā?/p>

2 光儲一體化供電系統(tǒng)模型構(gòu)建

光儲一體化供電系統(tǒng)分為發(fā)電、儲能和MPPT 控制算法三部分。其中，發(fā)電部分包括升壓電路設(shè)計(jì)和濾波設(shè)計(jì)等。儲能包括電池模型搭建及其相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)是儲能電池的充放電狀態(tài)判斷。MPPT 算法是光伏發(fā)電的重要技術(shù)，合理的控制算法可以使光伏板時刻工作在最佳狀態(tài)。

■2.1 發(fā)電部分

2.1.1 升壓電路

由于光伏板最大功率電壓為28V,遠(yuǎn)小于電池的充電電壓48V,所以需要設(shè)計(jì)升壓電路對光伏板發(fā)出電能的電壓進(jìn)行抬升。通過控制理想IGBT 來控制電路的通斷,達(dá)到對光伏板電壓升壓的目的。圖2 為升壓電路模塊，其中加入二極管的目的是防止升壓時電流回流,并聯(lián)電阻的目的是增加二極管載流能力。

圖2 升壓電路

2.1.2 濾波電路

由于太陽能光伏板發(fā)出的電中存在諧波，且大量電力電子器件的使用也對線路中引入了諧波，所以電路中采用RC 濾波和RL濾波。以提高電能質(zhì)量，增加電力系統(tǒng)的可靠性，圖3 為濾波電路。

圖3 濾波電路

■2.2 儲能部分

2.2.1 PID 控制

PID 控制分單閉環(huán)和雙閉環(huán)控制,其中PID 單閉環(huán)控制的動態(tài)響應(yīng)較慢、對負(fù)載的擾動抑制有一定的局限性,因此本文選擇PID 雙閉環(huán)控制。雙閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)主要有如下三點(diǎn):

(1)雙環(huán)控制系統(tǒng)可以有效消除濾波電路的諧振峰。

(2)系統(tǒng)采用了電容電壓作為控制系統(tǒng)電壓的其中一個信號反饋余量。對于因負(fù)載電壓擾動造成系統(tǒng)制輸出信號電壓波形的微小波動，可以迅速地對系統(tǒng)進(jìn)行濾波補(bǔ)償,有效地提高了控制系統(tǒng)本身對負(fù)載電流擾動情況的整體適應(yīng)性,極大提高了系統(tǒng)整體的系統(tǒng)動態(tài)性能,減輕了整個系統(tǒng)的對于有效抑制系統(tǒng)負(fù)載電壓擾動能力的負(fù)擔(dān)[10]。

(3)用電流作為反饋輸入,可以使得系統(tǒng)對突加負(fù)載時可能造成的過電流現(xiàn)象進(jìn)行補(bǔ)償,有效地提高了系統(tǒng)對沖擊電流的抵抗能力[11]。

2.2.2 電池控制原理

電池控制系統(tǒng)涉及PID 模塊、PWM 模塊以及SUM 模塊,對預(yù)測電壓、預(yù)測電流和用戶端電壓、電流進(jìn)行算法比較,為電池的充放電狀態(tài)的判斷提供依據(jù)。電池控制模塊如圖4所示。

圖4 電池控制原理

■2.3 最大功率點(diǎn)追蹤算法

本文最大功率點(diǎn)追蹤采用擾動觀察法計(jì)算。如圖5 所示，算法需要輸入光伏板的電壓和電流，通過計(jì)算輸出光伏板電壓的控制值，以達(dá)到光伏板穩(wěn)定電壓和最大功率輸出的目的。

圖5 擾動觀察法流程圖

首先對MPPT 算法進(jìn)行初始值設(shè)置，限制輸出參考值最大和最小以及初始值。設(shè)置計(jì)算之前的電壓和電流均為0。計(jì)算光伏板功率為,功率變化量為更新后的功率值與上一時間段功率值之差。

然后對參考電流值進(jìn)行更新，當(dāng)光伏板的功率在減小而電壓卻在增大時，說明最大功率點(diǎn)在左側(cè)，應(yīng)減小電壓值以使光伏板工作在最佳功率且電壓穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)的電壓值。當(dāng)光伏板的功率在減小電壓也在減小時，說明最大功率點(diǎn)在右側(cè)，應(yīng)增加電壓值以使光伏板工作在最佳功率且電壓穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)的電壓值。當(dāng)光伏板的功率在增大而電壓也在減小時，說明最大功率點(diǎn)在左側(cè)，應(yīng)減小電壓值以使光伏板工作在最佳功率且電壓穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)的電壓值。當(dāng)光伏板的功率在增大電壓也在增大時，說明最大功率點(diǎn)在右側(cè)，應(yīng)增加電壓值以使光伏板工作在最佳功率且電壓穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)的電壓值。

為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，參考電壓的控制值不應(yīng)超過規(guī)定的上限和下限。當(dāng)?shù)陀谧钚≈禃r仍按照最小值進(jìn)行計(jì)算，超過最大值時仍按照最大值進(jìn)行計(jì)算。

3 仿真結(jié)果分析

以擾動觀察法計(jì)算最大功率追蹤點(diǎn)，對控制器進(jìn)行控制，使光伏板恒保持在最大功率出力狀態(tài)。同時控制升壓電路將光伏板的電壓升至電池電壓48V 后接入電池為電池充電。光伏板采用5 并聯(lián)和1 串聯(lián)的形式，開路電壓為36.3V，短路電流為7.84A。工作溫度為25℃。本文選用的儲能裝置是通用電池模型,額定電壓設(shè)置為24V,額定容量50Ah。仿真的散發(fā)采樣周期設(shè)定為125e-6 秒。

