王善立,龍 軍

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院,廣西南寧530004)

含分布式儲(chǔ)能的光伏發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真

王善立,龍 軍

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院,廣西南寧530004)

太陽(yáng)能是一種新型可再生能源且在開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能過(guò)程中不會(huì)污染環(huán)境。太陽(yáng)能發(fā)電在解決全球氣候變暖及能源問(wèn)題中發(fā)揮著極其重要的作用，但因受自然條件和氣候因素的影響，太陽(yáng)能輻照度具有極大的不穩(wěn)定性，直接導(dǎo)致了光伏發(fā)電輸出功率具有明顯的波動(dòng)性。為了使光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠提供連續(xù)穩(wěn)定的電力，將分布式儲(chǔ)能作為主要的儲(chǔ)能方式應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中，基于PSCAD/EMTDC建立了含分布式儲(chǔ)能的光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型。經(jīng)仿真結(jié)果表明，光伏電池最大功率跟蹤點(diǎn)（MPPT）能夠有效地提高光伏陣列的輸出功率；分布式儲(chǔ)能的介入使得光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率曲線更趨平穩(wěn)，緩和了光伏發(fā)電不穩(wěn)定性對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

光伏；MPPT；分布式儲(chǔ)能；建模；仿真

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源的消耗在急驟增長(zhǎng)，而人類社會(huì)的三大主要能源——煤、石油、天然氣都是不可再生且面臨枯竭的。為滿足社會(huì)未來(lái)的可持續(xù)發(fā)展及解決化石能源帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題，大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源已成現(xiàn)實(shí)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，太陽(yáng)電池的高速發(fā)展使得光伏發(fā)電得到了廣泛應(yīng)用，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)中葉，光伏發(fā)電量將占到世界總發(fā)電量的1/5。我國(guó)近年來(lái)也持續(xù)發(fā)展和整合新能源發(fā)電，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也得到相對(duì)的提高[1-2]。據(jù)國(guó)家能源局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2013增加光伏發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量為12.92 GW，其中光伏電站占12.1 GW，分布式光伏為0.8 GW。

因受環(huán)境條件的影響，光伏能源的能量變化波動(dòng)很大，例如浙江光伏發(fā)電示范工程中的250 kW屋頂光伏發(fā)電項(xiàng)目的功率最大變化率為每分鐘20%。為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)出力的穩(wěn)定性和連續(xù)性，需增加輔助電源以解決光能不穩(wěn)定性帶來(lái)的問(wèn)題[3-5]。本文將分布式儲(chǔ)能應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)，通過(guò)控制分布式儲(chǔ)能功率合理的吸收和釋放，來(lái)解決光伏發(fā)電的間歇性和波動(dòng)性問(wèn)題，在PSCAD中建立含分布式儲(chǔ)能的光伏發(fā)電系統(tǒng)模型，并對(duì)其進(jìn)行仿真分析。

1　含分布式儲(chǔ)能的光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)功率平緩輸出，采用圖1所示的含分布式儲(chǔ)能的光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，該系統(tǒng)由光伏發(fā)電系統(tǒng)、光伏控制系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、儲(chǔ)能控制系統(tǒng)、逆變器和變壓器等組成。其中，變換器主要用于實(shí)現(xiàn)光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤，并將光伏陣列的較低電壓提升到較高的電壓，以便供逆變器使用。

圖1　含分布式儲(chǔ)能的光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖

2　仿真模型建立

2.1光伏模型

太陽(yáng)電池是利用半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，將光能轉(zhuǎn)化為電能。太陽(yáng)電池在理想情況下的等效電路[6]，可由一個(gè)反并聯(lián)二極管、并聯(lián)電阻的電流源等效表示，如圖2。

根據(jù)基爾霍夫定律可知，光伏組件輸出電流I：

圖2　光伏電池等效電路

將二極管電流表達(dá)式Id和并聯(lián)支路電流表達(dá)式Ish代入，公式(1)寫成：

式中:Ig為光生電流，其大小受到太陽(yáng)輻射G和電池溫度Tc的影響，其表達(dá)如式(3)：

式中:IscR為標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度GR(1 000 W/m2)和標(biāo)準(zhǔn)溫度TcR(25℃)條件下的短路電流，αT為光生電流的溫度系數(shù)(硅晶體太陽(yáng)電池αT=0.011 7 A/K)。Io為二極管飽和電流，為關(guān)于溫度Tc的函數(shù)，其表達(dá)式如式(4)：

式中:eg為禁帶寬度;n為二極管的理想常數(shù);q為庫(kù)侖常數(shù)(1.6×10－19C);k為玻爾茲曼常數(shù)(1.38×10－23J/K)。

光伏陣列是將多個(gè)太陽(yáng)電池模塊通過(guò)串并聯(lián)安裝在基座上的太陽(yáng)電池群，從而提高其輸出的電壓和電流，增加系統(tǒng)輸出功率。典型的光伏陣列電壓-電流特性曲線如圖3所示。

