劉旺磊,鄭 闊

河北工程大學(xué),河北 邯鄲 056009

0 引言

在我國(guó)旨在2030年和2060年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)的背景下,可再生分布式能源成為了未來發(fā)展的方向。在這樣的分布式系統(tǒng)中,發(fā)展充電站已成為不可避免的趨勢(shì)。然而,當(dāng)光電等新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)時(shí),很容易對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。隨著儲(chǔ)能技術(shù)的革新與發(fā)展,光伏系統(tǒng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)的聯(lián)合運(yùn)行技術(shù)得到了更多的研究。

相關(guān)研究表明,光伏電站配備的儲(chǔ)能電池應(yīng)具備壽命長(zhǎng)、充放電性能好、少維護(hù)等特性[1]。此外,也有研究介紹了光伏儲(chǔ)能一體化電站的電氣組成部分、儲(chǔ)能系統(tǒng)電池的選擇以及能量管理策略[2-3];通過負(fù)荷模塊的增減分析電網(wǎng)失電情況下光伏電池欠載和過載2種情況下蓄電池充電和放電狀態(tài)的可靠性[4]。通過實(shí)際氣象數(shù)據(jù)仿真分析,研究者得出了時(shí)間常數(shù)與波動(dòng)平抑之間的關(guān)系,并通過引入儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光伏柔性并網(wǎng)的可行性[5],另外,提出一種具有雙滯環(huán)的能夠自動(dòng)補(bǔ)償電池容量的有功功率平抑算法,并成功應(yīng)用于風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)[6]。還有研究者通過分析光伏儲(chǔ)能電站各部分的特性,確定了各部分的最佳出力方式,并優(yōu)化管理系統(tǒng)內(nèi)的能量流動(dòng),以延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命[7]。

鑒于上述研究成果,基于MATLAB/Simulink建立了以鋰電池為儲(chǔ)能裝置的電壓電流雙環(huán)控制策略下的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)模型,并研究了儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)光伏儲(chǔ)能聯(lián)合電站的穩(wěn)定性和日常運(yùn)行的影響。

1 總體設(shè)計(jì)

圖1為光伏儲(chǔ)能電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D,由光伏電站和儲(chǔ)能電站組成,分別由DC/DC直流變流器、DC/AC逆變器和電網(wǎng)相連。

圖1 光伏儲(chǔ)能電站結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)

2.1 光伏電池的基本原理

光伏電池主要利用半導(dǎo)體材料的光生伏特效應(yīng),通過吸收太陽光輻射的能量,將其轉(zhuǎn)化為電能。圖2展示了光伏發(fā)電的原理。

圖2 光伏發(fā)電原理

圖3 光伏電池等效電路模型

通常情況下,單個(gè)光伏發(fā)電單元的發(fā)電容量相對(duì)較低,因此需要將多個(gè)光伏單元通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式來構(gòu)建光伏陣列,以獲得更大的輸出功率,以便應(yīng)用于生活中。

公式(1)為光伏電池的基本解析式,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在光伏電池的理論分析中,但由于其中多項(xiàng)參數(shù)都與日照強(qiáng)度和電池溫度有關(guān),難以固定,所以運(yùn)行起來有一些困難。

(1)

式中:IL為光電流;T為絕對(duì)溫度;I0為反向飽和電流;A為二極管因子;q為電子電荷;Rs為串聯(lián)電阻;K為波爾茲曼常數(shù);Rsh為并聯(lián)電阻。

2.2 光伏電池的工程數(shù)學(xué)模型

目前,由于光伏電池的基本解析式僅適用于理論分析,并不便于工程應(yīng)用,也無法反映光伏電池廠商提供的技術(shù)參數(shù),因此,為了更準(zhǔn)確、靈活地描述光伏電池的輸出特性,建立了實(shí)際工程中的數(shù)學(xué)模型。在實(shí)際工程應(yīng)用中,Um、Im、Uoc、Ise等參數(shù)會(huì)根據(jù)相應(yīng)的規(guī)律發(fā)生變化。因此,通過引入合適的修正系數(shù),并利用大量數(shù)據(jù)的計(jì)算和近似推算,能夠在實(shí)際應(yīng)用情況下得到更準(zhǔn)確的4個(gè)技術(shù)參數(shù)[8]。

(2)

(3)

(4)

式(2)中的U、I為光伏電池輸出電壓與電流,式(3)和式(4)中的C1、C2為修正系數(shù)。

(5)

(6)

(7)

(8)

式中:S為實(shí)際情況的太陽輻射強(qiáng)度;Sref為標(biāo)準(zhǔn)參考太陽輻射強(qiáng)度,1 000 W/m2;Um為最大功率點(diǎn)電壓;Im為最大功率點(diǎn)電流;Ise為光電流;Uoc為開路電壓;tref為標(biāo)準(zhǔn)參考電池溫度,25 ℃;S為實(shí)際光強(qiáng);T為實(shí)際電池溫度;補(bǔ)償系數(shù)a、b、c為常數(shù),本文中采用a=0.002 5 ℃,b=0.000 5 W/m2,c=0.002 88 ℃。