■3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

（1）光伏板數(shù)據(jù)

光伏板的電壓和功率關(guān)系與光伏板的工作溫度有關(guān)，由圖6 可以看出，當(dāng)光伏板工作溫度為25℃時，其最大功率為1050W，此時對應(yīng)電壓值為29V。

圖6 溫度為25℃時電壓與功率關(guān)系

光伏板的電壓和電流關(guān)系與光伏板的工作溫度有關(guān)，由圖7 可以看出，當(dāng)光伏板工作溫度為25℃，最佳工作點(diǎn)的電壓為29V 時，與此相對應(yīng)的工作電流值為37A。

圖7 溫度為25℃時電流與電壓關(guān)系

（2）光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)

圖8 為一天二十四小時的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，從0 時至4 時光照強(qiáng)度為0，太陽升起后光照強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，到中午12 時獲得最大值。在之后就逐漸減小，最后在18 時降為零。

圖8 光照強(qiáng)度波形圖

通過MPPT 算法輸出電壓參考量，控制光伏板的電壓，從而達(dá)到光伏板電壓穩(wěn)定、功率一直在最大點(diǎn)的目的。圖9 為電流隨光照強(qiáng)度變化圖，隨著光照強(qiáng)度的增大或減小，為了保持電壓不變，電流應(yīng)隨光照強(qiáng)度變大或減小。

圖9 光伏板輸出電流

■3.2 仿真結(jié)果分析

一天之中，因?yàn)楣庹諒?qiáng)度一直在改變，所以光伏板的輸出功率也在改變，通過MPPT 算法，使輸出功率在當(dāng)前光照強(qiáng)度下最大。圖10 為調(diào)節(jié)后的光伏板輸出功率變化?？梢钥闯觯夥遢敵龉β首兓厔菖c光照強(qiáng)度變化一致。

圖10 光伏板輸出功率圖

如圖11 所示，Vbus 為用戶電壓，也可以理解為上網(wǎng)電壓，Vref 為負(fù)載參考電壓。用戶電壓設(shè)置為48V，既可為光伏電站內(nèi)部低壓設(shè)備供電，也可經(jīng)逆變后并網(wǎng)。由于光伏出力隨光照強(qiáng)度變化且具有隨機(jī)性和波動性，所以用戶的電壓和電流會根據(jù)光伏板的變化而變化的。在加入儲能電池后，負(fù)載電壓會如圖11 所示保持在一個穩(wěn)定的范圍，由圖11 可以看出實(shí)際電壓與理想電壓值幾乎一致，達(dá)到了對負(fù)荷穩(wěn)定供電的目的。

圖11 載電壓與電流圖

圖12 是在一天之中，電池的剩余電量隨著光照強(qiáng)度的變化趨勢。從圖中可以看出電池剩余電量在0 時至7 時從45%逐漸降低，這說明電池處于放電狀態(tài)。當(dāng)光照強(qiáng)度為零或過低的時候，電站也應(yīng)滿足用戶的供電需求，但夜間無光照，光伏發(fā)電無法輸出電能，此時由電池給用戶供電，所以電池的剩余電量就會變少。在7 時之后，光照逐漸變強(qiáng)，此時由光伏板給用戶供電同時給電池充電，所以電池的剩余電量逐漸增加。下午光照變?nèi)?，又由電池給用戶供電，剩余電量又會變少。

圖12 電池剩余電量

通過觀察圖13 電池電壓波形圖可以看出，電池電壓的波形圖實(shí)際上和剩余電量的波形圖類似，因?yàn)殡姵氐碾妷簳S著電池剩余電量而變化，剩余電量多電池電壓就高，剩余電量少電池電壓就小。

圖13 電池電壓圖

圖14 為MPPT 算法預(yù)測的理想電流與光伏板實(shí)際輸出電流圖，通過算法控制光伏板輸出的實(shí)際電流與預(yù)測電流的波形圖基本一致，驗(yàn)證了MPPT 算法控制的有效性。

圖14 際電流與預(yù)測電流

圖15 電池充電電壓

通過升壓電路和MPPT 算法控制，負(fù)荷的電壓穩(wěn)定在48V，在光照強(qiáng)度發(fā)生變化時，雖然電壓會有短暫波動，但通過MPPT 算法和儲能電池調(diào)節(jié)均能迅速回到48V。

4 總結(jié)

一天之中的光照強(qiáng)度不同，所以導(dǎo)致光伏發(fā)電具有波動性和隨機(jī)性，本文以光伏板5 并聯(lián)和1 串聯(lián)的形式，開路電壓為36.3V，短路電流為7.84A，工作溫度為25℃為基礎(chǔ)。通過擾動觀察法編寫MPPT 程序，并加入儲能電池，對光儲一體化供電系統(tǒng)進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明:

（1）雖然一天中光照強(qiáng)度不斷變化，但通過MPPT 算法調(diào)節(jié)，光伏板電壓可以穩(wěn)定在27V，電流隨光照強(qiáng)度變化，使光伏板一直工作在最大功率點(diǎn)附近，最大化利用了太陽能電池板的發(fā)電潛力。

（2）光儲一體化供電系統(tǒng)通過光伏系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，使儲能系統(tǒng)在光伏發(fā)電高峰時進(jìn)行電能儲存，在光伏發(fā)電低谷時充當(dāng)電源對負(fù)載進(jìn)行供電，達(dá)到了削峰填谷的目的，增強(qiáng)了系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果證明光儲一體化供電系統(tǒng)對平抑光伏發(fā)電波動性和隨機(jī)性具有很好的作用。