圖3　光伏陣列I-V特性曲線

2.2MPPT模型

由圖2可知，在不同環(huán)境條件情況下，光伏陣列功率輸出存在著不同的最大工作點(diǎn)，為了獲得最大的功率輸出，最好使光伏陣列能夠跟蹤并持續(xù)工作在該點(diǎn)。MPPT即最大功率跟蹤是一種DC-DC轉(zhuǎn)換器，安裝于光伏陣列和負(fù)載之間，以保證光伏陣列在任何環(huán)境條件及其負(fù)荷條件下盡可能工作在其最大功率模式。MPPT的控制策略有很多，常用的兩種控制策略分別是擾動(dòng)觀察(P&Q)法和電導(dǎo)增量(INC)法。與P&O法相比較，INC法能夠減少在最大功率點(diǎn)振蕩及在劇烈變化的環(huán)境條件下具有更高的控制精度[7]，而其缺點(diǎn)是計(jì)算時(shí)間要長(zhǎng)于P&Q法[8]。

本文采用INC法，該控制算法是通過(guò)比較工作電壓與最大功率點(diǎn)間的電壓關(guān)系，以此來(lái)確定增量的方向，調(diào)整工作電壓以獲得最大輸出功率。在太陽(yáng)光照強(qiáng)度變化的情況下，使得光伏陣列的功率輸出變化較為平穩(wěn)。INC控制算法的流程如圖4。

圖4　MPPT組件及其控制策略

在PSCAD中構(gòu)建含MPPT的DC-DC轉(zhuǎn)換控制器如圖5所示。

圖5　含MPPT的DC-DC轉(zhuǎn)換控制器

2.3鋰電池模型

用于構(gòu)建電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池種類有很多，主要包括鉛酸蓄電池，Ni-Cd電池，Ni-MH電池和Li-ion電池等。在本文中采用鋰電池組作為分布式儲(chǔ)能元件，并基于Shepherd方程[9]構(gòu)建鋰電池組件模型，用于實(shí)現(xiàn)其性能。鋰電池的等效電路可用一個(gè)受控電壓源與一個(gè)常數(shù)值的電阻串聯(lián)表示，如圖6。

圖6　電池等效電路

該鋰電池組件的等效模型方程如式(5)：

式中:Ebat內(nèi)部電壓(V)；Eo為電池電壓常量(V)；SOC為電池荷電狀態(tài)(%)；Q為電池容量(Ah)；A為指數(shù)區(qū)振幅(V)；B為指數(shù)區(qū)時(shí)間常數(shù)的倒數(shù)(1/Ah)；Vbat為輸出端電壓(V)；Ibat為電池電流(A)；Rbat為內(nèi)部電阻(Ω)；K為極化常數(shù)(V/Ah)或極化電阻(Ω)。

在PSCAD中搭建3.6 V 1 Ah Li-ion電池組件，該電池組件如圖7所示。

圖7　Li-ion電池組件及其參數(shù)

圖7中Ibat為輸入信號(hào)，即電池的充電電流，Reset為控制信號(hào)，用于控制電池的充放電狀態(tài)，SOC為輸出信號(hào)，即電池荷電狀態(tài)，Vbat為輸出信號(hào)，即電池的輸出電壓。

除此之外，還需要搭建電池控制組件，以對(duì)電池的充放電狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的控制[10]，電池控制組件如圖8所示。在本模型當(dāng)中搭建了額定參數(shù)為500 V 139 Ah的電池組，并設(shè)定SOC＜0.2(即電池電量小于20%)時(shí)，對(duì)電池進(jìn)行充電；SOC＞0.9 (即電池電量大于90%)時(shí)，對(duì)電池進(jìn)行放電。當(dāng)光伏輸出功率大于參考值時(shí)，判定SOC狀態(tài)之后決定是否需要對(duì)電池進(jìn)行充電；反之，電池放電。

圖8　電池控制系統(tǒng)

2.4分布式儲(chǔ)能控制系統(tǒng)模型

在本模型中，將儲(chǔ)能組件在光伏發(fā)電系統(tǒng)的DC側(cè)并入，即在DC-DC轉(zhuǎn)換器和SVC逆變器之間。圖9為DESS控制系統(tǒng)模型。

SVC采用基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略，在PSCAD中建立由外環(huán)控制直流母線電壓的穩(wěn)定和內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功的解耦控制模型。

圖9　DESS控制系統(tǒng)模型

3　動(dòng)態(tài)仿真與分析

3.1MPPT仿真結(jié)果

基于PSCAD所搭建的模型，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境 (1 000 W/m2，25℃)下的光伏陣列功率輸出結(jié)果如圖10。