使用修正法獲得的工程實(shí)用數(shù)學(xué)模型不需要理論模型中復(fù)雜的參數(shù),只需依賴廠家提供的4個(gè)基本技術(shù)參數(shù)即可近似推算出光伏電池的數(shù)學(xué)模型。此模型還可以根據(jù)不同型號(hào)的光伏電池調(diào)整修正系數(shù),從而大大提高了模型在實(shí)際工程應(yīng)用中的適應(yīng)性和匹配度。

2.3 最大功率跟蹤控制

光伏陣列是將多個(gè)光伏電池串并聯(lián)安裝在基座上形成的光伏電池群,以實(shí)現(xiàn)額定電壓和電流,提高系統(tǒng)的輸出功率。由于光伏電池的特性,其輸出參數(shù)會(huì)隨著光照強(qiáng)度和溫度的變化而發(fā)生變化,在實(shí)際應(yīng)用中,光伏系統(tǒng)的輸出功率是不斷變化的,并存在一個(gè)最大功率點(diǎn)。為了獲得最大功率輸出,光伏系統(tǒng)應(yīng)盡可能工作在最大功率點(diǎn)上。

最大功率跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)是一種用于光伏系統(tǒng)的直流/直流轉(zhuǎn)換器,安裝在光伏電池與負(fù)載之間,旨在確保光伏陣列始終工作在最大功率模式下。MPPT的控制方法有很多種,其中常見的方法包括擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法。相較于擾動(dòng)觀察法,電導(dǎo)增量法能夠減少在最大功率點(diǎn)上的電壓振蕩,并且在快速變化的環(huán)境中更好地控制精度,但計(jì)算時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

本文采用電導(dǎo)增量法來控制光伏系統(tǒng)。電導(dǎo)增量法通過比較光伏電池的增量電導(dǎo)和瞬時(shí)電導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制,其控制流程如圖4所示。該控制算法通過比較工作電壓與最大功率點(diǎn)之間的電壓關(guān)系來確定調(diào)整變量的方向,從而調(diào)節(jié)光伏系統(tǒng)的工作電壓以獲得最大輸出功率[9]。

圖4 MPPT控制流程

2.4 DC/AC逆變控制模型

逆變器是一種能夠?qū)⒅绷麟娹D(zhuǎn)換為交流電或?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)換為直流電的設(shè)備,實(shí)現(xiàn)雙向電能轉(zhuǎn)換和傳輸。在光伏系統(tǒng)中,DC/AC逆變器用于將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。保持直流母線側(cè)的電壓為800 V以及無功功率為0,以確保光伏系統(tǒng)的功率因數(shù)為1。DC/AC逆變器的控制模型如圖5所示。

圖5 DC/AC逆變器控制模型

DC/AC逆變器控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。其中,電壓反饋控制作為外環(huán),電壓PI調(diào)節(jié)器的輸出被用作d軸電流的給定值;電流反饋和電流控制器構(gòu)成內(nèi)環(huán),電流PI調(diào)節(jié)器的輸出以及電流狀態(tài)反饋和電網(wǎng)電壓的前補(bǔ)償組成了完整的電壓控制信號(hào)。經(jīng)過SVPWM調(diào)制后,生成的開關(guān)信號(hào)被送入DC/AC逆變器的主電路產(chǎn)生所需的交流電壓。

此控制模型將電流內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)為典型的Ⅰ型系統(tǒng),以提高其動(dòng)態(tài)性能;將電壓外環(huán)設(shè)計(jì)為典型的Ⅱ型系統(tǒng),以提高其抗干擾能力[10]。

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)

3.1 儲(chǔ)能電池模型

通常用作儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池種類有很多,包括鉛酸鋰鐵電池、Ni-Cd電池、Ni-MH電池和Li-ion電池等。在本文中儲(chǔ)能系統(tǒng)選用鋰電池作為儲(chǔ)能元件,鋰電池的等效電路用受控的電壓源和常數(shù)值的電阻表示,如圖6所示。

圖6 儲(chǔ)能電池等效電路

等效模型方程如下。

(9)

Vbat=Ebat-RbatIbat

(10)

式中:Ebat為內(nèi)部電壓;E0為電池電壓常量;SOC為電池電荷狀態(tài);Q為電池容量;A為指數(shù)區(qū)振幅;B為指數(shù)區(qū)時(shí)間常數(shù)的倒數(shù);Vbat為輸出端電壓;Ibat為電池電流;Rbat為內(nèi)部電阻;K為極化常數(shù)[11]。

為防止電池過放、過充的情況發(fā)生,需要對(duì)電池的充放電狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控和控制,構(gòu)建電池控制系統(tǒng)。等效電路圖中Ibat作為輸入信號(hào),也就是電池的充電電流,SOC、Vbat作為輸出信號(hào),即電池荷電狀態(tài)、電池的輸出電壓。并設(shè)定SOC小于0.2(電池電荷狀態(tài)小于20%)時(shí),電池開始充電;SOC大于0.9(電池電荷狀態(tài)大于90%)時(shí),電池開始放電。當(dāng)光伏板輸出功率高于額定值時(shí),衡量SOC狀態(tài)后再判定是否需要對(duì)其充電。

3.2 儲(chǔ)能控制系統(tǒng)

儲(chǔ)能電池控制仿真模型分為DC/DC和DC/AC兩部分(見圖7～8)。

圖7 DC/DC控制模型

儲(chǔ)能系統(tǒng)的DC-DC變流器能實(shí)現(xiàn)電池的雙向充放電,其采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略,即電流內(nèi)環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器對(duì)比鎖定電流,等于一個(gè)穩(wěn)流電源能夠放大逆變控制系統(tǒng)的帶寬,改善逆變器的響應(yīng)速度和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,減少輸出電壓諧波量。電壓外環(huán)同樣采用PI調(diào)節(jié)器,可以使輸出電壓很短時(shí)間內(nèi)鎖定給定值,維持直流母線電壓在800 V。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的DC/AC變流器與光伏系統(tǒng)的DC/AC變流器控制原理相似(見圖8),可將系統(tǒng)需要的有功功率與無功功率作為參考值,進(jìn)而控制電池輸出的有功功率和無功功率。

圖8 DC/AC控制模型

4 仿真結(jié)果與分析

選用215 W的太陽能電池組件,每個(gè)電池由14個(gè)電池組件串聯(lián),5個(gè)串聯(lián)支路并聯(lián)成15 kW的電池模型。鑒于光伏電池的輸出功率會(huì)受光照強(qiáng)度以及溫度變化的影響,在本次仿真過程中,溫度選擇為25 ℃。

4.1 光伏系統(tǒng)仿真分析

基于MATLAB/Simulink所搭建的模型,在初始測(cè)試環(huán)境(1 000 W/m2、25 ℃)下給予一個(gè)階躍光照強(qiáng)度信號(hào),光伏陣列功率輸出結(jié)果見圖9。

圖9 MPPT對(duì)光伏功率的控制

由仿真結(jié)果可知,額定功率為15 kW的光伏陣列系統(tǒng)在輸出功率穩(wěn)定之后,在1 s時(shí)給予一個(gè)從1 000 W/m2到750 W/m2驟減的光照強(qiáng)度信號(hào),光伏陣列輸出功率在MPPT控制下精準(zhǔn)且迅速地捕捉到光伏系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)。

MPPT控制下光伏陣列輸出電壓Upv的波形如圖10所示,光伏陣列的輸出電壓一直保持在400 V左右,滿足控制期望。

圖10 光伏陣列輸出電壓

4.2 并網(wǎng)模式

綜合考慮整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性、供電可靠性與成本問題,光伏電站、鋰電池儲(chǔ)能電站額定容量分別定為15 kW·h、8 kW·h。

以光照強(qiáng)度變化的條件對(duì)光伏儲(chǔ)能電站系統(tǒng)進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖11所示:PZ是光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率;Pbat是鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率;Ppv是光伏電站輸出功率。由圖11可看出,儲(chǔ)能系統(tǒng)很好地平衡了光伏電站輸出功率的波動(dòng),使光伏儲(chǔ)能電站的輸出功率穩(wěn)定在12.5 kW,平抑了整個(gè)系統(tǒng)輸出功率的波動(dòng),使光伏儲(chǔ)能電站成為平穩(wěn)、利于控制的單元。

圖11 光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)輸出功率

5 結(jié)束語

本文的研究結(jié)果表明,MPPT能夠準(zhǔn)確跟蹤光伏陣列在不同時(shí)間下的最大功率點(diǎn)。電壓電流雙環(huán)控制策略下,儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠有效減小光伏電站輸出功率的波動(dòng),有利于光伏電站的并網(wǎng)應(yīng)用。電壓電流雙環(huán)控制下儲(chǔ)能系統(tǒng)的仿真模型為光伏電站的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了有力支持,光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用有望促進(jìn)可再生分布式能源的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)利用和低碳排放。未來的研究可以進(jìn)一步深入探索光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)在實(shí)際工程應(yīng)用中的性能和經(jīng)濟(jì)效益。總之,電壓電流雙環(huán)控制策略下儲(chǔ)能系統(tǒng)的仿真研究為充分利用光伏資源、解決光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性和波動(dòng)性問題提供了理論支持和技術(shù)指導(dǎo),具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和推廣意義。