圖10　標(biāo)準(zhǔn)條件下PV輸出功率比較

由仿真結(jié)果可知，額定功率為50 kW的光伏陣列系統(tǒng)在輸出穩(wěn)定之后，光伏陣列功率輸出在MPPT開(kāi)啟狀態(tài)下要比關(guān)閉狀態(tài)高出約6 870 W。

據(jù)某地某晴天且無(wú)飄云情況下，10點(diǎn)至15點(diǎn)的太陽(yáng)輻射和溫度數(shù)據(jù)，應(yīng)用于該模型中，其計(jì)算仿真結(jié)果如圖11。

圖11　MPPT對(duì)光伏功率輸出的影響

由仿真結(jié)果說(shuō)明，MPPT能夠在同樣環(huán)境條件下，有效地提高光伏陣列的輸出功率。

3.2含分布式儲(chǔ)能的光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真結(jié)果

3.2.1獨(dú)立運(yùn)行模式下仿真

在光伏陣列實(shí)際工作環(huán)境中，常會(huì)因?yàn)槠渖戏斤h云的影響，使得照射到光伏陣列的太陽(yáng)輻射發(fā)生劇烈變化，導(dǎo)致其輸出功率產(chǎn)生較大的波動(dòng)。對(duì)含分布式儲(chǔ)能的光伏發(fā)電系統(tǒng)在獨(dú)立運(yùn)行模式進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖12。

圖中PV線表示光伏發(fā)電系統(tǒng)在該環(huán)境條件下的功率輸出曲線，PV with Bat線表示的是加入分布式儲(chǔ)能(DESS)之后的光伏功率輸出曲線。由仿真結(jié)果可知，分布式儲(chǔ)能能夠使得光伏功率輸出曲線趨于平穩(wěn)，有效地解決光伏輸出功率的波動(dòng)性。

3.2.2并網(wǎng)運(yùn)行模式下仿真

以某地光伏發(fā)電工程為實(shí)例，該工程中由分布式儲(chǔ)能光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)同時(shí)為其供電。比較僅光伏發(fā)電系統(tǒng)與加入分布式儲(chǔ)能之后的光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷情況的影響，仿真結(jié)果如圖13。

圖12　系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行模式仿真結(jié)果

圖13　系統(tǒng)并網(wǎng)模式下仿真結(jié)果

圖中，B-load曲線表示辦公樓用電負(fù)荷曲線，N-load曲線表示電網(wǎng)側(cè)的功率曲線，N-load with DESS曲線表示加入分布式儲(chǔ)能(DESS)之后電網(wǎng)側(cè)的功率曲線，PV曲線表示的是光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率。由仿真結(jié)果可知，在同樣滿足辦公樓用電的條件下，未安裝分布式儲(chǔ)能的光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)沖擊較大(N-load曲線出現(xiàn)較大的波動(dòng))。而含分布式儲(chǔ)能的光伏發(fā)電系統(tǒng)不僅能減少辦公樓對(duì)電網(wǎng)的依賴(N-load with DESS曲線明顯低于B-load曲線),且能夠使光伏發(fā)電的功率平滑輸出(N-load with DESS曲線明顯較N-load曲線平滑)，對(duì)電網(wǎng)不會(huì)造成大的沖擊。

4　結(jié)論

本文建立了含分布式儲(chǔ)能的光伏發(fā)電系統(tǒng)的模型，重點(diǎn)對(duì)該系統(tǒng)中的MPPT和分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果表明MPPT能夠?qū)崟r(shí)跟蹤光伏陣列的最大功率點(diǎn)，顯著提高光伏陣列的輸出功率；分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的介入使得光伏發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定地輸出功率，在與電網(wǎng)聯(lián)合供電時(shí)，能夠有效地降低光伏發(fā)電系統(tǒng)的不穩(wěn)定性對(duì)電網(wǎng)的沖擊。本文通過(guò)對(duì)分布式儲(chǔ)能在光伏發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的建模與仿真，為解決其他新能源發(fā)電中存在的類似不穩(wěn)定問(wèn)題提供了有效的解決思路，以期進(jìn)一步推廣和應(yīng)用新能源發(fā)電技術(shù)。

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Modeling and simulation of a PV system with DESS

WANG Shan-li,LONG Jun
(College of Electrical Engineering,Guangxi University,Naning Guangxi 530004,China)

A PV system based on DESS was proposed.Such a PV system took advantage of MPPT in the PV system and the strong point in the DESS and improved the original running condition of PV system.The simulation model of PV system based on PSCAD/EMTDC containing DESS was built.And the result of the simulation shows that MPPT can effectively improve the power output of the PV system and DESS can solve the problem of extreme fluctuations in the output power of the PV system fairly reducing the bad impact from the instability of PV system to the net.

PV;MPPT;DESS;modeling;simulation

TM 914

A

1002-087 X(2016)10-1973-03

2016-03-23

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（桂科攻1377001-2）

王善立（1987—），男，海南省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槟茉磧?yōu)化利用。